CN109176167A - 基于局部共振理论的超声平面磨削方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于局部共振理论的超声平面磨削方法及系统，包括反射端、压电陶瓷片、铜电极、变幅杆、砂轮盘、预应力螺栓和压紧螺帽。所述预应力螺栓、反射端、压电陶瓷片、和变幅杆组成子系统A,所述砂轮盘作为子系统B，所述变幅杆输出端面积与所述砂轮盘接收端面积之比小于10%，所述子系统A及系统B利用局部共振理论分别设计。整个系统设计完成后能以砂轮盘的固有频率发生局部共振，激振频率调为砂轮盘固有频率附近时即可实现超声辅助下的平面磨削加工，将预应力螺栓、变幅杆开设中空冷却通道，使加工系统进行中空冷却，便于切削排出并减小系统温升。
Description
技术领域：
本发明涉及一种超声振动磨削系统，特别是涉及一种基于局部共振理论的超声平面磨削方法及系统。
背景技术：
超声振动加工是在普通切削、磨削、钻削等加工方法的基础上对刀具或工件施以高频振动而形成的加工技术。其应用越来越广，辅助加工种类越来越多。
对于振动系统的设计方法繁多，当前大多采用全谐振理论进行设计，若工具负载较小时，将其看做质量负载，利用等效质量法进行全谐振设计可取得较好设计效果；而对于大负载刀具，如超声平面磨削中的砂轮盘，等效质量法不再适用。变幅杆大小受刀柄尺寸的限制，砂轮盘大小由实际加工决定，相对于由刀柄尺寸限制的变幅杆来说，砂轮盘的负载较大，采用全谐振理论设计步骤繁琐，频率方程极其复杂且难以求解，而且采用全谐振求解出来的砂轮盘尺寸值未必满足加工要求。对于大负载下的超声振动磨削系统来说，当前急需一种较为简便的设计方法且设计结果能满足加工要求。
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，提供一种基于局部共振理论设计的且能根据加工要求确定砂轮盘直径的基于局部共振理论的超声平面磨削方法及系统。
本发明的技术方案是：
一种基于局部共振理论的超声平面磨削方法，包括以下步骤：
（1）.将整个平面磨削系统分为两个子系统A、B，子系统A为一体式超声变幅系统，子系统B为砂轮系统，子系统A中变幅杆输出端面积与子系统B中砂轮盘接收端面积之比小于10%，两系统经螺纹连接并进行单独设计；
（2）.根据实际加工时对子系统A的要求，确定变幅杆和反射端材料以及压电陶瓷片型号，并用全谐振理论确定子系统A的长度；通过预应力螺栓将反射端、压电陶瓷片、铜电极和变幅杆连接在一起，压电陶瓷片外侧连接有电极片；
（3）.根据实际加工时对子系统B的要求,确定砂轮盘形状及材料，砂轮盘直径大小改变，子系统B的固有频率也随之改变，将砂轮盘直径值作为设计变量；
（4）.推导子系统A的位移方程及应力应变方程,进而确定子系统A输出端所受力的大小，力值与位移值可确定子系统A在连接处的位移阻抗值，以此作为边界条件一；子系统B即砂轮盘在不同直径下具有不同的谐振频率值，将直径值作为设计变量，根据设计要求确定砂轮振动状态，砂轮盘可为纵径谐振或纵弯谐振，推导其位移方程及应力应变方程或弯矩方程，同样可确定子系统B输入端的位移阻抗，以此作为边界条件二；此时子系统B的阻抗表达式中包含两个变量，砂轮盘的直径值及固有频率值，且两者具有确定的对应关系，以此作为边界条件三；由发生局部共振时两系统连接处的位移阻抗和为零，结合上述边界条件进而确定砂轮盘的直径大小；
（5）.整个系统设计完成后能以砂轮盘的固有频率发生局部共振，激振频率调为砂轮盘固有频率附近时即可实现超声辅助下的平面磨削加工，将预应力螺栓、变幅杆开设中空冷却通道，使加工系统进行中空冷却，便于切削排出并减小系统温升。
