CN108273717B - 一种纵扭超声振动加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纵扭超声振动加工装置，包括超声振子和将所述超声振子提供的纵向超声振动转化为纵扭复合振动的变幅杆，所述变幅杆连接于所述超声振子的一端；所述变幅杆包括第一级变幅杆和第二级变幅杆；所述第一级变幅杆为中空筒状，所述第二级变幅杆固定于所述第一级变幅杆一端且用于固定加工工具，所述第一级变幅杆的内径大于所述第一级变幅杆的外径的1/2，且所述第一级变幅杆的筒壁上开设有多个贯穿所述筒壁的螺旋槽。本发明的一种纵扭超声振动加工装置，其能量转化和传递效率高。
Description
技术领域
本发明涉及切削加工装置，更具体地，涉及一种纵扭超声振动加工装置。
背景技术
超声加工是对刀具或工件施加高频振动的特种加工方法，由于具有切削力小，加工质量好，刀具磨损小等特点，在硬脆材料和难加工材料加工中得到了广泛的应用。旋转超声振动加工中，刀具在高频小幅振动的同时还随着机床的主轴做高速旋转，使得玻璃、陶瓷、复合材料等硬脆材料加工去除机制发生变化，因此在该类材料加工方面有着明显的优势。目前的旋转超声振动加工一般都采用纵向超声振动，普通纵向超声运动轴向冲击大，一般只能用金刚石磨粒刀具，而纵扭超声振动则不受加工刀具的影响，可以采用硬质合金刀具及金刚石磨粒刀具。利用硬质合金刀具的纵扭超声加工可以很好的加工金属和复合材料叠层构件，同时纵扭超声加工切削力和加工质量也优于纵振金刚石超声加工，更适合硬脆材料钻孔及表面加工，有利于减小切削力和提高表面质量。
然而，由于切向极化压电陶瓷在技术上难以实现，使纵扭复合超声振动的应用受到了限制。当前，实现纵扭复合超声振动主要有两种方法，一是将压电陶瓷沿切向极化，但技术上很难实现，此种方法工艺复杂，废品率很高，很难制造出理想的换能器；二是近几年出现的利用在换能器前端设置扭振变幅杆来实现扭转振动，该方法简单实用，但是长久以来该类纵扭换能器的扭振的转化效率不高。这种换能器开设螺旋槽一般为在实心圆柱、圆锥等表面上挖沟槽，由于能量在整个圆柱体中传播，且能量传递集中于圆柱轴心，表面的沟槽只能将表面传递的纵振能量部分地转化扭转能量，而位于圆柱中心部分的纵振能量则无法受到螺旋槽的影响，仍为纵振，故而扭转振动能量小，转化不充分。
发明内容
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种纵扭超声振动加工装置，以解决超声振动装置纵振能量转换和传递效率低、所得扭转振动能量小的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种纵扭超声振动加工装置，包括超声振子和将所述超声振子提供的纵向超声振动转化为纵扭复合振动的变幅杆，所述变幅杆连接于所述超声振子的一端；
所述变幅杆包括第一级变幅杆和第二级变幅杆；所述第一级变幅杆为中空筒状，所述第二级变幅杆固定于所述第一级变幅杆一端且用于固定加工工具，所述第一级变幅杆的内径大于所述第一级变幅杆的外径的1/2，且所述第一级变幅杆的筒壁上开设有多个贯穿所述筒壁的螺旋槽。
进一步地，所述螺旋槽的截面形状为四边形。
进一步地，所述螺旋槽的数量为四个或六个，所述螺旋槽的螺旋角为90-100°，螺距为80-120mm。
进一步地，所述螺旋槽的长度满足以下关系：
其中，l为螺旋槽的长度，p为螺距，θ为螺旋槽的螺旋角。
进一步地，所述螺旋槽的宽度满足以下关系：
其中，b为螺旋槽的宽度，R为第一级变幅杆的外径，r为第一级变幅杆的内径，p为螺距，n为螺旋槽的数量。
