CN109175415B - 纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型纵‑弯复合空间椭圆振动的超声车削方法及装置，其所述变幅器设置一个小端和三个大端，其中，第一大端和小端处于水平方向且均与变幅器主体同轴，另两个大端沿变幅器径向分布且互相垂直，所述三个大端上分别设置一组反射端、压电陶瓷片和铜电极；所述小端作为发射端，并且在其外端部中心设置刀具。本发明三组陶瓷片分别在超声波发生器高频电信号的激励下产生互相垂直的纵向振动，经变幅器特殊结构将第二、第三大端处两组纵向振动力F1、F2复合，其中水平方向的力F1X、F2X大小相等方向相反相互抵消，竖直方向的振动方向相同复合得到力FY与第一大端处产生的振动力叠加，在输出端得到纵‑弯复合振动。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声振动加工设备，特别是涉及一种纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削方法及装置。
背景技术
随着科学技术的不断发展和进步，越来越多硬脆材料得到广泛的应用，由于该类材料较差的机械加工性，对加工技术提出了更高的要求。超声振动切削技术的发展和成熟，给此类材料的广泛应用带来新的希望。然而将一维超声振动应用于加工硬质合金材料时，刀具的高频振动会使得刀具后刀面和已加工表面挤压摩擦，刀具的薄弱部位很快破损。
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、纵-弯复合振动效果好且有效提高超声加工系统弯曲振动输出分量的纵-弯复合空间椭圆振动超声车削方法及装置。
本发明的技术方案是：
一种纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削方法，包括以下步骤：
a、将变幅器设计为一个小端和三个大端，其中，第一大端和小端处于水平方向且均与变幅器主体同轴，第二大端和第三大端沿变幅器径向分布且互相垂直，在三个大端上分别设置一组反射端、压电陶瓷片和铜电极；
b、将所述小端作为发射端，并且在其外端部中心设置刀具，三组陶瓷片分别在超声波发生器高频电信号的激励下产生互相垂直的纵向振动，经变幅器特殊结构将第二大端和第三大端处两组振动复合，其中水平方向大小相等方向相反的振动相互抵消，竖直方向的振动与第一大端处产生的振动叠加，在输出端得到纵-弯复合振动，刀具的刀尖运动轨迹为空间椭圆；
c、根据加工要求不同，分别控制三组输入压电陶瓷片的激励信号，从而控制以纵振或者纵-弯复合振动状态工作。
第二大端和第三大端的参数包括距第一大端的水平距离、高度、直径和倾角，通过调整上述参数得到最佳纵-弯分量比。变幅器的前端结构是锥形、柱形或悬链线形；根据加工需要，刀具为车刀或镗刀。
在每个大端上均设置一个法兰盘，并且，每一法兰盘的中心设置一个螺纹孔，三个法兰盘通过固定架连接在一起，在固定架上设置固定板，能够安装在机床上。
一种纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削装置，包括反射端、压电陶瓷片、铜电极和变幅器，所述变幅器设置一个小端和三个大端，其中，第一大端和小端处于水平方向且均与变幅器主体同轴，第二大端和第三大端沿变幅器径向分布且互相垂直，所述三个大端上分别设置一组反射端、压电陶瓷片和铜电极；所述小端作为发射端，并且在其外端部中心设置刀具，三组陶瓷片分别在超声波发生器高频电信号的激励下产生互相垂直的纵向振动，经变幅器特殊结构将第二大端和第三大端处两组振动复合，其中水平方向大小相等方向相反的振动相互抵消，竖直方向的振动与第一大端处产生的振动叠加，在输出端得到纵-弯复合振动，刀具的刀尖运动轨迹为空间椭圆。
每个所述大端上均设置一个法兰盘，并且，每一所述法兰盘的中心设置一个螺纹孔，三个所述法兰盘通过固定架连接在一起，所述固定架上设置固定板，所述固定板上设施有安装孔能够安装在机床上；三组所述反射端、压电陶瓷片和铜电极分别通过连接螺栓串接在一起，并且，所述连接螺栓的内端与所述螺纹孔旋合连接。
每组所述反射端、压电陶瓷片和铜电极中包括四个压电陶瓷片和四个铜电极，二者间隔交错分布，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。
所述变幅器的小端截面形状根据不同使用场景为圆形或者矩形，所述刀具为车刀或镗刀。
所述压电陶瓷片预应力为3000-3500N/cm2，根据压电陶瓷片的面积和连接螺栓的横截面积计算预紧力，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。
本发明的有益效果是：
1、本发明三组陶瓷片分别在超声波发生器高频电信号的激励下产生互相垂直的纵向振动，经变幅器特殊结构将第二、第三大端处两组纵向振动力F1、F2复合，其中水平方向的力F1X、F2X大小相等方向相反相互抵消，竖直方向的振动方向相同复合得到力FY与第一大端处产生的振动力叠加，在输出端得到纵-弯复合振动。
2、本发明对换能器部分进行一体式设计，在保证良好的模态叠加效果的情况下可减少超声波传递、叠加过程中的损失，确保在发射端获得理想的振幅。
3、本发明变幅器通过法兰与固定架连接，固定架凸台上设有螺栓孔可以方便与机床连接，拆装方便；另外，三组压电陶瓷片同时工作，确保输出的纵-弯复合振动有足够的能量，可以用于对输出功率要求较高的加工场合。
4、本发明设计合理，特殊的变幅器结构能够在输出端得到纵-弯分量比较大的空间椭圆振动，有利于减小车削过程中的切削力，减少切削热，从而提高加工质量，具有输出振幅大、纵-弯分量比大等优点，易于推广实施，具有良好的经济效益。
附图说明
图1为纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削装置的结构图之一；
图2为图1中纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削装置的俯视图；
