(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211211017.2 (22)申请日 2022.09.30 (71)申请人 天津大学 地址 300350 天津市天津大 学北洋园校区 齐园 (72)发明人 林彬　周京国　隋天一　付俊帆　 赵鹏程　董宝昆　 (74)专利代理 机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 专利代理师 宋晓晓 (51)Int.Cl. B24B 1/04(2006.01) B24B 27/00(2006.01) B24B 41/06(2012.01) B24B 49/12(2006.01)B24B 47/20(2006.01) (54)发明名称 一种超大长径比复合材料包壳内孔的珩磨 装置及珩磨方法 (57)摘要 一种超大长径比复合材料包壳内孔的珩磨 装置及珩磨方法， 属于复合材料加工技术领域。 本发明是为了解决现有的加工装置及加工方法 无法满足超大长径比的复合材料包壳内孔高精 度、 低损伤的加工要求的问题。 本发明包括数控 平台、 高频往复运动发生器、 阶梯尺度磨具组和 工件装夹平台； 所述的高频往复运动发生器与工 件装夹平台同轴安装在数控平台上并可相对运 动， 所述的阶梯尺度磨具组安装在高频往复运动 发生器上并可 实现轴向的高频往复运动； 复合材 料包壳安装在工件装夹平台上并可以自身的中 轴线为轴转动， 所述的阶梯尺度磨具组对复合材 料包壳的内孔进行扩孔加工。 本发 明主要用于超 大长径比复合材 料包壳内孔的加工 。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 115476205 A 2022.12.16 CN 115476205 A 1.一种超大长径比复合材料包壳内孔的珩磨装置， 其特征在于： 它包括数控平台(1)、 高频往复运动发生器(A)、 阶梯尺度磨具组(4)和工件装夹平台(7)； 所述的高频往复运动发 生器(A)与工件装夹平 台(7)同轴 安装在数控平 台(1)上并可相 对运动， 所述的阶梯尺度磨 具组(4)安装在高频往复运动发生器(A)上并可实现轴向的高频往复运动； 复合材料包壳 (10)安装在工件装夹平台(7)上并可以自身的中轴线为轴转动， 所述的阶梯尺度磨具 组(4) 对复合材 料包壳(10)的内孔进行扩孔加工 。 2.根据权利要求1所述的一种 超大长径比复合材料包壳内孔的珩磨装置， 其特征在于： 所述数控平台(1)的上端设置有滑轨(1 ‑1)， 高频往复运动发生器(A)安装在滑轨(1 ‑1)的端 部， 所述的工件装夹平台(7)安装在数控平台(1)的滑轨(1 ‑1)上， 所述数控平台(1)的一侧 设置有驱动组件(1 ‑2)， 所述的驱动组件(1 ‑2)用于驱动工件 装夹平台(7)的轴向进给。 3.根据权利要求2所述的一种 超大长径比复合材料包壳内孔的珩磨装置， 其特征在于： 所述的高频往复运动发生器(A)包括超声发生器(2)、 超声换能器(3)、 超声传导线(5)和张 紧机构(8)； 所述的超声发生器(2)与张紧机构(8)分别 安装在数控平台(1)上滑轨(1 ‑1)的 两端， 并处于工件装夹平台(7)的两侧； 所述的超声 换能器(3)安装在 超声发生器(2)的超生 发生端， 所述超声传导线(5)的一端安装在超声换能器(3)的驱动端， 超声传导线(5)的另一 端穿过安装在工件装夹平台(7)的复合材料包壳(10)的内孔， 并安装在张紧机构(8)的张紧 端， 实现超声传导线(5)的张紧； 所述的阶梯尺度磨具组(4)套装在超声传导线(5)上。 4.根据权利要求3所述的一种 超大长径比复合材料包壳内孔的珩磨装置， 其特征在于： 所述的工件装夹平台(7)包括移动平台(7 ‑1)、 两个夹持机构(7 ‑2)、 工件夹具(7 ‑3)和两个 旋转平台(7 ‑5)； 所述移动平台(7 ‑1)的下表 面设有与滑轨(1 ‑1)相配合的滑槽， 所述的两个 旋转平台(7 ‑5)相对安装在移动平台(7 ‑1)上， 每个旋转平台(7 ‑5)上设置有一个夹持机构 (7‑2)， 且两个夹持机构(7 ‑2)相对设置， 所述的旋转平台(7 ‑5)可以驱动夹持机构(7 ‑2)的 自旋； 所述的工件夹具(7 ‑3)为圆筒状结构， 工件夹具(7 ‑3)的侧壁上开有若干个并排设置 的注入孔(7 ‑3‑1)； 所述的工件夹具(7 ‑3)轴向插在两个旋转平台(7 ‑5)和两个夹持机构(7 ‑ 2)上， 且工件夹具(7 ‑3)的两端分别伸出两个旋转平台(7 ‑5)的端部， 两个夹持机构(7 ‑2)对 工件夹具(7 ‑3)进行装夹定位； 所述的复合材料包壳(10)插在工件夹具(7 ‑3)内， 复合材料 包壳(10)的两端分别伸出工件夹具(7 ‑3)的两端端面， 且复合材料包壳(10)与工件夹具(7 ‑ 3)之间形成环形空腔， 通过注入孔(7 ‑3‑1)向工件夹具(7 ‑3)和复合材料包壳(10)之间的环 形空腔填充低熔点 填充物(9)并固化。 