CN1021027C

CN1021027C - 一种超声波振动车削装置

Info

Publication number: CN1021027C
Application number: CN 89107833
Authority: CN
Inventors: 王立江; 赵继; 李华
Original assignee: Jilin University of Technology
Current assignee: Jilin University of Technology
Priority date: 1989-10-10
Filing date: 1989-10-10
Publication date: 1993-06-02
Anticipated expiration: 2004-10-10
Also published as: CN1050837A

Abstract

本发明是将传统的等截面弯曲振动刀杆改进成阶梯对称式弯曲振动刀杆，其细段与粗段高度比等于1/2或小于1/2，宽度比等于1/2或小于1/2，截面积之比小于或等于1/4，并在粗、细段截面突变处附近侧面夹紧。该阶梯弯曲振动刀杆具有二级变幅的功能，从而使振动系统的制造、调谐、使用及刀具重磨等均很方便。

Description

本发明是一种车削加工中使用的超声波振动车削装置。

目前已知的超声波振动切削装置它包括超声波发生器、超声波换能器以及装在该换能器外侧的冷却水套和与超声波换能器纵向连接的纵振动变幅杆，通过锥面与纵振动变幅杆连接的变曲振动刀杆，以及在该刀杆振幅节点处夹紧弯曲振动刀杆的刀杆夹具等组成（见日本隈部淳一郎著（精密加工振动切削）机械工业出版社1985年6月出版P157、P177、P198、P214）。

现已知的超声波振动切削装置中，纵向振动变幅杆在弯曲振动刀杆的中部或尾部连接，纵向振动变幅杆在弯曲振动刀杆的中部连接的采用等截面的弯曲振动刀杆，纵向振动变幅杆在弯曲振动刀杆的尾部连接的，连接部分与刀尖都位于弯曲振动刀杆的中性层。使得变幅功能集中由纵向振动变幅杆来实现，弯曲振动杆被纵向振动变幅杆所驱动产生弯曲振动，弯曲振动杆自身不能起到变幅的作用，由超声波发生高频电讯号经换能器转化为高频机械振动，再由纵振动变幅杆将振动的振幅放大并施加在弯曲振动刀杆上，弯曲振动刀杆以横波的形式谐振。即只依靠纵振动变幅杆的一级变幅作用，力求在刀尖处获得较大的振幅。但是，这种振动系统无法解决如下予盾：1）高振幅的获得与系统结构小巧性的矛盾。为了便于实际应用，总是希望声学头（由换能器和纵振动变幅杆组成）体积越小越好，但通常获得大振幅的办法是采用多级复合式纵振动变幅杆级联，从而导致结构庞大。2）纵振动变幅杆的工作稳定性与变幅比的矛盾。如锥形纵振动变幅杆虽然有较好的工作稳定性和加工工艺性，但在超声振动切削系统研制中，常因变幅比小而不采用。3）弯曲振动刀杆的高振幅振动与刀杆夹固的矛盾。弯曲振动刀杆由于切削时承受切削力，必须在节点附近夹固，刀杆振动振幅越大，夹固越困难。

本发明的目的就是为了解决现有超声振动切削装置所存在的以上问题，提供一种超声波振动切削装置，可使刀具产生高振幅。并易谐振，整个装置体积小。

本发明所述的超声振动车削装置是由超声波发生器，超声波换能器（2）以及安装在该换能器（2）外侧的冷却水套（1），和与超声波换能器（2）纵向连接的纵振动变幅杆（3），纵振动变幅杆（3）锥面与之中部相连接的弯曲振动刀杆（4），以及夹紧弯曲振动杆（4）的刀杆夹具（5）所组成，弯曲振动刀杆（4）在与纵振动变幅杆（3）结合处的截面积与弯曲振动刀杆靠近刀夹部分的截面积相等或等高，其特征在于弯曲振动刀杆（4）是两端细、中间粗，其细段和粗段的高度比h₁/h₂等于1/2或小于1/2，宽度比b₁/b₂等于1/2或小于1/2的对称式阶梯形杆，其细段与粗段截面积之比小于或等于1/4，并在两个截面突变（8）、（9）处附近侧面夹紧。

这种结构的刀杆具有变换弯曲振动振幅（即二级变幅）的功能以及使激振点（即纵振动变幅杆与弯曲振动刀杆的连接点）位置准确的特点，一支刀杆相当于两把刀具。

根据理论和实验研究发现：按一定条件设计的阶梯式弯曲振动刀杆，当其谐振时，细段与粗段具有不同的振动位移分布规律，经理论推导，细段端面（即刀尖处）振动振幅与粗段波腹点（激振点处）振幅之比R为：

R＝1.41[β₁β₂T₁₁λ₁₁（T₁₂λ₁₂-

I₁T₂₁λ₂₁/I₂·（1+COSλ₁₂L₂）+

T₂₂λ₂₂COSλ₁₂L₂）+β₁β₂

（I₁T₁₁λ₁₁/I₂+T₂₂λ₂₂）.