进一步地，多个所述螺旋槽关于所述第一级变幅杆的中心轴线两两对称。
进一步地，所述第二级变幅杆包括固定于所述第一级变幅杆一端的大圆柱段和固定于所述大圆柱段一端的小圆柱段，所述第一级变幅杆、所述大圆柱段和所述小圆柱段的长度之比为(5-10):(1-2):(2-4)；所述第一级变幅杆、所述大圆柱段和所述小圆柱段的外径之比为(4-8):(2-3):1。
进一步地，所述超声振子包括与所述第一级变幅杆一体成型的前盖板，所述前盖板的侧方同轴设置有压电陶瓷片组和后盖板，所述前盖板、压电陶瓷片组和后盖板的中心位置对应开设有孔道，一预紧螺栓通过所述孔道将所述后盖板和压电陶瓷片组固定于所述前盖板上。
进一步地，所述压电陶瓷片组由2或4片压电陶瓷片组成，压电陶瓷片的厚度为4-10mm；所述压电陶瓷片组的直径小于超声波在所述压电陶瓷片组中传播时波长的1/4。
进一步地，所述第一级变幅杆上靠近所述超声振子的端部开设有与所述第一级变幅杆同轴的隔振槽。
本发明的有益效果主要体现在如下方面：
(1)在中空筒状的第一级变幅杆的筒壁上开设多个贯穿该筒壁的螺旋槽，以有效地将超声振子提供的纵振能量转化为扭纵振动的能量，并增强其能量传递效率/效果；
(2)通过对螺旋槽的宽度、长度、螺旋角、螺距、数量等的关联设置，能够有效提高对超声振子纵振能量的转化和传递。同时，通过对超声振子的改进，进一步提高其能量传递效率。
附图说明
图1为根据本发明实施例中一种纵扭超声振动加工装置的正视图；
图2为根据本发明实施例中一种纵扭超声振动加工装置图1中的A-A剖视图；
图3为根据本发明实施例中一种纵扭超声振动加工装置图1中的C-C剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1所示，一种纵扭超声振动加工装置，包括超声振子和变幅杆，变幅杆能够将超声振子提供的纵向超声振动转化为纵向和周向的纵扭复合振动。变幅杆直接连接于超声振子的一端。变幅杆与超声振子直接相连而成为整体，能够避免超声能量在两部件之间传递时的损失。
该变幅杆包括第一级变幅杆9和用于固定加工工具的第二级变幅杆，第一级变幅杆9的一端与第二级变幅杆的一端相连接，且第一级变幅杆9与第二级变幅杆同轴。
进一步地，参见图2所示，第一级变幅杆9为中空筒状结构，第一级变幅杆9的内径比第一级变幅杆9的外径的1/2要大。第一级变幅杆9采用中空筒状的结构，能够提高对超声振子纵向振动的转换效率，从而有效提高纵振能量转化为扭转能量的效率。
第一级变幅杆9中空的部分太小，其将纵振转换为纵扭复合振动的效率较低；第一级变幅杆9中空的部分太大，也即第一级变幅杆9的筒壁的厚度太薄，会影响装置刚度和加工稳定性。具体地，使第一级变幅杆9的内径为第一级变幅杆9的外径的3/4时，其强度和转化效率均可达到较好的效果。
进一步地，第一级变幅杆9的长度由超声振动半波长设计长度所决定，其设计满足频率方程：
k1·l1＝π (1)
其中，k1为第一级变幅杆所用材料的圆波数，l1为第一级变幅杆长度。
具体地，超声波在不同的材料中的传播速度不一样。第一级变幅杆9的长度与其所选用的材料相关。当采用某种材料时，合理设置第一级变幅杆9的长度，能够提高第一级变幅杆9对超声振动能量的转换和传递效率。
在第一级变幅杆9的筒壁上开设有多个螺旋槽10。螺旋槽10的螺旋线所围绕的包络面为第一级变幅杆9的外壁面，螺旋槽10的轴线与变幅杆9同轴。螺旋槽10的一端靠近第一级变幅杆9的筒壁一端，螺旋槽10的另一端靠近第一级变幅杆9的筒壁的另一端。即螺旋槽10的两端与对应的筒壁的两端间隔一定距离。并且，螺旋槽10贯穿第一级变幅杆9的筒壁。
