CN105014118B - 用于超声振动辅助加工的振动台装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于超声振动辅助加工的振动台装置，包括振动台台身、压电陶瓷振子和振动隔膜，所述振动隔膜封装在振动台台身的顶部，所述振动台台身的内部为空腔结构，所述压电陶瓷振子轴向设置于所述空腔结构内部，并与振动隔膜相接触。本发明具有使用方便简单、模块化、微型化的优点，振幅和频率可以根据实际需要选用压电陶瓷调整；各个过渡连接板的设置，不仅有保护作用，而且使得安装拆卸非常简便；相比于现有的采用主轴振动的方式，具有简单、成本低、机床本身不受影响的特点。

Description

用于超声振动辅助加工的振动台装置

技术领域

本发明涉及数控加工制造技术领域，具体地，涉及一种微细制造的用于超声振动辅助加工的振动台装置。

背景技术

振动加工是指在刀具或工件上施以一定频率的小幅振动的加工方法。振动加工包括超高频超声振动加工和低频振动加工。随着产品质量要求的不断提高，待加工材料的多样化，以及一些加工特征的小型化、精密化，振动辅助加工，尤其是超声振动辅助加工已经应用的越来越多。相对于传统加工，在铣削方面，振动辅助加工能够降低切削力，提高铣削表面的加工质量；在钻孔加工方面，超声振动辅助加工能够有效改善刀具入钻时的滑移现象，特别是在曲面和斜面上钻孔的工况下，有助于提高钻孔定位精度，同时降低钻削过程中的切削力，提高孔的加工质量和加工精度，延长刀具寿命。另一方面，应用微型数控机床于小型零件微细特征的精密加工已经成为一种趋势。相对于传统加工机床，微型数控机床体积小，耗能低，但也存在着其本身加工空间小，难以放置大体积的辅助设备等缺点，而且考虑到微细机床的整体刚性要求，不宜对其本体结构做过于复杂的改变。

目前，在应用超声振动加工方面，国内外大多数技术方案采用刀具或主轴的振动方式，利用超声变幅杆获得所需振动。但对于立式微型数控设备，改变主轴部分变得非常困难，成本高，而且变幅杆一般体积较大，难以安装。台湾云林大学曾开发出一个带滑轨的振动台，但其尺寸太大，不适于小空间反复安装。江苏大学发明的振动台，由于振子通过弹簧与工作面相连，刚性不足，只能用于低频振动加工。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种用于超声振动辅助加工的振动台装置，不同于现有技术中将振动部置于刀具或主轴上的做法，避免了改装刀具或主轴的复杂性和高成本的问题，也避免了由此而导致的对机床加工精度的影响。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种用于超声振动辅助加工的振动台装置，包括振动台台身、压电陶瓷振子和振动隔膜，所述振动隔膜封装在振动台台身的顶部，所述振动台台身的内部为空腔结构，所述压电陶瓷振子轴向设置于所述空腔结构内部，并与振动隔膜相接触。

优选地，还包括测力仪上底板，所述测力仪上底板作为待加工件的安装面安装在振动隔膜上。

优选地，还包括测力仪下底板、测力仪上底板以及测力仪，所述测力仪下底板安装在振动隔膜上，所述测力仪设置于测力仪下底板上，所述测力仪上底板作为待加工件的安装面安装在测力仪上。

优选地，所述振动台台身为采用尼龙材质的且内部中空的圆柱形结构。

优选地，所述压电陶瓷振子连接有外部控制电源，利用压电陶瓷振子的逆压电效应，将电能转化为机械能，通过外部控制电源控制，使压电陶瓷振子工作在其谐振频率点，进而产生稳定的振动输出。

优选地，所述压电陶瓷振子采用压电陶瓷叠片组合的方式，并进行预压紧封装。

优选地，所述振动隔膜与压电陶瓷振子连接侧表面上加工有一道环形槽。

优选地，还包括振动台底板，所述振动台台身固定于所述振动台底板上。

优选地，所述振动台底板上设有安装孔。

本发明提供的用于超声振动辅助加工的振动台装置，解决了微细精密加工设备上的振动辅助加工工艺的应用问题或者小空间内的超声振动发生设备的安装问题，具有简易化、模块化的特点。本发明将振动施加于安装在本振动台上的工件上，用于提供纵向的振动，简单、易拆卸安装；应用本发明于微铣或微钻加工中，能够有效解决深孔、曲／斜面孔、微细薄筋的加工难题，同时能够实时监测切削过程，优化加工工艺。

