CN107042198B - 一种基于导波线的二维超声振动加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于导波线的二维超声振动加工装置，包括至少两个超声波换能器、一个工具头、一个工具杆和至少两组具有一定柔性的导波线，每组柔性导波线分别连接在对应的一个超声波换能器和工具杆的一个对应位置之间，以将该对应的一个超声波换能器的预置激励所产生的纵向振动输出传输到该工具杆的一个对应位置处，形成各个超声波换能器的预置激励在工具杆上的叠加，并利用导波线的柔性特征，消除各个超声波换能器的纵向振动输出或弯曲振动输出在工具杆上的相互影响。本发明可以有效消除双激励超声波二维超声振动由于刚性连接所造成的弊端，使工具头振动输出轨迹控制更加精确、方便，并具有结构简单，体积小，安装非常方便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及超声振动加工技术领域，特别是涉及一种基于导波线的二维超声振动加工装置。
背景技术
超声振动加工装置是一种是利用超声频作小振幅振动的工具。从上世纪七十年代起，一些学者就把超声振动引入到精密切削加工中。采用单一振动辅助切削可提高表面精度和质量、降低切削温度和切削力、提高工艺系统刚度、增加刀具寿命等。但是，采用单一振动辅助加工存在控制振动方向与切削方向最佳参数困难的问题，单一方向超声振动限制了许多切削加工方法和加工范围。到了上世纪末，国外学者又提出了二维超声加工的概念，刀具振动轨迹由两个方向的振动合成，形成椭圆振动轨迹。椭圆振动切削继承了传统振动切削的优势，并且尽可能的避免了后刀面与已加工表面的摩擦，进一步提高了工件表面质量和刀具使用寿命。所以，研究椭圆振动切削对精密制造加工行业的发展具有重要意义。对于二维超声切削加工，二维振动的实现是关键，目前国内外采用的方法主要有单激励超声波二维超声振动和双激励超声波二维超声振动：单激励超声波二维超声振动，超声波换能器与工具杆呈刚性连接，利用工具杆特殊结构实现刀具的二维振动输出。但是这种单激励超声波二维超声振动方法输出振动轨迹固定无法改变，设计上也难以得到所需的目标振动轨迹，加工适应性较差(肖华,李勋,张德远等.天然金刚石刀具单激励超声椭圆振动车削[J].航空制造技术,2007,(9):81-84.)；双激励超声波二维超声振动是由两组换能器与工具杆刚性连接对工具杆进行两组振动激励，利用两组振动的相位或方向差形成二维振动输出。但是这种双激励超声波二维超声振动由于刚性连接致使两组振动相互干扰，设计存在理论上的缺陷，如固定的激振频率导致系统零带宽，两个空间模态共振频率难以同步，节点固定和工具杆形状设计困难等问题(张晨峰,椭圆振动超精密微细切削系统设计及机理研究[D].哈尔滨工业大学,2012.07；Moriwaki T,Shamoto E.Ultrasonic EllipticalVibration Cutting[J].Annals of CIRP,1995,44(1)：31-34.)。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种基于导波线的二维超声振动加工装置，通过采用具有一定柔性的导波线连接在超声波换能器与工具杆之间，可以有效消除双激励超声波二维超声振动由于刚性连接所造成的弊端，使工具头振动输出轨迹控制更加精确、方便，并具有结构简单，体积小，安装非常方便的特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于导波线的二维超声振动加工装置，包括：至少两个超声波换能器、一个工具头和一个工具杆；工具杆的其中一端面连接所述工具头；该加工装置还包括至少两组具有一定柔性的导波线，其中，至少一组柔性导波线连接在工具杆的对应于工具头的另一端面处和对应的其中一个超声波换能器之间，至少另一组柔性导波线连接在工具杆的两端面之间的外表面处和对应的其中另一个超声波换能器之间，从而将各个超声波换能器的预置激励通过所述柔性导波线以纵向振动输出的方式传输到工具杆的对应位置处，形成各个超声波换能器的预置激励在工具杆上的叠加，并利用导波线的柔性特征，消除各个超声波换能器的振动输出在工具杆上的相互影响。