超声变幅系统中变幅杆、压电陶瓷片、反射端采用一体式设计，通过预应力螺栓相连，使变幅杆替代了传统换能器中的前盖板，减小了变幅子系统A的整体尺寸，子系统A设计完成后需老化处理，以提高稳定性。
变幅杆的输出端设有一段螺纹柱，砂轮盘的中心处设有与螺纹柱直径相匹配的通孔，砂轮盘末端镀有满足加工要求的磨粒且砂轮盘根据实际加工情况设计为杯形、碟形多种形式，螺纹柱由通孔穿过砂轮盘并与压紧螺帽相连，从而使子系统A与子系统B相耦合；砂轮盘做镂空处理，即将砂轮盘局部进行切除，改为腹板型砂轮；砂轮盘输出端为一平面，可在输出端面上开设端面槽，进一步增强切屑的排出。
相邻两个压电陶瓷片的接触面极性相同，中间设有电极片，压电陶瓷片采用两片或四片；由于逆压电效应的存在，受到电压激励后压电陶瓷片产生形变，并将振动向两端传递；变幅杆形状采用直形或锥形，变幅杆上开设螺旋槽，螺旋槽个数为两个或四个多种形式。
反射端前后端面、预应力螺栓与反射端接触面、变幅杆与压电陶瓷片接触面、变幅杆与砂轮盘接触面、预应力螺帽和砂轮盘接触面，均需要精密研磨，以使声波有效传递、减小系统温升、提高传输效率；变幅杆在节点位置处设有法兰盘，法兰盘上开设隔振槽，隔振槽底部穿过法兰盘中间平面，以减小法兰盘振动，提高加工精度。
一种基于局部共振理论的超声平面磨削系统，包括反射端、压电陶瓷片、铜电极、变幅杆、砂轮盘、预应力螺栓和压紧螺帽，所述预应力螺栓、反射端、压电陶瓷片、铜电极和变幅杆组成子系统A,所述砂轮盘作为子系统B，所述变幅杆输出端面积与所述砂轮盘接收端面积之比小于10%，所述子系统A及子系统B利用局部共振理论分别设计，子系统A和子系统B通过所述预应力螺栓和压紧螺帽固定在一起，整个系统能以砂轮盘的固有频率发生局部共振，从而实现局部共振状态下的超声平面磨削。
所述超声变幅子系统A中变幅杆、压电陶瓷片、反射端采用一体式设计，通过预应力螺栓相连，使变幅杆替代了传统换能器中的前盖板，减小了变幅子系统A的整体尺寸；所述子系统A设计完成后需老化处理，以提高稳定性；所述变幅杆形状可采用直形或锥形，变幅杆上可开设螺旋槽，所述螺旋槽个数为两个或四个多种形式。
所述变幅杆的输出端设有一段螺纹柱，砂轮盘的中心处设有与螺纹柱直径相匹配的通孔，砂轮盘末端镀有满足加工要求的磨粒且砂轮盘可根据实际加工情况设计为杯形、碟形等多种形式，螺纹柱由通孔穿过砂轮盘并与压紧螺帽相连，从而使子系统A与子系统B相耦合；所述砂轮盘形状为杯形或碟形，输出端为一平面；所述砂轮盘可做镂空处理，即将砂轮盘局部进行切除，改为腹板型砂轮。
相邻两个所述压电陶瓷片的接触面极性相同，中间设有电极片，所述压电陶瓷片可用两片或四片；由于逆压电效应的存在，受到电压激励后压电陶瓷片产生形变，并将振动向两端传递。
所述反射端前后端面、预应力螺栓与反射端接触面、变幅杆与压电陶瓷片接触面、变幅杆与砂轮盘接触面、预应力螺帽和砂轮盘接触面，均需要精密研磨，以使声波有效传递、减小系统温升、提高传输效率；所述变幅杆在节点位置处设有法兰盘，所述法兰盘开设隔振槽，所述隔振槽底部穿过法兰盘中间平面，以减小法兰盘振动，提高加工精度。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用局部共振理论分别对振动子系统进行单独设计，设计值由加工条件所确定，避免了全谐振设计时复杂繁琐的求解过程和砂轮盘的直径或厚度未必能达到加工要求的问题。
2、本发明将反射端、压电陶瓷片和变幅杆进行整体设计，将变幅杆取代传统设计中换能器的前盖板，减小了传统变幅系统的整体尺寸，变幅系统可放置于尺寸较小的刀柄中，扩大了超声振动加工的应用范围。
