CN107042422B - 一种基于导波线的扭转超声振动加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于导波线的扭转超声振动加工装置，包括两个超声波换能器、一个工具头和一个工具杆；工具杆的一端连接工具头；还包括两组具有一定柔性的导波线，两组柔性导波线的各一端分别在工具杆的另一端的端部与工具杆的周面切向连接，两组柔性导波线的各另一端分别与两个超声波换能器相连接，从而形成两个超声波换能器的预置激励在工具杆上的叠加而产生工具杆的扭转振动，并利用导波线的柔性特征，消除两个超声波换能器的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，又可以实现扭转振动，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扭转超声振动加工装置。
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，而无论是单激励超声波二维超声振动，还是双激励超声波二维超声振动，超声波换能器与工具杆之间都是呈刚性连接，这样，两组振动之间就会相互干扰，难以得到所需的目标振动轨迹，另外，也难以形成复杂的振动方式，比如，扭转振动等。
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扭转超声振动加工装置，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，即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，又可以实现扭转振动，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：一种基于导波线的扭转超声振动加工装置，包括两个超声波换能器、一个工具头和一个工具杆；工具杆为柱形，工具杆的一端的端面连接所述工具头；该加工装置还包括两组具有一定柔性的导波线，两组柔性导波线的各一端分别在工具杆的另一端的端部与工具杆的周面切向连接，两组柔性导波线的各另一端分别与两个超声波换能器相连接，从而将两个超声波换能器的预置激励通过对应的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，形成两个超声波换能器的预置激励在工具杆上的叠加而产生工具杆的扭转振动，并利用导波线的柔性特征，消除两个超声波换能器的振动输出在工具杆上的相互影响。
所述工具杆的横截面为圆形或正多边形。
所述两个超声波换能器通过柔性导波线后的纵向振动输出方向与工具杆的周向相同。
所述两个超声波换能器通过对应的柔性导波线与工具杆的周面的两个连接位置为180度旋转对称；所述两个超声波换能器的预置激励的相位相同。
所述两个超声波换能器通过对应的柔性导波线与工具杆的周面的两个连接位置处在对应于工具杆的另一端的端面的同一侧边；所述两个超声波换能器的预置激励的相位差为180度。
进一步的，还包括第三个超声波换能器和第三组柔性导波线，第三组柔性导波线的一端连接在工具杆的另一端的端面中心，第三组柔性导波线的另一端与第三个超声波换能器相连接，从而使工具杆在扭转振动的同时还复合纵向振动，并利用导波线的柔性特征，消除三个超声波换能器的振动输出在工具杆上的相互影响。
进一步的，还包括第三个超声波换能器和第三组柔性导波线，第三组柔性导波线的一端在工具杆的另一端的端部与工具杆的周面径向连接，第三组柔性导波线的另一端与第三个超声波换能器相连接，从而使工具杆在扭转振动的同时还复合弯曲振动，并利用导波线的柔性特征，消除三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另一端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另一端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。
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两组具有一定柔性的导波线，两组柔性导波线的各一端分别在工具杆的另一端的端部与工具杆的周面切向连接，两组柔性导波线的各另一端分别与两个超声波换能器相连接，从而将两个超声波换能器的预置激励通过对应的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，形成两个超声波换能器的预置激励在工具杆上的叠加而产生工具杆的扭转振动，并利用导波线的柔性特征，消除两个超声波换能器的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为扭转振动，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扭转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是实施例一本发明的导波线的构造示意图；
图3是实施例一本发明的导波线的截面示意图；
图4是实施例二本发明的结构示意图；
图5是实施例三本发明的结构示意图；
图6是实施例四本发明的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
参见图1至图3所示，本发明的一种基于导波线的扭转超声振动加工装置，包括两个超声波换能器11、12、一个工具头2和一个工具杆3；工具杆3为柱形，工具杆3的横截面为圆形，即工具杆3为圆柱形，其中，工具杆3的一端呈锥台形，工具杆3的一端的端面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41、42，两组柔性导波线41、42的各一端分别在工具杆3的另一端的端部与工具杆的周面32切向连接，两组柔性导波线41、42的各另一端分别与两个超声波换能器11、12对应相连接，从而将两个超声波换能器11、12的预置激励通过对应的柔性导波线41、42以纵向振动输出的方式传输到工具杆3的对应位置处，形成两个超声波换能器11、12的预置激励在工具杆3上的叠加而产生工具杆3的扭转振动，并利用导波线的柔性特征，消除两个超声波换能器11、12的振动输出在工具杆3上的相互影响。本实施例的工具杆3为圆柱形，当然，工具杆3的横截面也可以是正四边形即正方形等其他正多边形。
本实施例中，两个超声波换能器11、12通过柔性导波线41、42后的纵向振动输出方向与工具杆3的圆周方向相同。
本实施例中，两个超声波换能器11、12通过对应的柔性导波线41、42与工具杆3的周面的两个连接位置为180度旋转对称；所述两个超声波换能器11、12的预置激励的相位相同。
本实施例中，超声波换能器11、12均设为纵向振动输出，所述超声波换能器11、12的振动输出端与柔性导波线41、42的另一端的轴线呈同轴相连接。
当然，两个超声波换能器也可以设为弯曲振动输出，当采用弯曲振动输出时，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。
