CN108970955A - 孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种孔式模态叠加纵‑扭复合超声振动加工方法及装置，其变幅器是阶梯型变幅杆与锥形变幅杆结合而成的圆锥过渡阶梯型复合变幅器，结构尺寸满足“四分之一波长”设计要求，所述变幅器的圆柱过渡段上开设第一系列螺旋孔，所述变幅器的发射端开设第二系列螺旋孔，利用连接螺栓将所述反射端、压电陶瓷片、铜电极及变幅器连接在一起，所述变幅器产生的纵向振动经所述第一系列螺旋孔后，转换为频率相同且有一定相位差的纵‑扭复合振动，该纵‑扭复合振动经所述第二系列螺旋孔后，在刀具的径向实现模态叠加式的纵‑扭复合振动的输出，这不仅可提供稳定、可控的振动，且有效提高超声加工系统的扭转振动分量。
Description
技术领域：
本发明涉及一种超声振动加工设备，特别是涉及一种孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工方法及装置。
背景技术：
随着现代产品中硬脆材料所占比例越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高，纵-扭超声加工技术在硬脆材料加工中展现出切削力大幅度减小；加工精度明显提高；有效抑制毛刺产生等独特优势得到了广泛的关注。但是，现有的纵-扭复合变幅杆存在制作工艺复杂，加工成本高，扭转分量占比低等缺点，阻碍了纵-扭超声加工技术的应用与推广。为此提出一种孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工装置，以较低的成本和加工难度实现较高的扭转分量占比。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设计合理、减小占用空间、制造成本低、纵-扭复合振动效果好且有效提高超声加工系统扭转振动分量的孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工方法及装置。
本发明的技术方案是：
一种孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工方法，包括以下步骤：
a、将变幅器设计为阶梯型变幅杆与锥形变幅杆结合而成的圆锥过渡阶梯型复合变幅器，其结构尺寸满足“四分之一波长”设计要求；
b、在变幅器的圆柱过渡段上开设第一系列螺旋孔，同时在变幅器的发射端开设第二系列螺旋孔，在第一系列螺旋孔以及第二系列螺旋孔之间的圆锥过渡面上设置法兰盘；
c、在变幅器开有中心通孔且大端处开设内螺纹孔，利用连接螺栓将反射端、压电陶瓷片、铜电极及变幅器连接在一起；
d、换能器产生的纵向振动在变幅器中纵向惯性力F，而纵向惯性力F在遇到螺旋孔时，纵向惯性力F将分解成两部分：纵向作用力分量FL及剪切作用力分量FT，其中纵向作用力分量FL沿着变幅杆轴线方向；而剪切作用力分量FT，在截面上任一点的剪切作用力分量FT垂直于变幅杆半径的方向，由剪切作用力分量产生的总力矩是所有剪切作用力在整个截面上扭矩的积分，从而实现模态转换，由原本的纵振转换为纵-扭复合振动；
e、变幅器产生的纵向振动经第一系列螺旋孔后，转换为频率相同且有一定相位差的纵-扭复合振动，该纵-扭复合振动经第二系列螺旋孔后，在刀具的径向实现模态叠加式的纵-扭复合振动的输出。
调整螺孔的旋线与直径方向之间的夹角θ，能够改变纵波的入射角度，进而影响反射后纵向作用力分量FL与剪切作用力分量FT之间的夹角α，最终改变输出扭转振动分量M。
