CN104439892B - 一种单激励超声椭圆振动挤压加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单激励超声椭圆振动挤压加工装置，包括支撑板、外套、直线轴承、预压力装置、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挤压头。所述的支撑板设置在外套上，所述的壳体单元包括前挡板、内套筒和后挡板；所述的直线轴承支撑在壳体单元和外套之间，所述的预压力装置设置在外套内壳体单元的后端；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，为直梁和斜梁的复合结构，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挤压头的纵弯复合超声椭圆振动。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于普通车床、普通铣床、普通镗床、及其相应数控机床、加工中心等设备，对零件内、外表面进行强化光整的超声振动挤压加工装置，尤其是涉及只需要一路超声电源提供电能信号的单激励超声椭圆振动挤压加工装置。
背景技术
挤压加工是一项常用的表面强化及光整的工艺方法，其大多用于回转零件的内外表面加工，常作为最后一道机械加工工序应用于零件表面强化、应力状态及表面质量有较高要求的场合。普通挤压工艺挤压力大，摩擦严重，挤压表面质量低，超声单向挤压工艺具有单纯冲击作用，在每个振动周期内都会是挤压头受到一次冲击，这种动作过程能够减小摩擦，但是冲击磨损会严重降低挤压头寿命。
为了克服普通挤压工艺方法和单向超声振动挤压工艺方法的不足，公开号为CN101942547B的发明专利文献公开了一种超声椭圆振动挤压加工装置及用其进行零件表面光整的振动挤压加工方法，该装置采用一个变幅杆、四个结构相同的激励源和一个挤压工具，挤压工具安装在变幅杆的输出段上，四个激励源分别安装在变幅杆的激励段的四个凹槽内。其通过两路超声电信号对四个激励源分为两组施加具有一定相位差的激励，实现变幅杆激励段的双弯曲超声椭圆振动，进而实现挤压头的超声椭圆振动，该装置和方法能够有效有效降低挤压力，提高工件表面粗糙度，延长挤压头的使用寿命。但是该装置需要采用两组压电陶瓷片来激发产生具有一定相位差的两个振动模态，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。
发明内容
本发明提供了一种新型的单激励超声椭圆振动挤压加工装置，目的是为了克服现有超声椭圆振动挤压加工装置中存在的不足、提高挤压加工效率、降低超声椭圆振动挤压加工装置的复杂程度和减小超声椭圆振动挤压加工装置的生产成本。
一种单激励超声椭圆振动挤压加工装置，包括支撑板、外套、直线轴承、预压力装置、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挤压头；所述的壳体单元包括前挡板、内套筒和后挡板，所述的支撑板通过焊接或者螺钉联接设置在外套上，用于和机床刀架联接；所述的直线轴承为滑动直线轴承或滚动直线轴承，所述的直线轴承支撑在壳体单元和外套之间；所述的预压力装置设置在外套内壳体单元的后端，用于提供挤压头和工件之间的预压力。
所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，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和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端，或者将椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板的前端。椭圆振动模态转换器包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形，直梁的中心轴线和超声振动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声振动换能器的前盖板联接，另一端悬伸；斜梁的一端和超声振动换能器的前盖板偏离中心轴线的一侧联接，另一端和直梁的中间部位联接，斜梁的中心轴线和直梁的中心轴线成0-90度夹角，直梁和斜梁与超声振动换能器前盖板的联接处均为圆弧过渡联接，斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线所形成的平面与待加工平面的法线在同一个平面内。
椭圆振动模态转换器设置在超声振动换能器前端后构成的组合件称为单激励超声椭圆振动换能器，椭圆振动模态转换器为直梁和斜梁复合结构的目的是为了改变单激励超声椭圆振动换能器的振动模态，使其纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等；由于斜梁结构的存在，超声振动换能器产生的纵向超声振动在传递到斜梁后，在斜梁根部分解为一部分纵向振动分量和一部分弯曲振动分量，当斜梁分解的纵向振动分量和弯曲振动分量传递到直梁后，和直梁上传播的纵向振动相复合，最终在直梁末端形成具有一定相位差的纵向振动分量和弯曲振动分量复合的超声椭圆振动。
挤压头通过焊接或联接螺钉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；并驱动挤压头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内套筒的上凹止口内，前挡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，后挡板设置在内套筒的下侧，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超声椭圆振动挤压系统，该单激励超声椭圆振动挤压加工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挤压性能稳定稳定等优点。另外该发明变普通单向超声挤压加工的单点冲击挤压为超声椭圆振动轨迹挤压加工，在单位时间内，超声椭圆振动大幅度提高了挤压头的运动路径，并大幅度加宽了单次挤压加工的面积，因此可大幅度提高挤压加工效率和挤压加工工件表面质量。
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分解为直梁的纵向振动、斜梁的纵向振动和弯曲振动分量，最终在直梁末端合成为纵弯复合超声椭圆振动，简化了单激励超声椭圆振动挤压系统的整体结构，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是本发明结构示意图的前视图。
图2是本发明结构示意图的俯视图。
图3是本发明中单激励超声椭圆振动换能器的前视图。
图4是本发明中单激励超声椭圆振动换能器的俯视图。
图5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.挤压头，9.前挡板，10.内套筒，11.后挡板，12.直线轴承，13.外套，14.预压力装置，15.支撑板，16.超声电源，17.工件。
具体实施方式
