CN103447557A - 单激励超声椭圆振动车削装置 - Google Patents

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本发明公开了一种单激励超声椭圆振动车削装置，包括壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和设置在椭圆振动模态转换器前端的刀具。所述的壳体单元包括上盖板、支撑板、外套筒和下盖板；所述的超声振动换能器包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，为斜楔形结构，该椭圆振动模态转换器可以将超声振动换能器产生的纵向超声振动转换为椭圆振动模态转换器末端和刀具的纵弯复合超声椭圆振动。

Description

单激励超声椭圆振动车削装置
技术领域
本发明涉及利用压电陶瓷逆压电效应的超声振动领域，尤其是涉及单激励超声椭圆振动车削装置。
背景技术
超声椭圆振动在超声振动切削、超声焊接、超声研磨、超声抛光、直线超声电机和旋转超声电机等领域具有较广泛的应用。目前研究人员大多采用纵向振动、扭转振动、弯曲振动和径向振动中的两种振动形式进行复合来产生超声椭圆振动，需要采用两组或两组以上的压电陶瓷片来激发产生具有一定相位差的两个或多个振动模态，还必须为每组压电陶瓷片配备一路超声驱动电源信号，且需要控制各路超声驱动电源信号之间的相位差，超声振动系统和控制系统结构复杂，制造难度大、控制难度高、生产成本高、不易实现微型化、工作性能不够稳定，这些问题制约了超声椭圆振动换能器在工业生产中的应用与推广。
为了克服上述超声椭圆振动换能器技术中的不足，《北京航空航天大学学报》2005年2月第31卷第2期上论文“基于有限元分析的椭圆振动切削换能器”，提出了一种单一电信号激励的结构不对称的超声椭圆振动切削换能器，并对该换能器进行了有限元动力学分析和实验研究，取得了较好的实验效果，但是要进一步提高纵向振动到弯曲振动的转换，提高椭圆振动轨迹短轴与长轴的比值，提高切削效果，仅依靠在变幅杆前端一侧添加质量块和刀具的方式是不够理想的，并且从变幅杆到附加质量块以及从附加质量块到刀具需要两次物理联接，导致从压电换能器到刀具的超声振动能量损失较大，影响了超声椭圆振动切削效果。
发明内容
本发明提供了一种新型的单激励超声椭圆振动车削装置，目的是为了克服现有单激励超声椭圆振动切削装置中存在的不足、降低超声椭圆振动车削装置的生产成本和提高超声椭圆振动车削装置的工作稳定性。
单激励超声椭圆振动车削装置，包括壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和设置在椭圆振动模态转换器前端的刀具；所述的壳体单元包括上盖板、支撑板、外套筒和下盖板，支撑板通过焊接或者螺钉联接设置在外套筒上，用于和车床刀架联接；所述的超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有与壳体单元联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧，构成了超声振动换能器的能量转换部分，可将超声电源输出的超声电信号转换为超声振动换能器的纵向超声振动。
所述的椭圆振动模态转换器与前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端，或者利用一个附加的联接螺柱将椭圆振动模态转换器联接设置在前盖板的前端。椭圆振动模态转换器整体为斜楔形结构，斜楔形结构椭圆振动模态转换器原整体为长方体，沿超声振动换能器轴线方向其一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构，形成斜楔形的两个侧面中，未被切割的一侧面平行于超声振动换能器轴线，被切割过的另一侧面与超声振动换能器轴线成3-30度夹角。
使椭圆振动模态转换器形成斜楔形结构的目的是为了改变超声振动换能器和椭圆振动模态转换器结合体的振动模态，使其纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等；由于斜楔形结构椭圆振动模态转换器的存在，超声振动换能器产生的纵向超声振动在传递到斜楔形结构椭圆振动模态转换器后，在斜楔形结构椭圆振动模态转换器的末端分解为一部分纵向振动分量和一部分弯曲振动分量，且两振动分量具有一定的相位差，进而在斜楔形结构椭圆振动模态转换器的末端复合形成椭圆轨迹振动。
刀具通过焊接、联接螺钉或压板机构联接设置在椭圆振动模态转换器的前端；当超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动刀具和椭圆振动模态转换器末端一起做超声椭圆振动。
超声振动换能器置于壳体单元内，超声振动换能器的法兰盘设置于外套筒的上凹止口内，上盖板设置在法兰盘的另一侧，对整个超声振动换能器起固定作用，下盖板设置在外套筒的下侧，防止灰尘、铁屑等杂物进入到壳体单元内，影响超声振动换能器工作性能；相比现有文献介绍的单激励超声椭圆振动切削系统，该单激励超声椭圆振动切削装置具有功率容量大、能量转换效率高、结构简单，制造容易、成本低、结构刚度大、控制驱动系统简单和振动切削性能稳定稳定等优点。
更进一步，所述的超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片。
更进一步，所述的超声振动换能器只需要一路超声电信号激励。
更进一步，所述的超声振动换能器的工作频率范围为18kHz-40kHz。
本发明采用了机械振动模态转换机理把超声振动换能器的纵向振动转换为椭圆振动模态转换器末端和刀具的纵弯复合超声椭圆振动，简化了单激励超声椭圆振动切削系统的整体结构，大大降低了振动系统的复杂程度，降低了制造、装配难度和生产成本；另外该发明仅需要一路控制电路及超声电源进行激励，控制难度低，避免了两相或多相超声振动复合形成椭圆振动换能器的复杂超声电源开发费用，简化了控制电路及超声电源结构，降低了控制电路及超声电源成本，易于实现控制电路及超声电源的集成化，提高了系统工作可靠性，工作性能稳定，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的应用实例示意图。
图中标号说明：1.螺栓，2.后盖板，3.压电陶瓷片，4.电极片，5.前盖板，6.法兰盘，7. 椭圆振动模态转换器，8.刀具，9.上盖板，10.支撑板，11.外套筒，12.下盖板，13.超声电源
具体实施方式
