CN101633048B - 基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置，其包括有壳体组件、振动组件、滑动组件和压力组件，滑动组件套接在振动组件的外圆面，压力组件安装在振动组件的尾部，装配好的振动组件、滑动组件和压力组件置于壳体组件内。本发明的超声椭圆振动挤压装置是结合柔性挤压要求与朗之万换能器原理进行的结构设计。当采用该装置进行挤压加工时，其双激励纵弯椭圆换能器能驱动刀具不停地做纵弯椭圆振动，该椭圆振动的轨迹与工件的回转运动轨迹相切，回转方向相反。当该椭圆振动的回转速度与工件的回转速度大小相等或近似相等时，刀具相当于在工件表面作纯滚动，刀具与加工表面间的相对滑动将不复存在，这样就有效地避免了刀具因为滑动摩擦而导致的机械磨损，达到了延长刀具寿命的目的。

Description

基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置

技术领域

本发明涉及一种挤压加工装置，更特别地说，是指一种基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置。

背景技术

超声振动换能器是超声振动加工系统中最重要的组成部分，其设计效果直接影响加工的质量。一般情况下，换能器自身有三种振动形式：纵向振动、弯曲振动和扭转振动，当两种振动形式以一定的相位差复合后能得到椭圆振动。目前所使用的纵弯椭圆振动换能器多以单激励非对称结构的变幅杆来得到椭圆振动形式，然而通过这种换能器得到的椭圆振动可控性差，不利于得到较好的加工质量。双激励纵弯椭圆换能器可以通过两个激励源分别提供的纵向振动和弯曲振动复合来得到椭圆振动，而且还能通过调整两个激励源的激励电压大小和相位差来得到多种不同形式的椭圆振动，这对于研究不同的振动形式对加工质量的影响无疑是十分有用的。

超声振动挤压是一种将超声振动附加于刀具上，使原本连续的挤压过程变成断续的，具有特殊加工效果的挤压加工方式。超声振动挤压具有能大幅降低表面粗超度、强化工件表面等优点。但是在常规超声振动(振动方向为单一纵向)挤压过程中，刀具与加工表面间存在剧烈的滑动摩擦，由此产生的机械磨损将大大降低刀具的使用寿命，另外挤压加工质量也会随着刀具的快速磨损而迅速地下降。刀具寿命较短导致的加工成本大幅提高，限制了振动挤压加工技术在光整加工领域的推广使用。

发明内容

为了解决挤压加工过程中刀具的快速磨损问题，本发明提出了一种基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置。其超声椭圆振动挤压装置包括有壳体组件、振动组件、滑动组件和压力组件，滑动组件套接在振动组件的外圆面，压力组件安装在振动组件的尾部，装配好的振动组件、滑动组件和压力组件置于壳体组件内。当采用该装置进行挤压加工时，其双激励纵弯椭圆换能器能驱动刀具不停地做纵弯椭圆振动，该椭圆振动的轨迹与工件的回转运动轨迹相切，回转方向相反。当该椭圆振动的回转速度与工件的回转速度大小相等或近似相等时，刀具相当于在工件表面作纯滚动，刀具与加工表面间的相对滑动将不复存在，这样就有效地避免了刀具因为滑动摩擦而导致的机械磨损，达到了延长刀具寿命的目的。

本发明的一种基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压装置是结合柔性挤压要求与朗之万换能器原理进行的结构设计。

本发明的一种基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压装置

本发明基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置的优点：

(1)应用B振动激励源27和A振动激励源26复合驱动刀具5作椭圆振动，这样可以通过分别调整每一路振动的振幅和两路振动之间的相位差来得到不同形式的椭圆振动，这样就可以在进行挤压加工时，根据加工的各项工艺参数来选择适当的椭圆振动形式，从而达到减轻甚至避免刀具与工件间的滑动摩擦以及由该滑动摩擦导致的刀具机械磨损。这样不但能提高刀具的使用寿命，降低加工成本，还能得到较好的加工质量。

(2)本发明采用压力传感器与弹簧的组合，使刀具5在工作时，能够减小工件表面的硬质点对刀具的冲击和擦伤。配有压力传感器，能实时监控挤压加工中挤压力的大小，便于工人操作时掌握当前的工作状态和刀具的磨损程度，以便及时更换，这就增加了加工的可靠性。

(3)将压力组件4安装在滑动组件3的刀套31上，使得在工件加工过程中，能始终保持挤压力与工件加工表面垂直，便于提高工件表面的强度和硬度，从而达到提高工件的抗疲劳强度和耐腐蚀能力的目的。