一种孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工装置，包括反射端、压电陶瓷片、铜电极和变幅器，所述变幅器是阶梯型变幅杆与锥形变幅杆结合而成的圆锥过渡阶梯型复合变幅器，其结构尺寸满足“四分之一波长”设计要求，所述变幅器的圆柱过渡段上开设第一系列螺旋孔，所述变幅器的发射端开设第二系列螺旋孔，所述第一系列螺旋孔以及所述第二系列螺旋孔之间的圆锥过渡面上设置法兰盘，所述变幅器开有中心通孔且大端处开设内螺纹孔，利用连接螺栓将所述反射端、压电陶瓷片、铜电极及变幅器连接在一起，所述变幅器产生的纵向振动经所述第一系列螺旋孔后，转换为频率相同且有一定相位差的纵-扭复合振动，该纵-扭复合振动经所述第二系列螺旋孔后，在刀具的径向实现模态叠加式的纵-扭复合振动的输出。
所述第一系列螺旋孔和所述第二系列螺旋孔的结构参数包括两系列螺旋孔的旋向、线数、深度、宽度以及螺旋角以及中心通孔的直径，通过模态分析可以发现调整上述结构参数来实现两系列螺旋孔间的耦合，寻找最佳耦合比，以达到最佳的纵-扭分量比。
相邻所述压电陶瓷片纵向极化方向相反，所述压电陶瓷片净化后采用专业粘合剂粘合，并进行老化处理；各接触面、圆周面进行精磨，达到粗糙度及跳动要求。
所述第一系列螺旋孔以及所述第二系列螺旋孔的旋向或斜向相同，所述第一系列螺旋孔的孔径相同或者逐渐减小，所述第二系列螺旋孔的孔径相同或者逐渐减小。
本发明的有益效果是：
1、本发明变幅器部分采用系列螺旋孔的设计，既保证良好的模态转换效果，又不必采用多坐标联动机床加工，大幅降低了制作成本，有利于纵扭复合加工技术的推广应用。
2、本发明换能器产生的纵向振动经第一系列螺旋孔后，转换为频率相同，且有一定相位差的纵-扭复合振动；该纵-扭复合振动经第二系列螺旋孔后，在刀具的径向实现模态叠加式的纵-扭复合振动的输出，可提供稳定、可控的振动。
3、本发明将阶梯型变幅杆与锥形变幅杆优势互补，形成圆锥过渡阶梯型复合变幅器，其结构尺寸满足“四分之一波长”设计要求，在保证较大放大系数同时，还保证变幅杆输出端有较高的振动振幅。
4、本发明为保证孔式模态叠加的纵-扭复合振动超声加工系统的各接触面紧密贴合，有利于超声波的传递，所有接触面及圆周面需进行精磨，保证一定的粗糙度及跳动要求。
5、本发明对换能器和变幅杆的进行整体式设计，大幅缩减了变幅系统的体积，能够适应各种空间狭小的应用场景，扩大了超声加工系统的适用范围，易于推广实施，具有良好的经济效益。
附图说明：
图1为孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工装置的剖视结构示意图；
图2为图1所示孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工装置的剖视图；
图3为孔式模态转换器工作原理示意图；
图4为孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工装置中变幅器部分的模态分析结果图，图中箭头方向代表该处的位移方向，在发射端可以观察到运动由纵向和扭转复合而成，且扭转分量较大。
具体实施方式：
实施例：参见图1-图4，图中，1-连接螺栓，2-反射端，3-铜电极，4-压电陶瓷片，5-变幅器，6-第一系列螺旋孔，7-法兰盘，8-圆锥过渡段，9-发射端，10-第二系列螺旋孔，11-内螺纹孔，12-中心通孔。
孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工装置包括反射端2、压电陶瓷片4、铜电极3和变幅器5，其中：变幅器5是阶梯型变幅杆与锥形变幅杆结合而成的圆锥过渡阶梯型复合变幅器，其结构尺寸满足“四分之一波长”设计要求，变幅器5的圆柱过渡段上开设第一系列螺旋孔6，变幅器5的发射端9开设第二系列螺旋孔10，第一系列螺旋孔6以及第二系列螺旋孔10之间的圆锥过渡面8上设置法兰盘7，变幅器5开有中心通孔12且大端处开设内螺纹孔11，利用连接螺栓1将反射端2、压电陶瓷片4、铜电极3及变幅器5连接在一起，变幅器5产生的纵向振动经第一系列螺旋孔6后，转换为频率相同且有一定相位差的纵-扭复合振动，该纵-扭复合振动经述第二系列螺旋孔10后，在刀具的径向实现模态叠加式的纵-扭复合振动的输出。
第一系列螺旋孔6和第二系列螺旋孔10的结构参数包括两系列螺旋孔的旋向、线数、深度、宽度以及螺旋角以及中心通孔的直径，通过调整上述结构参数来实现两系列螺旋孔间的耦合，寻找最佳耦合比，以达到最佳的纵-扭分量比。
相邻压电陶瓷片4纵向极化方向相反，压电陶瓷片4净化后采用专业粘合剂粘合，并进行老化处理；各接触面、圆周面进行精磨，达到粗糙度及跳动要求。
第一系列螺旋孔6以及第二系列螺旋孔10的旋向或斜向相同，第一系列螺旋孔6的孔径相同或者逐渐减小，第二系列螺旋孔10的孔径相同或者逐渐减小。
结合有限元模态分析和谐响应分析，通过修正法兰盘7的位置、大端小端长度、第一系列螺旋孔6、第二系列螺旋孔10的位置及形状等结构参数，优化几何模型，以达到提高输出振幅的目的。
压电陶瓷片4预应力为3000-3500N/cm2，根据压电陶瓷片4的面积和连接螺栓1的横截面积，计算一体式转换装置的预紧力，并通过测力矩扳手施加预紧力，进一步保证接触面间紧密贴合。
本发明换能器产生的纵向振动在变幅器中的传递大致可分为两个部分，一部分沿表层传播过程中遇到系列螺旋孔，纵波在空气介质中传播时，会发生了较大的能量损耗。故当纵波传递至系列螺旋孔时，可忽略二次折射所产生的影响，仅考虑反射纵波和反射横波。纵波产生的纵向惯性力F在遇到螺旋孔结构部分时，纵向惯性力F将分解成两部分：纵向作用力分量FL及剪切作用力分量FT，其中纵向作用力分量FL沿着变幅杆轴线方向；而剪切作用力分量FT，在截面上任一点的剪切作用力分量FT垂直于变幅杆半径的方向，由剪切作用力分量产生的总力矩是所有剪切作用力在整个截面上扭矩的积分。从而实现模态转换，由原本的纵振转换为纵-扭复合振动。调整螺旋线与直径方向之间的夹角θ可以改变纵波的入射角度，进而影响反射后纵向作用力分量FL与剪切作用力分量FT之间的夹角α，最终改变输出扭转振动分量M。另一部分沿中心传播遇到中心孔，同样忽略这部分纵波不计，再次减少了传递至发射端的纵向振动。得益于这种特殊的结构设计，超声加工系统的扭转振动分量大幅提高。
调整螺孔的旋线与直径方向之间的夹角θ，能够改变纵波的入射角度，进而影响反射后纵向作用力分量FL与剪切作用力分量FT之间的夹角α，最终改变输出扭转振动分量M。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工方法，包括以下步骤：
a、将变幅器设计为阶梯型变幅杆与锥形变幅杆结合而成的圆锥过渡阶梯型复合变幅器，其结构尺寸满足“四分之一波长”设计要求；
b、在变幅器的圆柱过渡段上开设第一系列螺旋孔，同时在变幅器的发射端开设第二系列螺旋孔，在第一系列螺旋孔以及第二系列螺旋孔之间的圆锥过渡面上设置法兰盘；
c、在变幅器开有中心通孔且大端处开设内螺纹孔，利用连接螺栓将反射端、压电陶瓷片、铜电极及变幅器连接在一起；