结合图1、2、3、4所示，一种单激励超声椭圆振动挤压加工装置包括支撑板15、外套13、直线轴承12、预压力装置14、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前端的挤压头8；壳体单元包括前挡板9、内套筒10和后挡板11，支撑板15一端焊接在外套13外圆上，另一端固定在机床刀架上与机床联接；超声振动换能器整体呈圆柱体，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16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。
滚动直线轴承12支撑在壳体单元和外套13之间；弹簧预压力装置14设置在外套13内壳体单元的后端，挤压头8和工件17之间的预压力为250N。
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包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形，直梁的中心轴线和超声振动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声振动换能器的前盖板5联接，另一端悬伸，截面边长为12×12mm，长72mm；斜梁的一端和超声振动换能器的前盖板5偏离中心轴线的一侧联接，斜梁中心轴线和前盖板5的联接处距离前盖板5的中心轴线距离为25mm，另一端和直梁的中间部位联接，截面边长为12×12mm。斜梁的中心轴线和直梁的中心轴线成30夹角，直梁和斜梁与超声振动换能器前盖板5的联接处均为圆弧过渡联接，过渡圆弧半径为5mm。挤压头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设置于内套筒10的上凹止口内，前挡板9通过螺钉和内套筒10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，后挡板11通过螺钉联接在内套筒10的右侧。
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19.84KHz，阻抗为83欧姆，动态电阻为19欧姆，超声电源16输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为19.84±0.01KHz，且超声电源16在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。
运行时，结合图5所示，超声振动换能器的电极片4与超声电源16相连，当超声振动换能器的电极片4接入超声电源16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16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；并驱动挤压头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挤压加工装置达到稳定振动状态，此时超声电源16的稳定输出电压为220V，电流为1.35A，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14.3微米和5.2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2.73的超声椭圆振动轨迹，完全满足超声椭圆振动挤压加工的要求。
本发明适用于普通车床、普通铣床、普通镗床、及其相应数控机床、加工中心等设备，首先通过支撑板15将该单激励超声椭圆振动挤压加工装置安装在机床刀架上，进行正常对刀，调整其到合适安装位置。然后打开超声电源16，根据挤压工艺的需要，调整工作频率，使挤压头8处在最佳的超声椭圆振动状态，根据工艺要求，设定挤压参数，如挤压速度、挤压压力、进给量，即可开始进行超声椭圆振动挤压加工。另外，超声电源16具有自动频率跟踪功能，在实际挤压工作过程中，如果由于挤压阻力变化等原因，超声椭圆振动挤压系统的固有频率发生了变化，超声电源16的输出频率会随之变化并保持和挤压装置的固有频率一致，以便保证单激励超声椭圆振动挤压加工装置始终处于最佳工作状态。
Claims (9)
1.一种单激励超声椭圆振动挤压加工装置，其特征在于：该椭圆振动挤压加工装置包括支撑板、外套、直线轴承、预压力装置、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挤压头；所述的壳体单元包括前挡板、内套筒和后挡板，所述的支撑板设置在外套上，用于和机床刀架联接；所述的直线轴承支撑在壳体单元和外套之间；所述的预压力装置设置在外套内壳体单元的后端，用于提供挤压头和工件之间的预压力；所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，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；所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，所述的椭圆振动模态转换器包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形，直梁的中心轴线和超声振动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声振动换能器的前盖板联接，另一端悬伸；斜梁的一端和超声振动换能器的前盖板偏离中心轴线的一侧联接，另一端和直梁的中间部位联接，斜梁的中心轴线和直梁的中心轴线成0-90度夹角，直梁和斜梁与超声振动换能器前盖板的联接处均为圆弧过渡联接, 过渡圆弧半径为5mm；所述的超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片，所述的超声振动换能器只需要一路超声电信号激励，所述的超声椭圆振动长短半轴振幅分别为14.3微米和5.2微米。
2.根据权利要求1所述的单激励超声椭圆振动挤压加工装置，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挤压加工装置，其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板前端。
4.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动挤压加工装置，其特征在于：所述的挤压头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挤压加工装置，其特征在于：还包括一个联接螺钉，用于将挤压头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挤压加工装置，其特征在于：支撑板通过焊接设置在外套上。
7.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动挤压加工装置，其特征在于：支撑板通过螺钉联接设置在外套上。
8.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动挤压加工装置，其特征在于：所述的直线轴承为滑动直线轴承。
9.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动挤压加工装置，其特征在于：所述的直线轴承为滚动直线轴承。
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