(4)通过基座13上的连接端131能够方便地将本发明的装置安装在机床的四方刀架上，这样就能在不改动机床本身的基础上得到更好的加工效果，且装卡、拆卸方便。

(5)在B振动激励源27与A振动激励源26之间安装一A圆柱22，能够实现B振动激励源27与A振动激励源26的激振频率达到一致。

(6)在刀套31的圆柱体317上套接直线滑动轴承34，使得在工件加工过程中，整个滑动组件3能够沿纵向中心线灵活滑动，便于测得准确的挤压力的数值。

(7)在变幅杆21的输出端21a采用夹紧件25夹紧刀具5，便于刀具5在磨损后调整方位重新使用，从而延长了刀具的使用时间，降低了工件的加工成本。

附图说明

图1是本发明超声椭圆振动挤压加工装置的结构图。

图1A是本发明超声椭圆振动挤压加工装置的另一视角结构图。

图1B是未装配基座、前盖板和后盖板的本发明基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置的结构图。

图1C是本发明振动组件的结构图。

图2是本发明壳体组件中前盖板的结构图。

图2A是本发明壳体组件中后盖板的结构图。

图2B是本发明壳体组件中基座的结构图。

图3是本发明振动组件的分解图。

图3A是本发明变幅杆的A-A视图。

图4是本发明滑动组件的分解图。

图4A是本发明刀套的另一视角结构图。

图5是本发明压力组件的分解图。

图5A是本发明B压盖的另一视角结构图。

图中：          1.壳体组件     11.前盖板     111.X通孔     112.A通孔

12.后盖板       121.A沉头孔    122.B沉头孔   123.C通孔     124.B通孔

13.基座         131.连接端     132.后端面    133.A螺纹孔   134.切口

135.前端面      2.振动组件     21.变幅杆     211.B螺纹孔   212.长槽

213.A凹槽       214.H通孔      215.B凹槽     216.圆孔      21a.输出端

22.A圆柱        221.E通孔      23.B圆柱      231.D通孔     24.长螺钉

241.螺纹端      25.夹紧件      251.B螺钉     252.螺母      26.A振动激励源

261.F通孔       27.B振动激励源               271.G通孔     3.滑动组件

31.刀套         311.C凹槽      312.C沉头孔   313.后端面    314.C螺纹孔

315.前端面      316.中心通孔   317.圆柱体    32.密封圈     33.A限位套

34.直线滑动轴承                35.B限位套    4.压力组件    41.压力传感器

411.B凹腔       412.I通孔      413.B凸台     42.弹簧       43.A压盖

431.Y通孔       432.D螺纹孔    433.环体      434.凸块      44.弹簧心轴

441.螺纹端      45.B压盖       451.A凹腔     452.A凸台     5.刀具

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B、图1C所示，本发明的一种基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置，其包括有壳体组件1、振动组件2、滑动组件3和压力组件4。

一、壳体组件

参见图1、图1A、图2、图2A、图2B所示，该壳体组件1包括有前盖板11、后盖板12和基座13。

前盖板11上设有X通孔111和A通孔112，且A通孔112设在前盖板11的中心位置，A通孔112用于变幅杆21的输出端21a穿过。X通孔111设在A通孔112的四周，X通孔111用于与基座13的前端面135上设有的螺纹孔配合，通过螺钉穿过该X通孔111后螺纹连接在前端面135上的螺纹孔内，从而实现前盖板11与基座13的前端面135的安装。

后盖板12上设有A沉头孔121、B沉头孔122、C通孔123和B通孔124，A沉头孔121设计在后盖板12的边缘，B沉头孔122设计在后盖板12的中间部位。A沉头孔121用于与基座13的后端面132上设有的A螺纹孔133配合，通过螺钉穿过该A沉头孔121后螺纹连接在A螺纹孔133内，从而实现后盖板12安装在基座13的后端面132上。B沉头孔122用于与压力传感器41上的I通孔412配合，然后通过螺钉实现将压力传感器41安装在后盖板12上。C通孔123用于B振动激励源27和A振动激励源26的电源线穿过。B通孔124用于压力传感器41的信号线和电源线穿过。

基座13的外部为八边形，基座13的内部为带有切口134的圆筒结构，基座13的外部设有连接端131，该连接端131安装在机床的四方刀架上，本发明的超声椭圆振动挤压加工装置通过连接端131实现与机床的连接。基座13的后端面132上均匀设有A螺纹孔133，该A螺纹孔133与A沉头孔121配合，然后通过螺钉实现将后盖板12安装在基座13上。切口134内卡合有A压盖43的凸块434(如图5所示)。