当然，本发明也可以是采用一个声波换能器设为纵向振动输出，一个超声波换能器为弯曲振动输出，通过与导波线不同方式的连接，使得导波线均以纵向振动输出方式传输给工具杆。
本实施例中，每组导波线41、42呈小曲率的弯曲状连接在对应的超声波换能器11、12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。
本实施例中，每组导波线41、42为一条导波线，当然，根据需要也可以是多条导波线。
每组导波线41、42的长度大于该组导波线所连接的超声波换能器11、12的激励的频率振动波的半波长度。
导波线41、42与超声波换能器11、12、工具杆3相连接时，是在超声波换能器11、12和工具杆3的对应位置上分别有小孔，在导波线41、42的两端分别插在超声波换能器11、12和工具杆3的对应小孔中，可以是一个小孔连接一根导波线，也可以根据实际需要，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。
导波线41、42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。
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。
本发明的一种基于导波线的扭转超声振动加工装置，采用了设置两组具有一定柔性的导波线41、42，两组柔性导波线41、42的各一端分别在工具杆3的另一端的端部与工具杆的周面32切向连接，两组柔性导波线41、42的各另一端分别与两个超声波换能器11、12相连接，从而将两个超声波换能器11、12的预置激励通过对应的柔性导波线以纵向振动输出的方式传输到工具杆3的对应位置处，形成两个超声波换能器11、12的预置激励在工具杆3上的叠加而产生工具杆3的扭转振动，并利用导波线的柔性特征，消除两个超声波换能器11、12的振动输出在工具杆3上的相互影响。本发明的这种结构，通过使用柔性的导波线41、42连接在超声波换能器11、12与工具杆3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为扭转振动，并具有结构简单，体积小，安装非常方便的特点。
实施例二
参见图4所示，本发明的一种基于导波线的扭转超声振动加工装置，与实施例一的不同之处在于，两个超声波换能器11、12通过对应的柔性导波线41、42与工具杆的周面32的两个连接位置处在对应于工具杆的另一端的端面33的同一侧边；所述两个超声波换能器11、12的预置激励的相位差为180度。
实施例三
参见图5所示，本发明的一种基于导波线的扭转超声振动加工装置，与实施例一的不同之处在于，进一步的，还包括第三个超声波换能器13和第三组柔性导波线43，第三组柔性导波线43的一端连接在工具杆3的另一端的端面33中心，第三组柔性导波线43的另一端与第三个超声波换能器13相连接，从而使工具杆3在扭转振动的同时还复合纵向振动，并利用导波线的柔性特征，消除三个超声波换能器11、12、13的振动输出在工具杆3上的相互影响。
实施例三
参见图6所示，本发明的一种基于导波线的扭转超声振动加工装置，与实施例一的不同之处在于，进一步的，还包括第三个超声波换能器13和第三组柔性导波线43，第三组柔性导波线43的一端在工具杆的另一端的端部与工具杆的周面32径向连接，第三组柔性导波线43的另一端与第三个超声波换能器13相连接，从而使工具杆3在扭转振动的同时还复合弯曲振动，并利用导波线的柔性特征，消除三个超声波换能器11、12、13的振动输出在工具杆上的相互影响。
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 (12)
1.一种基于导波线的扭转超声振动加工装置，包括两个超声波换能器、一个工具头和一个工具杆；工具杆为柱形，工具杆的一端的端面连接所述工具头；其特征在于：该加工装置还包括两组具有一定柔性的导波线，两组柔性导波线的各一端分别在工具杆的另一端的端部与工具杆的周面切向连接，两组柔性导波线的各另一端分别与两个超声波换能器相连接，从而将两个超声波换能器的预置激励通过对应的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，形成两个超声波换能器的预置激励在工具杆上的叠加而产生工具杆的扭转振动，并利用导波线的柔性特征，消除两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扭转超声振动加工装置，其特征在于：所述工具杆的横截面为圆形或正多边形。
3.根据权利要求1或2所述的基于导波线的扭转超声振动加工装置，其特征在于：所述两个超声波换能器通过柔性导波线后的纵向振动输出方向与工具杆的周向相同。
4.根据权利要求3所述的基于导波线的扭转超声振动加工装置，其特征在于：所述两个超声波换能器通过对应的柔性导波线与工具杆的周面的两个连接位置为180度旋转对称；所述两个超声波换能器的预置激励的相位相同。
5.根据权利要求3所述的基于导波线的扭转超声振动加工装置，其特征在于：所述两个超声波换能器通过对应的柔性导波线与工具杆的周面的两个连接位置处在对应于工具杆的另一端的端面的同一侧边；所述两个超声波换能器的预置激励的相位差为180度。
6.根据权利要求4或5所述的基于导波线的扭转超声振动加工装置，其特征在于：进一步的，还包括第三个超声波换能器和第三组柔性导波线，第三组柔性导波线的一端连接在工具杆的另一端的端面中心，第三组柔性导波线的另一端与第三个超声波换能器相连接，从而使工具杆在扭转振动的同时还复合纵向振动，并利用导波线的柔性特征，消除三个超声波换能器的振动输出在工具杆上的相互影响。
7.根据权利要求4或5所述的基于导波线的扭转超声振动加工装置，其特征在于：进一步的，还包括第三个超声波换能器和第三组柔性导波线，第三组柔性导波线的一端在工具杆的另一端的端部与工具杆的周面径向连接，第三组柔性导波线的另一端与第三个超声波换能器相连接，从而使工具杆在扭转振动的同时还复合弯曲振动，并利用导波线的柔性特征，消除三个超声波换能器的振动输出在工具杆上的相互影响。
8.根据权利要求1所述的基于导波线的扭转超声振动加工装置，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另一端的轴线呈同轴相连接。
9.根据权利要求1所述的基于导波线的扭转超声振动加工装置，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另一端的轴线呈垂直相连接。
10.根据权利要求1所述的基于导波线的扭转超声振动加工装置，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。
11.根据权利要求1所述的基于导波线的扭转超声振动加工装置，其特征在于：所述每组导波线为一条导波线或多条导波线。
12.根据权利要求1所述的基于导波线的扭转超声振动加工装置，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。
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