d、换能器产生的纵向振动在变幅器中纵向惯性力F，而纵向惯性力F在遇到螺旋孔时，纵向惯性力F将分解成两部分：纵向作用力分量FL及剪切作用力分量FT，其中纵向作用力分量FL沿着变幅杆轴线方向；而剪切作用力分量FT，在截面上任一点的剪切作用力分量FT垂直于变幅杆半径的方向，由剪切作用力分量产生的总力矩是所有剪切作用力在整个截面上扭矩的积分，从而实现模态转换，由原本的纵振转换为纵-扭复合振动；
e、变幅器产生的纵向振动经第一系列螺旋孔后，转换为频率相同且有一定相位差的纵-扭复合振动，该纵-扭复合振动经第二系列螺旋孔后，在刀具的径向实现模态叠加式的纵-扭复合振动的输出。
2.根据权利要求1所述的孔式模态叠加式纵-扭复合超声振动加工方法，其特征是：调整螺孔的旋线与直径方向之间的夹角θ，能够改变纵波的入射角度，进而影响反射后纵向作用力分量FL与剪切作用力分量FT之间的夹角α，最终改变输出扭转振动分量M。
3.根据权利要求1所述的孔式模态叠加式纵-扭复合超声振动加工方法，其特征是：第一系列螺旋孔和第二系列螺旋孔的结构参数包括两系列螺旋孔的旋向、线数、深度、宽度以及螺旋角以及中心通孔的直径，通过调整上述结构参数来实现两系列螺旋孔间的耦合，寻找最佳耦合比，以达到最佳的纵-扭分量比。
4.根据权利要求1所述的孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工方法，其特征是：相邻所述压电陶瓷片纵向极化方向相反，压电陶瓷片净化后采用专业粘合剂粘合，并进行老化处理；各接触面、圆周面进行精磨，达到粗糙度及跳动要求。
5.根据权利要求1所述的孔式模态叠加式纵-扭复合超声振动加工方法，其特征是：第一系列螺旋孔以及第二系列螺旋孔的旋向或斜向相同，第一系列螺旋孔的孔径相同或者逐渐减小，第二系列螺旋孔的孔径相同或者逐渐减小。
6.一种孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工装置，包括反射端、压电陶瓷片、铜电极和变幅器，其特征是：所述变幅器是阶梯型变幅杆与锥形变幅杆结合而成的圆锥过渡阶梯型复合变幅器，其结构尺寸满足“四分之一波长”设计要求，所述变幅器的圆柱过渡段上开设第一系列螺旋孔，所述变幅器的发射端开设第二系列螺旋孔，所述第一系列螺旋孔以及所述第二系列螺旋孔之间的圆锥过渡面上设置法兰盘，所述变幅器开有中心通孔且大端处开设内螺纹孔，利用连接螺栓将所述反射端、压电陶瓷片、铜电极及变幅器连接在一起，所述变幅器产生的纵向振动经所述第一系列螺旋孔后，转换为频率相同且有一定相位差的纵-扭复合振动，该纵-扭复合振动经所述第二系列螺旋孔后，在刀具的径向实现模态叠加式的纵-扭复合振动的输出。
7.根据权利要求6所述的孔式模态叠加式纵-扭复合超声振动加工装置，其特征是：所述第一系列螺旋孔和所述第二系列螺旋孔的结构参数包括两系列螺旋孔的旋向、线数、深度、宽度以及螺旋角以及中心通孔的直径，通过调整上述结构参数来实现两系列螺旋孔间的耦合，寻找最佳耦合比，以达到最佳的纵-扭分量比。
8.根据权利要求6所述的孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工装置，其特征是：相邻所述压电陶瓷片纵向极化方向相反，所述压电陶瓷片净化后采用专业粘合剂粘合，并进行老化处理；各接触面、圆周面进行精磨，达到粗糙度及跳动要求。
9.根据权利要求6所述的孔式模态叠加式纵-扭复合超声振动加工装置，其特征是：所述第一系列螺旋孔以及所述第二系列螺旋孔的旋向或斜向相同，所述第一系列螺旋孔的孔径相同或者逐渐减小，所述第二系列螺旋孔的孔径相同或者逐渐减小。
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