与现有技术相比，本发明具有如下技术特点：

1、本发明将振动部分独立出来并且采用工件振动的形式，避免了对机床主轴的改装，降低了成本和复杂程度，保证了机床精度不受影响；紧凑的设计，减小了对加工空间的要求；独立的封装，使振动台便于拆卸、安装和转移；隔膜和底板的设计，使振动台适用于不同尺寸工件连接，也保证了振动的可靠性，进而有助于保证振动辅助工艺的加工效果；

2、本发明可用于铣削或钻削工艺中，能够有效降低切削力，提高已加工表面的表面质量，尤其在深孔加工或曲／斜面上的孔加工，能够有效改善刀具入钻特性，解决排屑困难，延长刀具寿命；可以根据尺寸改变压电陶瓷谐振点，以及控制电源的功率输入，获得不同频率和振幅工作台，所以低频和高频的工况下都适用，适应性强、可维护性好；

3、本发明解决了小设备上的振动辅助加工工艺的应用问题或者小空间内的超声振动发生设备的安装问题，在铣削或者钻削等立式加工工艺中使用，是一种简易有效的用于超声振动辅助加工的振动台装置。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明振动台装置的整体结构示意图；

图2为本发明振动台装置的剖面图；

图3为振动隔膜与压电陶瓷振子连接侧表面上的环形槽结构示意图；

图4为本发明振动台装置在机床上安装使用示意图；

图5为图4的振动台装置局部放大图；

图中：1为振动台底板，2为振动台台身，3为压电陶瓷振子，4为振动隔膜，5为测力仪下底板，6为测力仪，7为测力仪上底板，8为待加工件，9为控制电源，10为机床运动平台，11为机床刀具，12为环形槽，13为振动隔膜的工作区。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1至图5。

本实施例提供了一种用于超声振动辅助加工的振动台装置，包括振动台台身、压电陶瓷振子和振动隔膜，所述振动隔膜封装在振动台台身的顶部，所述振动台台身的内部为空腔结构，所述压电陶瓷振子轴向设置于所述空腔结构内部，并与振动隔膜相接触。

进一步地，还包括测力仪上底板，所述测力仪上底板作为待加工件的安装面安装在振动隔膜上。或

进一步地，还包括测力仪下底板、测力仪上底板以及测力仪，所述测力仪下底板安装在振动隔膜上，所述测力仪设置于测力仪下底板上，所述测力仪上底板作为待加工件的安装面安装在测力仪上。

进一步地，所述振动台台身为采用尼龙材质的且内部中空的圆柱形结构。

进一步地，所述压电陶瓷振子连接有外部控制电源，利用压电陶瓷振子的逆压电效应，将电能转化为机械能，通过外部控制电源控制，使压电陶瓷振子工作在其谐振频率点，进而产生稳定的振动输出。