5.根据权利要求4所述的一种 超大长径比复合材料包壳内孔的珩磨装置， 其特征在于： 所述的珩磨装置还包括两组光电传感器组(6)， 其中一组光电传感器组(6)安装在超声传导 线(5)的正上方， 用于确定超声传导线(5)的位置， 另一组光电传感器组(6)安装在工件夹具 (7‑3)的侧方， 用于确定复合材 料包壳(10)与工件夹具(7 ‑3)的位置 。 6.根据权利要求5所述的一种 超大长径比复合材料包壳内孔的珩磨装置， 其特征在于： 所述的阶梯尺度磨具组(4)包括粗加工磨 头组、 半精加工磨 头组和精加工磨 头组； 所述的粗 加工磨头组、 半精加工磨头组和精加 工磨头组由复合材料包壳(10)至超声换能器(3)的方 向依次串 联固定安装在 超声传导线(5)上， 形成超大长径比的加工磨具； 每个加工磨 头的安 装位置为超声传导线(5)轴向振动的波腹位置 。 7.根据权利要求6所述的一种 超大长径比复合材料包壳内孔的珩磨装置， 其特征在于：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115476205 A 2所述的粗加工磨头组包括依次串联的一个粗加工磨头 Ⅰ(4‑1)和若干个粗加工磨头 Ⅱ(4‑ 2)； 所述的半精加工磨 头组包括依次串 联的一个 半精加工磨 头Ⅰ(4‑3)和若干个 半精加工磨 头Ⅱ(4‑4)； 所述的精加工磨头组包括依次串联的一个精加 工磨头Ⅰ(4‑5)和若干个精加 工 磨头Ⅱ(4‑6)； 相邻的两个加工磨头之间留有一定的距离作为 排屑槽； 所述的粗加工磨头 Ⅰ(4‑1)、 半精加工磨头 Ⅰ(4‑3)和精加工磨头 Ⅰ(4‑5)均为圆台形磨 头， 且尺寸依次增大； 所述的粗加工磨头 Ⅰ(4‑1)、 半精加工磨头 Ⅰ(4‑3)和精加工磨头 Ⅰ(4‑5) 截面较小的一端朝向复合材料包壳(10)的方向设置， 其中粗加工磨头 Ⅰ(4‑1)截面较小的一 端外径小于复合材 料包壳(10)的初始内径； 所述的粗加工磨头 Ⅱ(4‑2)、 半精加工磨头 Ⅱ(4‑4)和精加工磨头 Ⅱ(4‑6)均为圆柱形 磨头； 其中， 粗加工磨头 Ⅱ(4‑2)的外径等于粗加工磨头 Ⅰ(4‑1)截面最大位置处的外径尺 寸， 半精加工磨 头Ⅱ(4‑4)的外径 等于半精加工磨 头Ⅰ(4‑3)截面最大位置处的外径尺 寸， 精 加工磨头 Ⅱ(4‑6)的外径等于精加工磨头 Ⅰ(4‑5)截面最大位置处的外径 尺寸。 8.利用权利要求7所述的珩磨装置加工超大长径比复合材料包壳内孔的珩磨方法， 具 体珩磨过程如下： 步骤一， 将待研磨的复合材料包壳(10)插在工件夹具(7 ‑3)中， 将装有复合材料包壳 (10)的工件夹具(7 ‑3)插在夹持机构(7 ‑2)与旋转平台(7 ‑5)中， 并通过夹持机构(7 ‑2)的卡 爪对工件夹具(7 ‑3)进行轴向固定； 步骤二， 通过数控平台(1)上的驱动组件(1 ‑2)调节工件装夹平台(7)的位置， 使其靠近 张紧机构(8)的一侧； 步骤三， 将超声传导线(5)带有精加工磨头的一端安装在超声换能器(3)上， 超声传导 线(5)的另一端从安装在工件夹具(7 ‑3)上的复合材料包壳(10)的内孔中穿过， 并由张紧机 构(8)的张紧端固定， 张紧机构(8)提供 预紧力； 步骤四， 数控平台(1)控制两组光电传感器组(6)测量超声传导线(5)、 复合材料包壳 (10)与工件夹具(7 ‑3)的空间位置， 保证三者具备较高精度的同轴度， 然后通过注入孔(7 ‑ 3‑1)向工件夹具(7 ‑3)中注入低熔点 填充物(9)并固化； 步骤五， 数控平台(1)控制超声发生器(2)产生稳定可靠的超声， 通过超声换 能器(3)驱 动超声波传导线(5)作稳定的较大振幅振动， 带动其上 的多个串联的加工磨头作轴向高频 往复振动； 步骤六， 旋转平台(7 ‑5)开机， 并驱动夹持机构(7 ‑2)旋转， 夹持机构(7 ‑2)带动工件夹 具(7‑3)以及复合材料包壳(10)转动， 同时移动平台(7 ‑1)带动复合材料包壳(10)移动实现 微量进给， 作往复振动的加工磨头 接触复合材 料包壳(10)实现扩孔加工； 步骤七， 将工件夹具(7 ‑3)从移动平台(7 ‑1)上拆卸下来， 然后对工件夹具(7 ‑3)与复合 材料包壳(10)的组合体进行加热， 使低熔点填充物(9)熔化， 然后将复合材料包壳(10)从工 件夹具(7 ‑3)中抽出， 获得了高精度、 低损伤的复合材 料包壳(10)。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115476205 A 3