结合图1、2所示，单激励超声椭圆振动车削装置包括壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器7和设置在椭圆振动模态转换器7前端的刀具8；壳体单元包括上盖板9、支撑板10、外套筒11和下盖板12，支撑板10一端焊接在外套筒11外圆上，另一端固定在车床刀架上与机床联接；超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓1及依次套设在螺栓1上的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5，前盖板5上设置有与壳体单元联接用的法兰盘6，后盖板2和前盖板5通过螺栓1将后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5联接压紧，构成了超声振动换能器的能量转换部分，将超声电源13输出的超声电信号转换为超声振动换能器的纵向超声振动。超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片3，压电陶瓷换能器段直径30mm，压电陶瓷片3为PZT-8，尺寸为：Ф30×Ф15×5，压电陶瓷片3的片数为2。
椭圆振动模态转换器7和前盖板5制作成一个整体零件设置在前盖板5的前端，椭圆振动模态转换器7整体为斜楔形结构，斜楔形结构椭圆振动模态转换器7原整体为长方体，截面边长为15×15mm，长40mm，沿超声振动换能器轴线方向其一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构，形成斜楔形的两个侧面中，未被切割的一侧面平行于超声振动换能器轴线，被切割过的另一侧面与超声振动换能器轴线成10度夹角。刀具8通过联接螺钉联接设置在椭圆振动模态转换器7的前端。
超声振动换能器置于壳体单元内，超声振动换能器的法兰盘6设置于外套筒11的上凹止口内，上盖板9通过螺钉和外套筒11联接在一起，压紧在法兰盘6的另一侧，对整个超声振动换能器起固定作用，下盖板12通过螺钉联接在外套筒11的下侧。
超声振动换能器和椭圆振动模态转换器7联接后的固有频率为24.82KHz，阻抗为76欧姆，动态电阻为18欧姆，超声电源13输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为24.82±0.01KHz，且超声电源13在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。
运行时，超声振动换能器的电极片4与超声电源13相连，当超声振动换能器的电极片4接入超声电源13输出的电信号后，由于压电陶瓷片3的逆压电效应，压电陶瓷片3将会产生纵向超声振动，即超声振动换能器将超声电源13输出的电能转换为纵向超声振动，并驱动整个超声振动换能器系统进行纵向超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器7末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器7末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动刀具8和椭圆振动模态转换器7末端一起做超声椭圆振动。
当加载电压运行10分钟后，单激励超声椭圆振动车削装置达到稳定振动状态，此时超声电源13的稳定输出电压为240V，电流为1.45A，使用激光多普勒测振仪测得超声椭圆振动长短半轴振幅分别为10.3微米和4.2微米，并通过具有李沙育图形运算功能的双踪示波器对激光多普勒测振仪测得的信号进行图形运算，可以得到长短轴比为2.45的超声椭圆振动轨迹，完全满足超声椭圆振动精密车削要求。
本发明适合安装在精密或超精密车床上进行使用，首先通过支撑板10将该单激励超声椭圆振动车削装置安装在车床刀架上，进行正常对刀，调整其到最终安装位置。然后打开超声电源13，根据切削工艺的需要，调整工作频率，使刀具8处在最佳的超声椭圆振动状态，根据工艺要求，设定切削参数，如切削速度、切深、进给量，即可开始进行精密和超精密切削加工。另外，超声电源13具有自动频率跟踪功能，在实际切削工作过程中，如果由于切削阻力变化等原因，超声椭圆振动切削系统的固有频率发生了变化，超声电源13的输出频率会随之变化并保持和切削装置的固有频率一致，以便保证单激励超声椭圆振动切削装置始终处于最佳工作状态。

Claims (8)

1.单激励超声椭圆振动车削装置，该振动车削装置包括壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和设置在椭圆振动模态转换器前端的刀具；所述的壳体单元包括上盖板、支撑板、外套筒和下盖板，支撑板设置在外套筒上，用于和车床刀架联接；所述的超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有与壳体单元联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，为斜楔形结构，斜楔形结构椭圆振动模态转换器原整体为长方体，沿超声振动换能器轴线方向其一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构，形成斜楔形的两个侧面中，未被切割的一侧面平行于超声振动换能器轴线，被切割过的另一侧面与超声振动换能器轴线成3-30度夹角。
2.根据权利要求1所述的单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端。
3.根据权利要求1所述的单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：还包括一个联接螺柱，用于将椭圆振动模态转换器联接在前盖板的前端。
4.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：所述的刀具通过焊接设置在椭圆振动模态转换器的前端。
5.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：还包括一个联接螺钉，用于将刀具联接在椭圆振动模态转换器的前端。
6.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：还包括压板机构，所述的刀具通过压板机构联接在椭圆振动模态转换器的前端。
7.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：支撑板通过焊接设置在外套筒上。
8.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：支撑板通过螺钉联接设置在外套筒上。
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