3、本发明在法兰盘上开设隔振孔或隔振槽可明显降低法兰盘的振动情况，因法兰盘与机床上的刀柄相连，故避免机床发生颤振，提高加工质量。
4、本发明砂轮盘的振动模态可根据加工要求确定为纵径谐振或纵弯谐振，以实现多维超声振动磨削，进一步发挥超声加工的优势。
5、本发明提出的设计方法不仅适用于超声平面磨削系统，对于其他不同方式的超声振动系统同样适用，仅需改变相应子系统的边界条件即可进行局部共振设计，为超声振动加工系统的设计提供了新的方法，且对大负载及小负载工具均具有通用性。
6、本发明采用中空冷却方式以及使用镂空砂轮，可减小系统温升，提高系统稳定性，亦可便于切削排出。
附图说明：
图1为基于局部共振理论的超声平面磨削系统的结构示意图；
图2为镂空杯型砂轮的结构示意图；
图3为图2所示镂空杯型砂轮的剖视图；
图4为基于局部共振理论的超声平面磨削系统的示意图（非中空杯形砂轮）；
图5为基于局部共振理论的超声平面磨削系统的示意图（非中空碟型砂轮）；
图6为碟形砂轮的结构示意图；
图7为图6所示碟形砂轮的剖视图；
图8为圆锥形超声变幅系统结构示意图；
图9为直杆形超声变幅系统的结构示意图；
图10为螺旋槽形超声变幅系统结构示意图。
具体实施方式：
实施例：参见图1-图10，图中，1-预应力螺栓，2-反射端，3-铜电极片，4-压电陶瓷片，5-法兰盘，6-变幅杆，7-砂轮盘，8-端面槽，9-压紧螺帽，10-中空冷却通道，11-隔振槽，12-减材孔,13-螺纹柱。
基于局部共振理论的超声平面磨削系统，包括预应力螺栓1、反射端2、铜电极3、压电陶瓷片4、变幅杆6、砂轮盘7和压紧螺帽9，预应力螺栓1、反射端2、压电陶瓷片4、和变幅杆6组成子系统A,砂轮盘7作为子系统B，变幅杆6输出端面积与砂轮盘7之比小于10%，子系统A及子系统B利用局部共振理论分别设计，压电陶瓷片4外侧连接有电极片3，压电陶瓷片4可用两片或四片，变幅杆6形状可采用直形或锥形，变幅杆6上可开设螺旋槽，螺旋槽个数可为2个或4个等多种形式；变幅杆6输出端为一平面，可在砂轮盘7输出端面上开设端面槽8。整个系统设计完成后能以砂轮盘7的固有频率发生局部共振，从而实现局部共振状态下的超声平面磨削。
超声变幅子系统A中变幅杆6、压电陶瓷片4、反射端5采用一体式设计，通过预应力螺栓1相连，即将超声换能器和变幅杆6进行整体设计。使变幅杆6替代了传统换能器中的前盖板，减小了变幅子系统A的整体尺寸。子系统A设计完成后需老化处理，以提高稳定性。
变幅杆6的输出端设有一段螺纹柱13，砂轮盘7的中心处设有与螺纹柱13直径相匹配的通孔，砂轮盘7末端镀有满足加工要求的磨粒且砂轮盘可根据实际加工情况设计为杯形、碟形等多种形式，也可进行镂空处理，螺纹柱13由通孔穿过砂轮盘7并与压紧螺帽9相连，从而使子系统A与子系统B相耦合。
压电陶瓷片的排列顺序与夹心式换能器中压电陶瓷堆的排列顺序相同，即相邻两个压电陶瓷片的接触面极性相同，中间设有电极片，压电陶瓷片可用两片或四片。由于逆压电效应的存在，受到电压激励后压电陶瓷片产生形变，并将振动向两端传递。
反射端2前后端面、预应力螺栓1与反射端2接触面、变幅杆6与压电陶瓷片4接触面、变幅杆6与砂轮盘7接触面、预应力螺帽9和砂轮盘7接触面，均需要精密研磨，以使声波有效传递、减小系统温升、提高传输效率。变幅杆6在节点位置处设有法兰盘5，法兰盘5开设隔振槽11。隔振槽11底部穿过法兰盘中间平面，以减小法兰盘5的振动，提高加工精度。
基于局部共振理论的超声平面磨削方法，包括以下步骤：
（1）.将整个平面磨削系统分为两个子系统A、B，子系统A为一体式超声变幅系统，子系统B为砂轮系统，变幅杆6输出端面积与砂轮盘7接收端面积之比小于10%，两系统经螺纹连接并进行单独设计；