图3为图1中变幅器的正视局部剖视图；
图4为图1中变幅器的右视局部剖视图；
图5为纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削装置的结构图之二；
图6为图1中超声车削装置产生弯振的受力示意图；
图7为纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削装置的结构图之三。
具体实施方式
实施例：参见图1-图7，图中，1-连接螺栓，2-反射端，3-压电陶瓷片，4-电极片，5-法兰盘，6-变幅器，7-固定架，8-固定螺栓，9-固定板，10-安装孔，11-车刀固定螺钉，12-车刀，13-内螺纹孔，14-第一大端，15-第二大端，16-内螺纹孔，17-内螺纹孔，18-第三大端，19-镗刀固定螺栓，20-镗刀，21-矩形截面变幅器。
纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削装置，主要由反射端2、压电陶瓷片3、电极片4、变幅器6和车刀12等部分组成。其中：变幅器6有三个大端，第一大端14与变幅器6主体同轴，第二大端15第三大端18沿变幅器6径向分布且互相垂直。在三个大端处分别利用连接螺栓1将反射端2、压电陶瓷片3、电极片4及变幅器6连接在一起。三组陶瓷片分别在超声波发生器高频电信号的激励下产生互相垂直的纵向振动，经变幅器6特殊结构将第二大端15和第三大端18处两组振动力F1、F2复合。其中水平方向大小相等方向相反的振动力F1X、F2X相互抵消，竖直方向的振动力方向相同合力FY与第一大端14处产生的振动力叠加，在输出端得到纵-弯复合振动，此时刀尖运动轨迹为空间椭圆。
车刀12装在发射端的中心位置（图1所示），在刀尖处不仅可以获得较大的纵-弯复合振动，同时弯振方向与主切削力一致。修改刀具接口可以安装镗刀20（图5所示），用于超声镗孔。
变幅器6前端结构可以是锥形、柱形、悬链线形等多种形式，第二大端15和第三大端18的参数包括距第一大端14距离、高度、直径、倾角等，通过调整上述参数可以得到最佳纵-弯分量比。变幅器6根据加工需求还可以是矩形截面变幅器21（图7所示）。
根据加工要求不同，可以分别控制三组输入压电陶瓷片3的激励信号，从而控制以纵振、弯振或者纵-弯复合振动状态工作。
压电陶瓷片3预应力为3000-3500N/cm2，根据压电陶瓷片3的面积和连接螺栓1的横截面积计算预紧力，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。
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 (4)
1.一种纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削装置，包括反射端、压电陶瓷片、铜电极和变幅器，其特征是：所述变幅器设置一个小端和三个大端，其中，第一大端和小端处于水平方向且均与变幅器主体同轴，第二大端和第三大端沿变幅器径向分布且互相垂直，所述三个大端上分别设置一组反射端、压电陶瓷片和铜电极；所述小端作为发射端，并且在其外端部中心设置刀具，三组压电陶瓷片分别在超声波发生器高频电信号的激励下产生互相垂直的纵向振动，经变幅器将第二大端和第三大端处两组振动复合，其中水平方向大小相等方向相反的振动相互抵消，竖直方向的振动与第一大端处产生的振动叠加，在输出端得到纵-弯复合振动，刀具的刀尖运动轨迹为空间椭圆；变幅器的前端结构是锥形、柱形或悬链线形；
每个所述大端上均设置一个法兰盘，并且，每一所述法兰盘的中心设置一个螺纹孔，三个所述法兰盘通过固定架连接在一起，所述固定架上设置固定板，所述固定板上设施有安装孔能够安装在机床上；三组所述反射端、压电陶瓷片和铜电极分别通过连接螺栓串接在一起，并且，所述连接螺栓的内端与所述螺纹孔旋合连接；
所述压电陶瓷片预应力为3000-3500N/cm 2，根据压电陶瓷片的面积和连接螺栓的横截面积计算预应力，并通过测力矩扳手施加预应力，进一步保证接触面间紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削装置，其特征是：每组所述反射端、压电陶瓷片和铜电极中包括四个压电陶瓷片和四个铜电极，二者间隔交错分布，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。
3.根据权利要求1所述的纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削装置，其特征是：所述变幅器的小端截面形状根据不同使用场景为圆形或者矩形，所述刀具为车刀或镗刀。
4.一种利用权利要求1-3任一所述纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削装置的一种纵-弯复合空间椭圆振动的超声车削方法，包括以下步骤：
a、将变幅器设计为一个小端和三个大端，其中，第一大端和小端处于水平方向且均与变幅器主体同轴，第二大端和第三大端沿变幅器径向分布且互相垂直，在三个大端上分别设置一组反射端、压电陶瓷片和铜电极；
b、将所述小端作为发射端，并且在其外端部中心设置刀具，三组压电陶瓷片分别在超声波发生器高频电信号的激励下产生互相垂直的纵向振动，经变幅器将第二大端和第三大端处两组振动复合，其中水平方向大小相等方向相反的振动相互抵消，竖直方向的振动与第一大端处产生的振动叠加，在输出端得到纵-弯复合振动，刀具的刀尖运动轨迹为空间椭圆；
c、根据加工要求不同，分别控制三组输入压电陶瓷片的激励信号，从而控制以纵振或者纵-弯复合振动状态工作；
第二大端和第三大端的参数包括距第一大端的水平距离、高度、直径和倾角，通过调整上述参数得到最佳纵-弯分量比。
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