二、振动组件

参见图1、图1A、图1C、图3、图3A所示，该振动组件2包括有变幅杆21、A圆柱22、B圆柱23、长螺钉24、夹紧件25、A振动激励源26和B振动激励源27，振动组件2沿纵向中心线顺次布局为B圆柱23、A振动激励源26、A圆柱22、B振动激励源27和变幅杆21。

变幅杆21为阶梯形变幅杆，变幅杆21的输出端21a上设有圆孔216、长槽212、A凹槽213、B凹槽215和H通孔214。圆孔216、长槽212沿纵向中心线开设，A凹槽213、B凹槽215对称设在输出端21a的圆面上，A凹槽213与B凹槽215之间设有H通孔214，A凹槽213、B凹槽215与长槽212平行，H通孔214与长槽212垂直。圆孔216内放置有刀具5，对刀具5的夹紧采用B螺钉251穿过H通孔214后连接上螺母252实现。B螺钉251的端部置于B凹槽215内，螺母252置于A凹槽213内。

A圆柱22的中心设有E通孔221。

B圆柱23的中心设有D通孔231。

长螺钉24的螺纹端241顺次穿过D通孔231、F通孔261、E通孔221、G通孔271后连接在B螺纹孔211上。本发明采用长螺钉24将振动组件2组合成一个整体，其装配方式简单。

夹紧件25包括有B螺钉251和螺母252，B螺钉251与螺母252的配合使得长槽212的缝隙减小，从而达到夹紧刀具5的目的。本发明采用夹紧件25安装刀具5，在更换和调节刀具5时更加方便。

A振动激励源26的中心有F通孔261。

B振动激励源27的中心有G通孔271。

在本发明中，B振动激励源27选用型号PZT-8压电陶瓷圆环片，A振动激励源26选用型号PZT-8压电陶瓷半圆环片，其外径都为45mm，内径15mm，厚度5mm。该B振动激励源27和A振动激励源26采用每两片铜片之间用环氧树脂粘接有压电陶瓷环片(两半圆环片组成一个压电陶瓷环片)。相互垂直的两路高频振动(一路为纵向振动，一路为弯曲振动，纵向振动由B振动激励源27提供驱动源，弯曲振动由A振动激励源26提供驱动源)使刀具5的刀尖处合成一个椭圆振动，工作频率范围为15kHz～25kHz。

本发明B振动激励源27和A振动激励源26能够分别提供给变幅杆21的功率为30W～100W。

三、滑动组件

参见图1、图1A、图1B、图4、图4A所示，该滑动组件3包括有刀套31、密封圈32、A限位套33、直线滑动轴承34和B限位套35。刀套31的外圆面上从安装有B限位套35、直线滑动轴承34和A限位套33，直线滑动轴承34置于A限位套33与B限位套35之间。

刀套31为中空圆柱结构，刀套31的中心设有中心通孔316，刀套31的圆柱体317上均匀设有多个C沉头孔312，刀套31的前端面315的内环上开有C凹槽311，刀套31的后端面313上均匀设有C螺纹孔314。

中心通孔316用于放置振动组件2，且通过螺钉穿过C沉头孔312顶紧在B圆柱23、变幅杆21上实现振动组件2与刀套31的安装。

C凹槽311内安装有密封圈32。在振动组件2置于中心通孔316内后，振动组件2的变幅杆21的输出端21a伸出中心通孔316后用密封圈32实现定位和密封装配。

C螺纹孔314与压力组件4中的A压盖43上的Y通孔431配合，通过螺钉实现A压盖43安装在刀套31的后端面313上。

四、压力组件

参见图1、图1A、图1B、图5、图5A所示，该压力组件4包括有压力传感器41、弹簧42、A压盖43、弹簧心轴44和B压盖45。

A压盖43的中心设有D螺纹孔432，该D螺纹孔432内安装有弹簧心轴44的螺纹端441；A压盖43上均匀设有四个Y通孔431，该Y通孔431与C螺纹孔314(设在刀套31的后端面313上)的配合，通过螺钉实现A压盖43安装在刀套31的后端面313上；A压盖43的环体433上设有凸块434，该凸块434卡合在基座13的切口134中，该凸块434能够实现A压盖43与基座13的定位，并且能够防止滑动组件3在旋转时的错位。