（2）.根据实际加工时对子系统A的要求，确定变幅杆6和反射端2材料以及压电陶瓷片4型号，并用全谐振理论确定子系统A的长度。通过预应力螺栓1将反射端2、压电陶瓷片4、铜电极3和变幅杆6连接在一起，压电陶瓷片4外侧连接有电极片3，压电陶瓷片4可用两片或四片，变幅杆6形状可采用直形或锥形，变幅杆6上可开设螺旋槽，螺旋槽个数可为两个或四个等多种形式；
（3）.根据实际加工时对系统B的要求,确定砂轮盘7形状及材料，其形状可为杯形或碟形等形式，砂轮盘7可做镂空处理，即将砂轮盘7局部进行切除形成减材孔12。砂轮盘7输出端为一平面，可在输出端面上开设端面槽8。砂轮盘直径大小改变，子系统B的固有频率也随之改变，将直径值作为设计变量；
（4）.推导子系统A的位移方程及应力应变方程,进而确定子系统A输出端所受力的大小，力值与位移值可确定子系统A在连接处的位移阻抗值，以此作为边界条件一；子系统B即砂轮盘7在不同直径下具有不同的谐振频率值，将直径值作为设计变量，根据设计要求确定砂轮振动状态，砂轮盘7可为纵径谐振或纵弯谐振，推导其位移方程及应力应变方程或弯矩方程，同样可确定子系统B输入端的位移阻抗，以此作为边界条件二；此时子系统B的阻抗表达式中包含两个变量，砂轮盘7的直径值及固有频率值，且两者具有确定的对应关系，以此作为边界条件三；由发生局部共振时两系统连接处的位移阻抗和为零，结合上述边界条件进而确定砂轮盘的直径大小；
（5）.整个系统设计完成后能以砂轮盘7的固有频率发生局部共振。激振频率调为砂轮盘7固有频率附近时即可实现超声辅助下的平面磨削加工。可将预应力螺栓1、变幅杆6开设通孔，使加工系统可进行中空冷却，便于排出切削并减小系统温升。
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 (10)
1.一种基于局部共振理论的超声平面磨削方法，包括以下步骤：
.将整个平面磨削系统分为两个子系统A、B，子系统A为一体式超声变幅系统，子系统B为砂轮系统，子系统A中变幅杆输出端面积与子系统B中砂轮盘接收端面积之比小于10%，两系统经螺纹连接并进行单独设计；
.根据实际加工时对子系统A的要求，确定变幅杆和反射端材料以及压电陶瓷片型号，并用全谐振理论确定子系统A的长度；通过预应力螺栓将反射端、压电陶瓷片、铜电极和变幅杆连接在一起，压电陶瓷片外侧连接有电极片；
.根据实际加工时对子系统B的要求,确定砂轮盘形状及材料，砂轮盘直径大小改变，子系统B的固有频率也随之改变，将砂轮盘直径值作为设计变量；
.推导子系统A的位移方程及应力应变方程,进而确定子系统A输出端所受力的大小，力值与位移值可确定子系统A在连接处的位移阻抗值，以此作为边界条件一；子系统B即砂轮盘在不同直径下具有不同的谐振频率值，将直径值作为设计变量，根据设计要求确定砂轮振动状态，砂轮盘可为纵径谐振或纵弯谐振，推导其位移方程及应力应变方程或弯矩方程，同样可确定子系统B输入端的位移阻抗，以此作为边界条件二；此时子系统B的阻抗表达式中包含两个变量，砂轮盘的直径值及固有频率值，且两者具有确定的对应关系，以此作为边界条件三；由发生局部共振时两系统连接处的位移阻抗和为零，结合上述边界条件进而确定砂轮盘的直径大小；
.整个系统设计完成后能以砂轮盘的固有频率发生局部共振，激振频率调为砂轮盘固有频率附近时即可实现超声辅助下的平面磨削加工，将预应力螺栓、变幅杆开设中空冷却通道，使加工系统进行中空冷却，便于切削排出并减小系统温升。
2.根据权利要求1所述的基于局部共振理论的超声平面磨削方法，其特征是：超声变幅系统中变幅杆、压电陶瓷片、反射端采用一体式设计，通过预应力螺栓相连，使变幅杆替代了传统换能器中的前盖板，减小了变幅子系统A的整体尺寸，子系统A设计完成后需老化处理，以提高稳定性。