T₂₁λ₂₁COSλ₁₂L₂COSλ₁₁L₁-

β₁α₂T₁₁λ₂₁T₂₁（I₁P₁₁/T₁₂+

I₂P₂₂/T₁₂）Sinλ₁₂L₂Sinλ₁₁L₁+

β₁β₂T₂₁λ₂₁（T₁₂λ₁₂+T₁₁λ₁₁I₁/I₂）

COSλ₁₁L₁]

式中各符号意义如下：

T₁₁＝ (ρω2)/(K＇Gλ11) ＋λ₁₁；

T₂₁＝λ₂₁－ (ρω²)/(K＇Gλ₂₁) ；

P₁₁＝Eλ² ₁₁-ρω²;

P₂₁＝Eλ² ₂₁+ρω²;

α₁＝1/EI₁（λ² ₁₁+λ² ₂₁）;

β₁＝1/（T₁₁λ₁₁+T₂₁λ₂₁）;

E、ρ、G为弯曲振动刀杆材料特性参数;K′为截面剪应力分布不均匀系数，I₁为截面转动惯量;S₁为截面积;

λ₁₁＝[a/2+（a²/4+b₁）^1/2]^1/2;

λ₂₁＝[-a/2+（a²/4+b₁）^1/2]^1/2;

a＝（1+E/K′G）ω²/C²;

b₁=ω²S₁/C²I₁·(1- (ω²)/(C²) · (I₁)/(S₁) · (E)/(K＇G) ）；

C＝（E/ρ）^1/2;

ω＝2πf（f为振动频率）;

i＝1、2。

当阶梯式弯曲振动刀杆的细段长度L₂＝9mm，粗段长度、宽度、高度分别是L₁＝100mm、b₁＝20mm、h₁＝15mm时，用公式（1）算出的二级变幅比R随细段与粗段的高度比h₂/h₁、宽度比b₂/b₁变化的理论曲面见图5。相同条件下由实验得到的R的实际曲面见图6，图中每一个网格交点均为一个实验点。由图可见，理论计算曲面与实验曲面基本上是相吻合的。

对于超声振动车削装置中常用的弯曲振动刀杆尺寸系列，弯曲振动二级变幅比R一般可达2-4。采用该技术方案后，较好地解决了前述问题：即：1）采用非复合式一般纵振动变幅杆即可在刀尖处获得较大的振幅。2）使得振动系统可以采用一些工作性能稳定、受负载波动影响小的纵振动变幅杆（如锥形变幅杆），而进一步增大变幅比的任务由弯曲振动刀杆承担。3）虽然刀尖处振幅较大，但粗段振动并不强烈，因而有利于刀杆夹固。4）由于采用对称式双刀头结构，不但支承跨距大、刚度好，而且由于一端磨损后可用另一端，然后两端同时重磨，因而使重磨后激振点的位置仍然比较准确地位于弯曲振动刀杆中部的波腹点处。

本发明所述的超声振动车削装置与现有技术相比，具有刀具安装方便、谐振调整容易、工作稳定等优点，无论是新刀还是重磨后的刀具，安装后只要稍加调整电发生器频率旋扭即可谐振，刀杆夹固可靠，各连联点及夹固点发热少，接近室温，刀杆夹具精度要求比较低，制造工艺简单。

附图1 是本发明所述的超声振动切削装置结构图;

图2 是图1的侧视图;

图3 是弯曲振动刀杆的结构图;

图4 是图3的侧视图;

图5 是用公式（1）算出的二级变幅比R随截面尺寸变化的理论曲面图;

图6是由实验验证得到的二级变幅比R随截面尺寸变化的实际曲面图;

图1、2、3中，（1）为冷却水套，（2）为超声换能器，（3）为纵振动变幅杆，（4）为弯曲振动刀杆，（5）为刀杆夹具，（6）为硬质合金刀片，（7）为刀杆细段，（8）、（9）为截面突变处。

图5、6中，b₂/b₁为阶梯式弯曲振动刀杆细段和粗段的宽度比，h₂/h₁是细段和粗段的高度比，R为二级变幅比。

附图1、2是本发明所述的超声振动切削装置的实施例，弯曲振动刀杆（4）做成对称阶梯形，两端细、中间粗，即（4）段粗、（7）段细，其高度之比等于或小于1/2，宽度之比等于或小于1/2，细段与粗段截面积之比约为1/4，在粗段中部设有锥孔与纵振动变幅杆（3）连接，在纵振动变幅杆输出端振幅小于8μm时，在刀尖处可以获得15μm以上的振幅。用刀杆夹具在弯曲振动刀杆的侧面夹紧。

Claims

1、一种超声波振动车削装置，由超声波发生器，超声波换能器(2)以及安装在该换能器(2)外侧的冷却水套(1)，和与超声波换能器(2)纵向连接的纵振动变幅杆(3)，纵振动变幅杆(3)锥面与之中部相连接的弯曲振动刀杆(4)，以及夹紧弯曲振动杆(4)的刀杆夹具(5)所组成，弯曲振动刀杆(4)在与纵振动变幅杆(3)结合处的截面积与弯曲振动刀杆靠近刀夹部分的截面积相等或等高，其特征在于弯曲振动刀杆(4)是两端细、中间粗，其细段和粗段的高度比h₁/h₂等于1/2或小于1/2，宽度比b₁/b₂等于1/2或小于1/2的对称式阶梯形杆，其细段与粗段截面积之比小于或等于1/4，并在两个截面突变(8)、(9)处附近侧面夹紧。