所述超声波换能器设为纵向振动输出，所述超声波换能器的振动输出端与柔性导波线的轴线呈同轴相连接。
所述超声波换能器设为弯曲振动输出，所述超声波换能器的振动输出端与柔性导波线的轴线呈垂直相连接。
所述每组导波线呈直线状连接在对应的超声波换能器和工具杆的对应位置之间；或者是呈小曲率的弯曲状连接在对应的超声波换能器和工具杆的对应位置之间。
所述超声波换能器的振动输出端设有用于连接对应组导波线的第一小孔，所述对应组导波线的一端插在超声波换能器的第一小孔中并固定相连接；所述工具杆的对应位置设有用于连接对应组导波线的第二小孔，所述对应组导波线的另一端插在工具杆的第二小孔中并固定相连接。
所述每组导波线为一条导波线或多条导波线。
所述每组导波线的长度大于该组导波线所连接的超声波换能器的激励的频率振动波的半波长度。
所述工具杆中，在工具杆的垂直于连接所述工具头的端面的外表面上设用来与外部的对应部件定位相连接的定位部，且定位部为二个，分别设在相对的外表面处。
所述超声波换能器为二个，所述柔性导波线为二组，其中一组柔性导波线连接在工具杆的对应于工具头的另一端面的中心和对应的其中一个超声波换能器之间，另一组柔性导波线连接在工具杆的两端面之间的外表面和对应的其中另一个超声波换能器之间，该另一组柔性导波线与该外表面的连接位置处在所述另一端面与所述定位部之间，且该另一组柔性导波线的与工具杆的连接处的轴线垂直于两个定位部之间的连线。
所述该另一组柔性导波线与该外表面的连接位置设在能够使振动工具头产生弯曲振动变形的波峰/波谷处。
所述超声波换能器为二个，所述柔性导波线为二组，其中一组柔性导波线连接在工具杆的对应于工具头的另一端面的非中心和对应的其中一个超声波换能器之间，另一组柔性导波线连接在工具杆的两端面之间的一外表面和对应的其中另一个超声波换能器之间，所述工具杆的两端面之间的一外表面与所述工具杆的用来连接定位部的外表面垂直；该另一组柔性导波线与该一外表面的连接位置处在所述另一端面与所述定位部之间。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明由于采用了设置至少两组具有一定柔性的导波线，且每组柔性导波线分别连接在对应的一个超声波换能器和工具杆的一个对应位置之间，以将该对应的一个超声波换能器的预置激励所产生的纵向振动输出或弯曲振动输出通过柔性导波线以纵向振动输出方式传输到该工具杆的一个对应位置处，形成各个超声波换能器的预置激励在工具杆上的叠加，并利用导波线的柔性特征，消除各个超声波换能器的纵向振动输出或弯曲振动输出在工具杆上的相互影响。本发明的这种结构，通过使用柔性的导波线连接在超声波换能器与工具杆之间，可以有效消除双激励超声波二维超声振动由于刚性连接所造成的弊端，使工具头振动输出轨迹控制更加精确、方便，并具有结构简单，体积小，安装非常方便的特点。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种基于导波线的二维超声振动加工装置不局限于实施例。
附图说明
图1是实施例一本发明的结构示意图；
图2是实施例一本发明纵向模态工作示意图；
图3是实施例一本发明弯曲模态工作示意图；
图4是实施例一本发明的导波线的构造示意图；
图5是实施例一本发明的导波线的截面示意图；
图6是实施例二本发明的结构示意图；
图7是实施例三本发明(水平方向换能器工作示意)的结构示意图；
图8是实施例三本发明(竖直方向换能器工作示意)的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