B压盖45的一端设有A凸台452，该A凸台452用于套接弹簧42的一端；B压盖45的另一端设有A凹腔451，该A凹腔451用于放置压力传感器41的B凸台413。

压力传感器41通过I通孔412与B沉头孔122(设在后盖板12上)的配合，通过螺栓实现压力传感器41安装在后盖板12上。压力传感器41的B凹腔411用于放置B压盖45，且压力传感器41的B凸台413与A凹腔451配合，B压盖45的A凸台452上套接弹簧42的一端，弹簧心轴44穿过弹簧42后螺纹连接在A压盖43上，弹簧42的另一端与A压盖43接触。

本发明的一种基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置，该装置能够适合在精密或超精密车床上安装，使用非常方便，只需要将该装置通过基座13的连接端131固定在车床的四方刀架上即可使用。工作过程是：首先将本发明装置在车床上进行对刀，调整到最终安装位置后再将该装置安装固定在车床的四方刀架上，下一步进行椭圆振动调整工作，即打开超声激励电源，根据挤压工艺的需要，调整激振频率和激励电压，使刀具处在最恰当的振动状态，即使刀具与工件在接触点处的速度大小相等，方向相同。另外，该超声激励电源的振动控制系统具有自动控制功能，可根据工艺要求预设置，实际工作过程中，用户只需细微调整即可；最后，根据工艺要求，设定工作参数，如挤压速度、挤压深度、进给量，即可开始进行精密或超精密表面光整加工。

本发明的一种基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置是一种由超声振动组件、滑动组件、压力组件和壳体组件装配而成的，需用双路超声电源激励的，适用于多种车床的加工工具。该装置能在确保较好加工质量的前提下，大幅提高刀具寿命，降低加工成本，且工作稳定可靠，装卡拆卸极为方便，易于实现通用化。

Claims (4)

1.一种基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置，其特征在于：该超声椭圆振动挤压加工装置包括有壳体组件(1)、振动组件(2)、滑动组件(3)和压力组件(4)；

该壳体组件(1)包括有前盖板(11)、后盖板(12)和基座(13)；

该振动组件(2)包括有变幅杆(21)、A圆柱(22)、B圆柱(23)、长螺钉(24)、夹紧件(25)、A振动激励源(26)和B振动激励源(27)，振动组件(2)沿纵向中心线顺次布局为B圆柱(23)、A振动激励源(26)、A圆柱(22)、B振动激励源(27)和变幅杆(21)；A振动激励源(26)的中心有F通孔(261)；B振动激励源(27)的中心有G通孔(271)；

该滑动组件(3)包括有刀套(31)、密封圈(32)、A限位套(33)、直线滑动轴承(34)和B限位套(35)；刀套(31)的外圆面上从安装有B限位套(35)、直线滑动轴承(34)和A限位套(33)，直线滑动轴承(34)置于A限位套(33)与B限位套(35)之间；

该压力组件(4)包括有压力传感器(41)、弹簧(42)、A压盖(43)、弹簧心轴(44)和B压盖(45)；

该前盖板(11)上设有X通孔(111)和A通孔(112)，且A通孔(112)设在前盖板(11)的中心位置，A通孔(112)用于变幅杆(21)的输出端(21a)穿过；X通孔(111)设在A通孔(112)的四周，X通孔(111)用于与基座(13)的前端面(135)上设有的螺纹孔配合实现前盖板(11)与基座(13)的前端面(135)的安装；

该后盖板(12)上设有A沉头孔(121)、B沉头孔(122)、C通孔(123)和B通孔(124)，A沉头孔(121)设计在后盖板(12)的边缘，B沉头孔(122)设计在后盖板(12)的中间部位；A沉头孔(121)用于与基座(13)的后端面(132)上设有的A螺纹孔(133)配合实现后盖板(12)安装在基座(13)的后端面(132)上；B沉头孔(122)用于与压力传感器(41)上的I通孔(412)配合，然后通过螺钉实现将压力传感器(41)安装在后盖板(12)上；C通孔(123)用于B振动激励源(27)和A振动激励源(26)的电源线穿过；B通孔(124)用于压力传感器(41)的信号线和电源线穿过；

该基座(13)的外部为八边形，基座(13)的内部为带有切口(134)的圆筒结构，基座(13)的外部设有连接端(131)，该连接端(131)安装在机床的四方刀架上，所述的超声椭圆振动挤压加工装置通过连接端(131)实现与机床的连接；基座(13)的后端面(132)上均匀设有A螺纹孔(133)，该A螺纹孔(133)与A沉头孔(121)配合，然后通过螺钉实现将后盖板(12)安装在基座(13)上；切口(134)内卡合有A压盖(43)的凸块(434)； 