参见图3所示，螺旋槽10贯穿第一级变幅杆9的筒壁，使螺旋槽10与第一级变幅杆9的中空部分相连通，极大地提高了纵振转化为扭振的转换效率。
在一个具体的实施例中，螺旋槽10的截面形状为四边形。降低了螺旋槽加工难度，同时，平的槽面提高了能量反射率，增加了能量转化效率，减少能量的衰减。
在另一个具体的实施例中，螺旋槽10的数量为四个或六个；螺旋槽10的螺旋角为90-100°；螺旋槽10的螺距为80-120mm。具体地，通过合理的布置螺旋槽10的数量及其螺距和螺旋角，并配合变幅杆的长度设置，可以实现频率简并，使超声纵振频率和超声扭振频率实现耦合，更好地提高能量转换效率，使超声振子产生的部分纵向振动转化为扭转振动，提高扭转振动的效果。
在另一个具体的实施例中，螺旋槽的长度满足以下关系：
其中l为圆筒变幅杆上开螺旋线的长度，p为螺距，θ为螺旋线螺旋角。
具体地，合理地设置螺旋槽10的长度与螺旋槽10的螺旋角度以及螺旋槽10的螺距，能够更大程度的提高能量转换效率。
在另一个具体的实施例中，螺旋槽的宽度满足以下关系：
其中，b为螺旋槽的宽度，R为第一级变幅杆的外径，r为第一级变幅杆的内径，p为螺距，n为螺旋槽的数量。
具体地，将螺旋槽10的宽度与螺旋槽10的螺旋角度以及相邻螺旋槽10间的间距相关联，能够更大程度的提高能量转换效率。同时，通过对螺旋槽10的宽度、长度、螺旋角及螺距等参数的合理设置，能够将纵扭复合振动中的纵振与扭振的能量比例调控在合理的范围，不仅能够提高能量转换效率，而且能够降低应力，提高装置稳定性。
在另一个具体的实施例中，第一级变幅杆9的长度与第一级变幅杆9的外径之比保持在(3-4):1。第一级变幅杆9的长度与第一级变幅杆9的外径之比保持在合适的范围，能够增加装置的稳定性和系统刚度，降低径向振动的干扰。
在另一个具体的实施例中，多个螺旋槽10关于第一级变幅杆9的中心轴线两两对称。螺旋槽10的数量设置为偶数，使多个螺旋槽10中的没两个螺旋槽10是关于第一级变幅杆9的中心轴线对称的，能够使切向力均匀分布，提高运行稳定性。
在另一个具体的实施例中，与第一级变幅杆9相连的第二级变幅杆包括大圆柱段13和小圆柱段14，大圆柱段13与第一级变幅杆9固定连接，小圆柱段14的一端与大圆柱段13的一端相连。小圆柱段14的另一端用于连接加工工具，可使用ER夹头固定螺纹15连接加工工具。即大圆柱段13位于第一级变幅杆9与小圆柱段14之间。
具体地，第二级变幅杆采用大圆柱段13和小圆柱段14相结合的阶梯型结构，以将纵振和扭振的振幅放大，从而在变幅杆末端同时获得较大的纵向振动分量和扭转振动分量。采用阶梯型变幅杆，使得该变幅杆放大系数大于同尺寸其他种类的超声变幅杆，例如，悬链型、指数形、圆锥形等。
进一步地，第一级变幅杆9、大圆柱段13和小圆柱段14的长度之比为(5-10):(1-2):(2-4)，其具体长度根据不同材料实际计算确定。第一级变幅杆9、大圆柱段13和小圆柱段14的外径之比为(4-8):(2-3):1使第一级变幅杆9、大圆柱段13和小圆柱段14的长度和外径的相对比例都保持在合理的范围，能够促进超声振子纵振能量的转换以及对纵振能量的传递效果，增强振子纵振能量转化效率，减小应力集中，提高装置稳定性。
例如，将第一级变幅杆9、大圆柱段13和小圆柱段14的长度之比设定为6:1:2，第一级变幅杆9、大圆柱段13和小圆柱段14的外径之比设定为4:2:1，能够更进一步提高变幅杆对纵振能量的转化和传递效率。可以理解的是，小圆柱段14与大圆柱段13可以是一体成型；也可以是两个单独的部分，并采用螺接、焊接或铆接等方式固定。
进一步地，第二级变幅杆的长度由超声振动四分之一波长设计长度所决定，其设计满足频率方程：