参见图1至图5所示，本发明的一种基于导波线的二维超声振动加工装置，是一种能够实现纵弯二维超声振动加工的加工装置。该二维超声振动加工装置，包括：两个超声波换能器1、一个工具头2和一个工具杆3；二个超声波换能器1分别设为纵向振动输出；工具杆3的其中一端面31连接所述工具头2；该加工装置还包括两组具有一定柔性的导波线4，其中一组柔性导波线4连接在工具杆3的对应于工具头1的另一端面33处和对应的其中一个超声波换能器1之间，另一组柔性导波线4连接在工具杆的两端面之间的外表面处和对应的其中另一个超声波换能器1之间，从而将各个超声波换能器的预置激励通过所述柔性导波线4以纵向振动输出的方式传输到工具杆3的对应位置处，形成各个超声波换能器1的预置激励在工具杆3上的叠加，并利用导波线4的柔性特征，消除各个超声波换能器1的振动输出在工具杆3上的相互影响。
本实施例中，声波换能器1设为纵向振动输出，所述超声波换能器1的振动输出端与柔性导波线4的轴线呈同轴相连接。
本实施例中，每组导波线4呈小曲率的弯曲状连接在对应的超声波换能器1和工具杆3的对应位置之间。当然，每组导波线也可以是呈直线状连接在对应的超声波换能器和工具杆的对应位置之间。
在超声波换能器1的振动输出端设有用于连接对应组导波线的第一小孔11，所述对应组导波线4的一端插在超声波换能器的第一小孔11中并固定相连接。
在工具杆3的对应位置设有用于连接对应组导波线的第二小孔32，所述对应组导波线的另一端插在工具杆的第二小孔32中并固定相连接。
本实施例中，每组导波线为一条导波线，当然，根据需要也可以是多条导波线。
所述工具杆3中，在工具杆3的垂直于连接所述工具头的端面的外表面上设用来与外部的对应部件定位相连接的定位部5。本实施例中，定位部5为定位槽。定位部5为二个，分别设在相对的外表面处。
本实施例中，工具杆3设有二处对应位置以通过二组导波线4分别与二个超声波换能器1相连接，其中一处对应位置(即一个第二小孔32)设在工具杆的与连接所述工具头的端面相对的另一端面33的中心，这样，其中的一组柔性导波线就连接在工具杆的对应于工具头的另一端面的中心和对应的其中一个超声波换能器1之间，另一处对应位置(即另一个第二小孔32)设在工具杆的垂直于所述端面的外表面上，这样，另一组柔性导波线4就连接在工具杆3的两端面之间的外表面和对应的其中另一个超声波换能器1之间，该另一组柔性导波线4与该外表面的连接位置处在所述另一端面33与所述定位部5之间，确切地说是处在所述另一端面33与两个定位部5所构成的平面之间；且该另一组柔性导波线4的与工具杆3的连接处的轴线垂直于两个定位部5之间的连线。
本实施例中，导波线4截面为圆形，当然，也可以是其他的截面形状，比如椭圆形、矩形等，在实际应用中，可根据需要采用不同形状和数量的导波线。本实施例中所采用的是一个小孔(包括第一小孔11、第二小孔32)连接一根导波线，然而，可以根据实际需要，用一个小孔连接多根导波线，或者用多个小孔来对应连接多根导波线。
本实施例中，导波线4的两端分别是采用焊接的方式与超声波换能器1的输出端、工具杆3相固定，当然，也可以采用其他的方法相固定。
本发明的二个超声波换能器1，其中一个超声波换能器1通过导波线4连接在工具杆的其中另一端面33的中心，这个与工具杆端面方向连接的超声波换能器1激励的纵波通过导波线4传递到工具杆3端面33引起工具杆3纵向振动(如图2所示)，而另一个超声波换能器1通过导波线4连接在工具杆的垂直于所述端面的外表面上，这个与工具杆垂直于端面方向连接的超声波换能器1产生的纵向振动通过导波线4传递引起振动工具杆3的弯曲振动(如图3所示)。连接在工具杆3上的工具头2的振动轨迹由两个方向的振动合成，形成二维振动输出。控制输入两个超声波换能器1的激励参数，能够实现振动工具头2前端刀具的振动轨迹控制。