该变幅杆(21)为阶梯形变幅杆，变幅杆(21)的输出端(21a)上设有圆孔(216)、长槽(212)、A凹槽(213)、B凹槽(215)和H通孔(214)；圆孔(216)、长槽(212)沿纵向中心线开设，A凹槽(213)、B凹槽(215)对称设在输出端(21a)的圆面上，A凹槽(213)与B凹槽(215)之间设有H通孔(214)，A凹槽(213)、B凹槽(215)与长槽(212)平行，H通孔(214)与长槽(212)垂直；圆孔(216)内放置有刀具(5)，对刀具(5)的夹紧采用B螺钉(251)穿过H通孔(214)后连接上螺母(252)实现；B螺钉(251)的端部置于B凹槽(215)内，螺母(252)置于A凹槽(213)内；

该A圆柱(22)的中心设有E通孔(221)；

该B圆柱(23)的中心设有D通孔(231)；

该长螺钉(24)的螺纹端(241)顺次穿过D通孔(231)、F通孔(26)1、E通孔(221)、G通孔(271)后连接在变幅杆(21)的B螺纹孔(211)上；

该夹紧件(25)包括有B螺钉(251)和螺母(252)，B螺钉(251)与螺母(252)的配合使得长槽(212)的缝隙减小，从而达到夹紧刀具(5)的目的；

该刀套(31)为中空圆柱结构，刀套(31)的中心设有中心通孔(316)，刀套(31)的圆柱体(317)上均匀设有多个C沉头孔(312)，刀套(31)的前端面(315)的内环上开有C凹槽(311)，刀套(31)的后端面(313)上均匀设有C螺纹孔(314)；

该中心通孔(316)用于放置振动组件(2)，且通过螺钉穿过C沉头孔(312)顶紧在B圆柱(23)、变幅杆(21)上实现振动组件(2)与刀套(31)的安装；

该C凹槽(311)内安装有密封圈(32)；在振动组件(2)置于中心通孔(316)内后，振动组件(2)的变幅杆(21)的输出端(21a)伸出中心通孔(316)后用密封圈(32)实现定位和密封装配；

该C螺纹孔(314)与压力组件(4)中的A压盖(43)上的Y通孔(431)配合，通过螺钉实现A压盖(43)安装在刀套(31)的后端面(313)上；

该A压盖(43)的中心设有D螺纹孔(432)，该D螺纹孔(432)内安装有弹簧心轴(44)的螺纹端(441)；A压盖(43)上均匀设有四个Y通孔(431)，该Y通孔(431)与C螺纹孔(314)的配合实现A压盖(43)安装在刀套(31)的后端面(313)上；A压盖(43)的环体(433)上设有凸块(434)，该凸块(434)卡合在基座(13)的切口(134)中，该凸块(434)能够实现A压盖(43)与基座(13)的定位； 

该B压盖(45)的一端设有A凸台(452)，该A凸台(452)用于套接弹簧(42)的一端；B压盖(45)的另一端设有A凹腔(451)，该A凹腔(451)用于放置压力传感器(41)的B凸台(413)；

该压力传感器(41)通过I通孔(412)与B沉头孔(122)的配合实现压力传感器(41)安装在后盖板(12)上；压力传感器(41)的B凹腔(411)用于放置B压盖(45)，且压力传感器(41)的B凸台(413)与A凹腔(451)配合，B压盖(45)的A凸台(452)上套接弹簧(42)的一端，弹簧心轴(44)穿过弹簧(42)后螺纹连接在A压盖(43)上，弹簧(42)的另一端与A压盖(43)接触。

2.根据权利要求1所述的基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置，其特征在于：A振动激励源(26)和B振动激励源(27)产生相互垂直的两路高频振动使刀具(5)的刀尖处合成一个椭圆振动，工作频率范围为15kHz～25kHz。

3.根据权利要求1所述的基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置，其特征在于：B振动激励源(27)和A振动激励源(26)能够分别提供给变幅杆(21)的功率为30W～100W。

4.根据权利要求1所述的基于双激励纵弯椭圆换能器的超声椭圆振动挤压加工装置，其特征在于：B振动激励源(27)选用型号PZT-8压电陶瓷圆环片，A振动激励源(26)选用型号PZT-8压电陶瓷半圆环片，其外径都为45mm，内径15mm，厚度5mm。 

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