k2为第二级变幅杆所用材料的圆波数，l2为大圆柱段的长度、l3为小圆柱段的长度、S2为大圆柱段沿径向截面的截面积、S3为小圆柱段沿径向截面的截面积。
在另一个具体的实施例中，大圆柱段13的长度与大圆柱段13的外径之比可保持在(1-2)：1。
在另一个具体的实施例中，小圆柱段14的长度与小圆柱段14的外径之比可保持在(3-5):1。
使大圆柱段13和小圆柱段14的长度和外径分别保持在合适的范围，能够提高振幅，提高系统刚度，增加加工的稳定性。
在另一个具体的实施例中，大圆柱段13与第一级变幅杆9之间采用圆锥配合方式固定连接。在第一级变幅杆9的一端设置有内凹的圆锥孔，在大圆柱段13的一端对应的设置向外凸起的锥台结构12，并采用螺栓11连接。圆锥孔和锥台结构相配合具有定心作用，该配合可以提高连接刚度和安装精度，提高加工精度。
在另一个具体的实施例中，超声振子包括后盖板1、前盖板4和压电陶瓷片组2，且前盖板4与第一级变幅杆一体成型。后盖板1、前盖板4和压电陶瓷片组2均为中心位置具有圆孔道的柱状结构，可采用一预紧螺栓5通过该孔道将前盖板4、后盖板1和压电陶瓷片组2固定在一起。其中压电陶瓷片组2位于前盖板4和后盖板1之间，前盖板4和后盖板1一起将压电陶瓷片组2压紧。
具体地，压电陶瓷片组2中的压电陶瓷的数量为偶数，且各压电陶瓷片组2同轴设置。在相邻两片压电陶瓷之间或压电陶瓷与后盖板1之间对应设置正电极/负电极3，电极片数与压电陶瓷片数相等，且同一压电陶瓷片两侧所设电极极性相反。同时，值得注意的是，为了生产安全考虑，位于后盖板和压电陶瓷片之间的电极应设置为负极。
例如，前盖板4、后盖板1和压电陶瓷片组2均为圆环状的结构，压电陶瓷片组2的数量为两个，设置于压电陶瓷片和后盖板1之间的电极3采用圆环状的铜片电极。绝缘套筒6嵌于圆环压电陶瓷中心位置的孔道中，预紧螺栓5依次穿过后盖板1、绝缘套筒6与前盖板4，后盖板1和前盖板4将压电陶瓷片组2夹在中间，利用预紧螺栓5加载预紧力，使压电陶瓷受到压应力，不易破碎，同时降低谐振频率，降低阻抗，提高改善压电陶瓷的导热。
具体地，为避免压电陶瓷片组2/电极3与预紧螺栓5之间出现放电现象，在压电陶瓷片组2与预紧螺栓5之间设置有绝缘套筒6。也即，预紧螺栓5螺紧于绝缘套筒6内，压电陶瓷片组2套设在绝缘套筒6的外侧。
在另一个具体的实施例中，压电陶瓷片组由2或4片压电陶瓷片组成，单片压电陶瓷的厚度为4-10mm，压电陶瓷片组2的直径小于超声波在所述压电陶瓷片组中传播时波长的1/4，以保证陶瓷片不发生径向的振动。
压电陶瓷选择压电常数和机电转化系数较高且机械及介电损耗较低的锆钛酸铅(PZT8)材料，后盖板4保证能量尽量从前向传递，尽可能减小从后表面辐射，选用声阻抗率较大的材料45#钢，前盖板4保证能量有效的向前向传递和阻抗变换，选用机械性能较好且声阻抗率较小的钛合金。
在另一个具体的实施例中，在前盖板4上开设隔振槽8，隔振槽8与前盖板4同轴。并且，隔振槽8位于法兰7与第一级变幅杆9之间。
在另一个具体的实施例中，在前盖板4的外侧还设有法兰7，用于与刀柄的固定。具体地，隔振槽8的设置，减弱扭转振动向超声振子的传递，提高法兰盘安装稳定性和超声振子工作稳定性，提高装置加工精度和扭振的能量利用率。
同时，使用本装置加工时，其工艺方法如下所示：
1、将第二级变幅杆通过锥面定位，使用螺纹固定于第一级变幅杆末端；
2、将刀具通过ER夹头装夹于变幅杆末端；
3、将该加工装置通过法兰安装于刀柄上，并将电极与供电装置连接；
4、将刀柄安装于机床主轴上；
5、测量装置圆周跳动，如跳动过大，调节法兰和刀柄连接处，直至跳动误差到可接受范围；