3.根据权利要求1所述的基于局部共振原理的超声平面磨削方法，其特征是：变幅杆的输出端设有一段螺纹柱，砂轮盘的中心处设有与螺纹柱直径相匹配的通孔，砂轮盘末端镀有满足加工要求的磨粒且砂轮盘根据实际加工情况设计为杯形、碟形多种形式，螺纹柱由通孔穿过砂轮盘并与压紧螺帽相连，从而使子系统A与子系统B相耦合；砂轮盘做镂空处理，即将砂轮盘局部进行切除，改为腹板型砂轮；砂轮盘输出端为一平面，可在输出端面上开设端面槽，进一步增强切屑的排出。
4.根据权利要求1所述的基于局部共振理论的超声平面磨削方法，其特征是：相邻两个压电陶瓷片的接触面极性相同，中间设有电极片，压电陶瓷片采用两片或四片；由于逆压电效应的存在，受到电压激励后压电陶瓷片产生形变，并将振动向两端传递；变幅杆形状采用直形或锥形，变幅杆上开设螺旋槽，螺旋槽个数为两个或四个多种形式。
5.根据权利要求1所述的基于局部共振理论的超声平面磨削方法，其特征是：反射端前后端面、预应力螺栓与反射端接触面、变幅杆与压电陶瓷片接触面、变幅杆与砂轮盘接触面、预应力螺帽和砂轮盘接触面，均需要精密研磨，以使声波有效传递、减小系统温升、提高传输效率；变幅杆在节点位置处设有法兰盘，法兰盘上开设隔振槽，隔振槽底部穿过法兰盘中间平面，以减小法兰盘振动，提高加工精度。
6.一种基于局部共振理论的超声平面磨削系统，包括反射端、压电陶瓷片、铜电极、变幅杆、砂轮盘、预应力螺栓和压紧螺帽，其特征是：所述预应力螺栓、反射端、压电陶瓷片、铜电极和变幅杆组成子系统A,所述砂轮盘作为子系统B，所述变幅杆输出端面积与所述砂轮盘接收端面积之比小于10%，所述子系统A及子系统B利用局部共振理论分别设计，子系统A和子系统B通过所述预应力螺栓和压紧螺帽固定在一起，整个系统能以砂轮盘的固有频率发生局部共振，从而实现局部共振状态下的超声平面磨削。
7.根据权利要求6所述的基于局部共振理论的超声平面磨削系统，其特征是：所述超声变幅子系统A中变幅杆、压电陶瓷片、反射端采用一体式设计，通过预应力螺栓相连，使变幅杆替代了传统换能器中的前盖板，减小了变幅子系统A的整体尺寸；所述子系统A设计完成后需老化处理，以提高稳定性；所述变幅杆形状可采用直形或锥形，变幅杆上可开设螺旋槽，所述螺旋槽个数为两个或四个多种形式。
8.根据权利要求6所述的基于局部共振理论的超声平面磨削系统，其特征是：所述变幅杆的输出端设有一段螺纹柱，砂轮盘的中心处设有与螺纹柱直径相匹配的通孔，砂轮盘末端镀有满足加工要求的磨粒且砂轮盘可根据实际加工情况设计为杯形、碟形等多种形式，螺纹柱由通孔穿过砂轮盘并与压紧螺帽相连，从而使子系统A与子系统B相耦合；所述砂轮盘形状为杯形或碟形，输出端为一平面；所述砂轮盘可做镂空处理，即将砂轮盘局部进行切除，改为腹板型砂轮。
9.根据权利要求6所述的基于局部共振理论的超声平面磨削系统，其特征是：相邻两个所述压电陶瓷片的接触面极性相同，中间设有电极片，所述压电陶瓷片可用两片或四片；由于逆压电效应的存在，受到电压激励后压电陶瓷片产生形变，并将振动向两端传递。
10.根据权利要求6所述的基于局部共振理论的超声平面磨削系统，其特征是：所述反射端前后端面、预应力螺栓与反射端接触面、变幅杆与压电陶瓷片接触面、变幅杆与砂轮盘接触面、预应力螺帽和砂轮盘接触面，均需要精密研磨，以使声波有效传递、减小系统温升、提高传输效率；所述变幅杆在节点位置处设有法兰盘，所述法兰盘开设隔振槽，所述隔振槽底部穿过法兰盘中间平面，以减小法兰盘振动，提高加工精度。
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