进一步地，所述压电陶瓷振子采用压电陶瓷叠片组合的方式，并进行预压紧封装。

进一步地，所述振动隔膜与压电陶瓷振子连接侧表面上加工有一道环形槽。

进一步地，还包括振动台底板，所述振动台台身固定于所述振动台底板上。

进一步地，所述振动台底板上设有安装孔。

以下结合附图对本发明较佳实施例的技术方案作进一步描述。

如图1、图2和图4所示，本实施例提供的用于超声振动辅助加工的振动台装置，包括振动台底板1、振动台台身2、压电陶瓷振子3、振动隔膜4、还可以包括测力仪下底板5、测力仪6、测力仪上底板7、振动台控制电源9。待加工件8通过4个小螺栓连接在测力仪上底板7上，测力仪上底板7上有不同位置的螺纹孔，可供不同尺寸大小的工件选择。测力仪上底板7中间有四个分布在边长为17mm正方形顶点的沉头孔，通过螺栓与测力仪6上表面相连。沉头孔避免了螺栓头伸出导致待加工件安装面不平整的问题。测力仪6与测力仪下底板5连接的方式与测力仪上底板7连接的方式相同。测力仪下底板5主要起保护测力仪，平衡变形，稳定工件的作用。测力仪下底板5的上边除与测力仪连接的M4的沉头孔外，还有与振动隔膜4连接用的另外四个M3的沉头孔，这四个孔坐落的位置均在振动隔膜工作区部分(如图3所示)。振动隔膜4与振动台台身2通过5个沿圆周均布的螺纹孔相连，而且均设计成圆形。圆形的设计不仅显得紧凑美观，更有助于起振变形的均匀分布。振动台底板1连接着机床平台与振动台台身2，主要考虑到不同机床平台安装面孔位置的不同，从而通过在底板上设置不同位置的多组孔，便能使用在不同平台上。压电陶瓷振子3底部通过螺钉固定在振动台台身2上，压电陶瓷振子3的上端的输出端直接顶在振动隔膜4上，在振动隔膜4对应的位置设有一个小凹槽，以避免压电陶瓷输出端移动。

振动台底板1不仅有连接的过渡作用，而且避免了在振动台台身2内部设置安装孔，从而方便台子拆卸和安装。振动台台身2采用尼龙等塑料材料，而振动隔膜4和振动台底板1采用铝合金等材料，相邻连接件的阻尼不同，振动特性不同，可以有效减少振动在振动隔膜4和振动台台身2间的传递，从而减少振动能量的衰减。

压电陶瓷振子3必须工作在其谐振频率点，这样才能产生大而稳定的输出，同时避免压电陶瓷过热。由于振动中轴向拉力的存在，必须对叠片式的压电陶瓷进行预紧的机械封装，提高其负载能力，不然容易损坏。压电陶瓷振子只需通过一根线与外部电源控制箱9连接，外部电源控制箱9工作电压为220V。不同压电陶瓷振子的谐振频率可以通过改变压电陶瓷尺寸获得，而其振幅可以通过外部电源控制箱9的输入功率调节，调节范围为全功率的30％-100％。在本实施例的一个较佳实施例中，压电陶瓷工作频率为35KHz，振幅通过控制电源的功率设置，可以在1-4um内变化。

振动隔膜4主要起着将压电陶瓷振子3提供的点振动转化为整个内环面内的面振动。从图2中可以看到，振动隔膜4在与压电陶瓷振子连接的一侧开有一环形槽，形成一个内圆面，这个内圆面就是振动隔膜的工作面，在这个工作面内的振动振幅是可以保证的。环形槽对于工作面的整体起振具有重要作用，这一点已通过Ansys仿真分析验证。

采用体积较小的压电陶瓷直接作用于振动隔膜，产生工作面上的超声振动是使平台体积小，适用于小加工空间的关键。在本发明的一个较佳实例中，整体尺寸为：140×100×70mm。十分适合微细加工机床。当然也可以根据实际需要或大或小地改变平台尺寸。

本实施例用于提供纵向的振动，简单、易拆卸安装。

在本实施例中：

振动台底板主要是为连接机床工作台而设计，通过改变上面安装孔的位置，可以安装于各种机床运动平台上。

振动台台身为圆环形，采用尼龙材料，具有隔振，减少振动衰减的效果。同时圆环形的设计，不仅美观紧凑，而且可以使受力均衡。振动台台身主要用来安装压电陶瓷振子和振动隔膜，起支撑作用。

压电陶瓷振子作为本平台的振动源，主要利用其逆压电效应，将电能转化为机械能。通过控制电源控制使其工作在其谐振频率点，产生稳定的振动输出。压电陶瓷本身采用叠片组合的方式，其高度可以根据加工空间的大小和谐振工作频率点的要求来定。控制电源提供一定频率的电压信号，同时可以调节输入电压功率，改变压电陶瓷的振幅。压电陶瓷的振幅与信号功率成正比。同时因为叠片形式的压电陶瓷抗拉性差，压电陶瓷需进行一定程度的预压紧封装，从而能够提供较高的负载力。