如图3所示，工具杆3的另一处对应位置即在其垂直于端面的外表面上设的第二小孔32的位置应设置在使振动工具头产生弯曲振动变形的波峰(波谷)处，此处变形方向沿着外表面垂直的方向，与之相连接的导波线4能够使最大的振动能量传给振动工具头2。工具杆3上设置第二小孔的位置是通过对工具杆3与工具头2整体模态分析，取位于最大振动位移内。超声波换能器1和工具杆3上的小孔(即第一小孔11、第二小孔32)大小应根据实际导波线4的粗细和数量而改变。在保证连接强度的前提下，除本实施例提到的焊接法，也可用其他连接方法。利用工具杆3和超声波换能器1上的两组小孔(即第一小孔11、第二小孔32)，把导波线4分别焊接粘合进小孔内，使两组换能器通过导波线4与振动工具头连接起来。
导波线4的布置应根据实际换能器和工具杆的位置,可以有较小曲率的弯曲也可以直线与工具杆连接起来。每组导波线4的长度大于该组导波线所连接的超声波换能器1的激励的频率振动波的半波长度，每组长度可以不一样，可根据模态分析确定。刀具与工具杆连接可采用螺纹或其它可靠的连接形式，其整体在定位槽5(约束)固定时的纵向模态和弯曲模态频率应基本保持一致且与换能器的纵振频率一致。如图所示的工具杆3上的定位槽5位置是通过模态分析而得到的节面位置，因此可用于与外部连接定位，或者可以把振动工具头和超声波换能器1装在同一个壳体之中，再把整个壳体固定在机床刀架位置，连接超声波换能器1与超声电源。打开超声电源，超声波换能器1上产生的超声振动通过导波线4引激励工具杆3振动，从而工具头2输出二维振动。调节两组电源输入激励的参数，能够实现振动工具头所需的二维超声振动轨迹。
使用时，把两组导波线4分别与两个超声波换能器1和工具杆进行焊接相固定，保证导波线4与超声波换能器1和工具杆3的连接强度。把工具杆3通过定位槽5固定，工具杆3前端连接工具头2。两组超声波换能器1的导线与超声电源相联接。加工时，打开超声电源，超声波换能器1上产生的纵振传递到与前盖板端面上第一小孔11连接的导波线4上，振动通过导波线4传递到工具杆3上，引起工具头2振动。如图3所示，与工具杆3端面相垂直连接的超声波换能器1产生的纵向振动通过导波线4引起振动工具头2的弯曲振动；如图2所示，与工具杆3端面33相连接的超声波换能器1产生的纵向振动通过导波线4引起振动工具头2的纵向振动。振动工具头2的振动轨迹由两组超声波换能器1的激励合成，从而实现工具头二维超声振动。通过分别调节两组超声电源的激励参数，能够控制刀具振动的轨迹，例如可以控制两个换能器方向振动相位相差90°可以实现椭圆振动轨迹。
实施例二
参见图6所示，本发明的一种基于导波线的二维超声振动加工装置，与实施例一的不同之处在于，二个超声波换能器1为弯曲振动输出，所述超声波换能器1的振动输出端与柔性导波线4的轴线呈垂直相连接。
当然，本发明也可以是采用一个声波换能器1设为纵向振动输出，一个超声波换能器1为弯曲振动输出，通过与导波线4不同方式的连接，使得导波线4均以纵向振动输出方式传输给工具杆3。
实施例三
参见图7、图8所示，本发明的一种基于导波线的二维超声振动加工装置，与实施例一的不同之处在于，工具杆3的结构不同和二个超声波换能器1的连接位置不同，实施例一的工具头2是连接在工具杆3的长度方向，本实施例的工具头2是连接在工具杆3的宽度方向，工具杆设有二处对应位置以通过二组导波线4分别与二个超声波换能器1相连接，其中一处对应位置设在与连接所述工具头的端面相对的另一端面33的非中心，即向上偏置；另一处对应位置设在工具杆的垂直于所述端面的一外表面上，且该一外表面与所述连接定位部的外表面垂直；该另一处对应位置处在所述另一端面与所述定位部之间并且比较靠近两个定位部所构成的平面。
本实施例实现弯弯方向振动。
通过上述三个实施例说明，本发明的一种能够实现纵弯二维超声振动加工的加工装置，通过调整超声波换能器1在工具杆3的连接位置和设置合理数量的超声波换能器1能够实现不同方式的二维超声振动加工，比如纵弯、纵纵、弯弯模态等多种方式。