6、设置工作电源，使其工作频率为装置最佳工作频率，观察工作情况，如工作不正常，合理调节频率和功率，直至达到正常工作状态；
7、在该装置正常工作条件下，电源输出谐振频率下的正弦电压，超声振子产生纵振，纵振传播到第一级变幅杆螺旋槽段，纵振被分解为扭转振动和纵向振动，传递到第二级变幅杆上，纵振振幅和扭振振幅得到放大，该振动传递到刀具上，刀具产生纵扭振动，进行加工。
本发明的纵扭超声振动加工装置，在中空筒状的第一级变幅杆9的筒壁上开设多个截面为四边形的螺旋槽，并通过对螺旋槽的宽度、长度、螺旋角、螺距、数量等的关联设置，能够有效提高对超声振子纵振能量的转化和传递。同时，通过对超声振子和变幅杆其他部位的改进，进一步提高其能量传递效率和装置工作稳定性。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种纵扭超声振动加工装置，其特征在于，包括超声振子和将所述超声振子提供的纵向超声振动转化为纵扭复合振动的变幅杆，所述变幅杆连接于所述超声振子的一端；
所述变幅杆包括第一级变幅杆和第二级变幅杆；所述第一级变幅杆为中空筒状，所述第二级变幅杆固定于所述第一级变幅杆一端且用于固定加工工具，所述第一级变幅杆的内径大于所述第一级变幅杆的外径的1/2，且所述第一级变幅杆的筒壁上开设有多个贯穿所述筒壁的螺旋槽；
所述螺旋槽的长度满足以下关系：
其中，l为螺旋槽的长度，p为螺距，θ为螺旋槽的螺旋角。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述螺旋槽的截面形状为四边形。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述螺旋槽的数量为四个或六个，所述螺旋槽的螺旋角为90-100°，螺距为80-120mm。
4.如权利要求1或3所述的装置，其特征在于，所述螺旋槽的宽度满足以下关系：
其中，b为螺旋槽的宽度，R为第一级变幅杆的外径，r为第一级变幅杆的内径，p为螺距，n为螺旋槽的数量。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，多个所述螺旋槽关于所述第一级变幅杆的中心轴线两两对称。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第二级变幅杆包括固定于所述第一级变幅杆一端的大圆柱段和固定于所述大圆柱段一端的小圆柱段，所述第一级变幅杆、所述大圆柱段和所述小圆柱段的长度之比为(5-10):(1-2):(2-4)；所述第一级变幅杆、所述大圆柱段和所述小圆柱段的外径之比为(4-8):(2-3):1。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，
所述超声振子包括与所述第一级变幅杆一体成型的前盖板，所述前盖板的侧方同轴设置有压电陶瓷片组和后盖板，所述前盖板、压电陶瓷片组和后盖板的中心位置对应开设有孔道，一预紧螺栓通过所述孔道将所述后盖板和压电陶瓷片组固定于所述前盖板上。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述压电陶瓷片组由2或4片压电陶瓷片组成，压电陶瓷片的厚度为4-10mm；所述压电陶瓷片组的直径小于超声波在所述压电陶瓷片组中传播时波长的1/4。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一级变幅杆上靠近所述超声振子的端部开设有与所述第一级变幅杆同轴的隔振槽。
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