振动隔膜是重要的振动面，主要作用是将振动源在一点上的振动转换为一个面上的振动，并传递给安装在这个面上的装置。其内部一侧加工有一道环形槽，这是保证在隔膜工作面上，以整体起振的关键。

测力仪下底板是为测力仪的安装而设计，主要起测力仪与隔膜间的连接作用，保护测力仪，同时其与隔膜相连时，增加了工作部分的刚度，进一步保证整个面同时起振。

测力仪主要用于加工时切削力的测量，可视需要决定是否安装。

测力仪上底板是安装待加工件的安装面，起测力仪与工件连接时的过渡作用。当不需要测力仪时，则为工件与振动隔膜的连接提供了方便。

下面给出一个具体加工的实施例过程：

1、将振动台安装在立式机床运动平台上，拧紧螺栓固定；

2、连接好振动台本体和控制电源。打开控制电源，设定工作频率点，同时设定的好功率大小，在30％-100％内；

3、启动振动台，先测一段空切下的切削力。然后开始加工。当需要改变振动台振幅，尝试不同的加工效果时，只需设定控制电源功率即可。若不需要进行振动加工，可直接关闭振动台；

4、若不需要检测切削力数据，可先停止加工，然后取下测力仪6及底板5，将工件8及底板7直接连接在振动隔膜4上，进行加工。

从以上具体实施例中可以看到，本用于超声振动辅助加工的振动台装置，具有使用方便简单、模块化、微型化的优点。振幅和频率可以根据实际需要选用压电陶瓷调整。各个过渡连接板的设置，不仅有保护作用，而且使得安装拆卸非常简便。相比于采用主轴振动的方式简单、成本低、机床本身不受影响。各种好处和优势是显而易见的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种用于超声振动辅助加工的振动台装置，其特征在于，包括振动台台身、压电陶瓷振子和振动隔膜，所述振动隔膜封装在振动台台身的顶部，所述振动台台身的内部为空腔结构，所述压电陶瓷振子轴向设置于所述空腔结构内部，并与振动隔膜相接触；

还包括测力仪上底板，所述测力仪上底板作为待加工件的安装面安装在振动隔膜上；

所述振动隔膜与压电陶瓷振子连接侧表面上加工有一道环形槽；

所述压电陶瓷振子连接有外部控制电源，利用压电陶瓷振子的逆压电效应，将电能转化为机械能，通过外部控制电源控制，使压电陶瓷振子工作在其谐振频率点，进而产生稳定的振动输出；

所述压电陶瓷振子采用压电陶瓷叠片组合的方式，并进行预压紧封装；

所述振动台台身为采用尼龙材质的且内部中空的圆柱形结构；

还包括振动台底板，所述振动台台身固定于所述振动台底板上；

所述振动台底板上设有安装孔。

2.一种用于超声振动辅助加工的振动台装置，其特征在于，包括振动台台身、压电陶瓷振子和振动隔膜，所述振动隔膜封装在振动台台身的顶部，所述振动台台身的内部为空腔结构，所述压电陶瓷振子轴向设置于所述空腔结构内部，并与振动隔膜相接触；

还包括测力仪下底板、测力仪上底板以及测力仪，所述测力仪下底板安装在振动隔膜上，所述测力仪设置于测力仪下底板上，所述测力仪上底板作为待加工件的安装面安装在测力仪上；

所述振动隔膜与压电陶瓷振子连接侧表面上加工有一道环形槽；

所述压电陶瓷振子连接有外部控制电源，利用压电陶瓷振子的逆压电效应，将电能转化为机械能，通过外部控制电源控制，使压电陶瓷振子工作在其谐振频率点，进而产生稳定的振动输出；

所述压电陶瓷振子采用压电陶瓷叠片组合的方式，并进行预压紧封装；

所述振动台台身为采用尼龙材质的且内部中空的圆柱形结构；

还包括振动台底板，所述振动台台身固定于所述振动台底板上；

所述振动台底板上设有安装孔。