本发明的一种基于导波线的二维超声振动加工装置，通过使用柔性的导波线连接在超声波换能器与工具杆之间，可以有效消除双激励超声波二维超声振动由于刚性连接所造成的弊端，使工具头振动输出轨迹控制更加精确、方便，并具有结构简单，体积小，安装非常方便的特点。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (11)
1.一种基于导波线的二维超声振动加工装置，包括：至少两个超声波换能器、一个工具头和一个工具杆；工具杆的其中一端面连接所述工具头；其特征在于：该加工装置还包括至少两组具有一定柔性的导波线，其中，至少一组柔性导波线连接在工具杆的对应于工具头的另一端面处和对应的其中一个超声波换能器之间，至少另一组柔性导波线连接在工具杆的两端面之间的外表面处和对应的其中另一个超声波换能器之间，从而将各个超声波换能器的预置激励通过所述柔性导波线以纵向振动输出的方式传输到工具杆的对应位置处，形成各个超声波换能器的预置激励在工具杆上的叠加，并利用导波线的柔性特征，消除各个超声波换能器的振动输出在工具杆上的相互影响。
2.根据权利要求1所述的基于导波线的二维超声振动加工装置，其特征在于：所述超声波换能器设为纵向振动输出，所述超声波换能器的振动输出端与柔性导波线的轴线呈同轴相连接。
3.根据权利要求1所述的基于导波线的二维超声振动加工装置，其特征在于：所述超声波换能器设为弯曲振动输出，所述超声波换能器的振动输出端与柔性导波线的轴线呈垂直相连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于导波线的二维超声振动加工装置，其特征在于：所述每组导波线呈直线状连接在对应的超声波换能器和工具杆的对应位置之间；或者是呈小曲率的弯曲状连接在对应的超声波换能器和工具杆的对应位置之间。
5.根据权利要求4所述的基于导波线的二维超声振动加工装置，其特征在于：所述超声波换能器的振动输出端设有用于连接对应组导波线的第一小孔，所述对应组导波线的一端插在超声波换能器的第一小孔中并固定相连接；所述工具杆的对应位置设有用于连接对应组导波线的第二小孔，所述对应组导波线的另一端插在工具杆的第二小孔中并固定相连接。
6.根据权利要求1所述的基于导波线的二维超声振动加工装置，其特征在于：所述每组导波线为一条导波线或多条导波线。
7.根据权利要求1所述的基于导波线的二维超声振动加工装置，其特征在于：所述每组导波线的长度大于该组导波线所连接的超声波换能器的激励的频率振动波的半波长度。
8.根据权利要求1所述的基于导波线的二维超声振动加工装置，其特征在于：所述工具杆中，在工具杆的垂直于连接所述工具头的端面的外表面上设用来与外部的对应部件定位相连接的定位部，且定位部为二个，分别设在相对的外表面处。
9.根据权利要求8所述的基于导波线的二维超声振动加工装置，其特征在于：所述超声波换能器为二个，所述柔性导波线为二组，其中一组柔性导波线连接在工具杆的对应于工具头的另一端面的中心和对应的其中一个超声波换能器之间，另一组柔性导波线连接在工具杆的两端面之间的外表面和对应的其中另一个超声波换能器之间，该另一组柔性导波线与该外表面的连接位置处在所述另一端面与所述定位部之间，且该另一组柔性导波线的与工具杆的连接处的轴线垂直于两个定位部之间的连线。
10.根据权利要求9所述的基于导波线的二维超声振动加工装置，其特征在于：所述该另一组柔性导波线与该外表面的连接位置设在能够使振动工具头产生弯曲振动变形的波峰/波谷处。
11.根据权利要求8所述的基于导波线的二维超声振动加工装置，其特征在于：所述超声波换能器为二个，所述柔性导波线为二组，其中一组柔性导波线连接在工具杆的对应于工具头的另一端面的非中心和对应的其中一个超声波换能器之间，另一组柔性导波线连接在工具杆的两端面之间的一外表面和对应的其中另一个超声波换能器之间，所述工具杆的两端面之间的一外表面与所述工具杆的用来连接定位部的外表面垂直；该另一组柔性导波线与该一外表面的连接位置处在所述另一端面与所述定位部之间。
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