CN109226782A - 具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有扭振二次放大的双激励超声纵‑扭复合切削方法及装置，其变幅器整体呈T字形，其水平方向的一端设为小端，另一端设为第一大端，其竖直方向设为第二大端，所述第一大端和第二大端分别设置一组反射端、压电陶瓷片和铜电极,两组压电陶瓷片产生互相垂直的纵向振动，两列波在交汇处相遇叠加，产生纵‑扭复合振动。变幅器前端锥体表面开有螺旋槽或斜槽，沿表面传播的部分在遇到螺旋槽或斜槽时，在螺旋槽的作用下放大扭振。最终在输出端得到纵‑扭复合振动。本发明采用一体式设计减少了振动传递过程中的损失，T字形结构和螺旋槽或斜槽结构能够实现扭振二次放大。
Description
技术领域：
本发明涉及一种超声振动加工设备，特别是涉及一种具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削方法及装置。
背景技术：
纵-扭复合超声加工技术从诞生以来一直因为对硬脆材料良好的加工效果而受到广泛关注，应用范围不断扩大。但是常见的变幅系统输出扭振振幅较小，实际加工效果不够理想，不能充分体现纵-扭复合超声加工技术显著降低切削力，加工表面质量好的特点，阻碍了超声加工技术的进一步推广。
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、纵-扭复合振动效果好且有效提高发射端输出纵-扭分量比的新型具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削方法及装置。
本发明的技术方案是：
一种具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削方法，包括以下步骤：
a、将变幅器设计为T字形，其水平方向的一端设为小端，另一端设为第一大端，其竖直方向设为第二大端，在第一大端和第二大端分别设置一组反射端、压电陶瓷片和铜电极，变幅器的结构尺寸满足“半波长”设计要求；
b、将所述小端作为发射端，并且在其外端部中心设置刀具，两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，两列波在交汇处相遇叠加，产生纵-扭复合振动；
c、变幅器前端锥体表面开有螺旋槽或斜槽，当纵向振动沿变幅器主体的水平方向传播时，靠近中心的部分振动形式不变，沿表面传播的部分在遇到螺旋槽或斜槽时，振动产生的惯性力F被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，纵向力驱使变幅器产生纵向振动，而剪切作用力将驱使变幅器产生扭转振动；
d、设置一个框架，在框架上设置两个侧板，在每个侧板上设置一个肋板，将两个大端分别固定在两个肋板上；
e、根据加工要求不同，分别控制两组输入压电陶瓷片的激励信号，从而控制以纵振或者纵-扭复合振动状态工作。
第二大端的参数包括距第一大端的水平距离、高度、直径，螺旋槽或斜槽参数包括槽宽、槽深、螺旋角、旋向和线数，通过调整上述参数得到最佳纵-扭分量比。
变幅器的前端结构是锥形、柱形或悬链线形；根据加工需要，刀具为车刀或者镗刀。
一种具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削装置，包括反射端、压电陶瓷片、铜电极和变幅器，所述变幅器整体呈T字形，其水平方向的一端设为小端，另一端设为第一大端，其竖直方向设为第二大端，所述第一大端和第二大端分别设置一组反射端、压电陶瓷片和铜电极，所述变幅器整体尺寸按照“半波长”规律设计，所述发射端的外端部中心设置刀具，两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，两列波在交汇处相遇叠加，产生纵-扭复合振动；变幅器前端锥体表面开有螺旋槽或斜槽，沿表面传播的部分在遇到螺旋槽或斜槽时产生纵向惯性力F，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沿着变幅器轴线方向；而截面上任一点的剪切作用力分量FT垂直于变幅器半径的方向，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，在输出端得到弯-扭复合振动，实现扭振二次放大；两个大端分别固定在肋板上，所述肋板设置在框架上。
所述第一大端和第二大端的端面上分别设置一个法兰盘，并且，所述第一大端和第二大端的端面中心设置有螺纹孔，两组所述反射端、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或者两个压电陶瓷和两个铜电极，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。
所述变幅器的两个法兰通过螺栓与固结在侧板上的肋板相连，所述侧板与框架之间用螺栓连接。所述刀具固定在发射端中心处，所述刀具为车刀或者镗刀。
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、本发明采用一体式T字形结构设计，简化了换能器与变幅器之间的连接结构，并直接使相互垂直的一组振动直接叠加产生纵-扭复合振动，大幅增加了发射端输出振幅，同时提高了纵-扭分量比。
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、本发明变幅器的两个法兰通过螺栓与肋板，肋板固结在侧板上，侧板与框架之间用螺栓连接。侧板和框架组成的壳体将压电陶瓷片、电极片等带电部分与加工区域隔离，保证装置能够安全、稳定工作。
4、本发明两个大端通过法兰盘分别固定在肋板上，肋板固定在侧板或框架上，框架上设置螺栓孔，便于和机床连接，方便快捷。
5、本发明设计合理，采用T字形结构加螺旋槽或斜槽的变幅器设计，两列波在交汇处相遇叠加，获得纵-扭复合振动，在经过螺旋槽进行扭振二次放大，进一步增加扭振分量。本发明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为具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削装置的结构示意图；
图2为具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削装置俯视图。
图3为具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削装置肋板示意图。
图4为图1中具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削装置扭振二次放大的受力示意图。
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-第一大端，6-第二大端，7-穿线孔，8-固定螺栓，9-法兰盘，10-肋板，11-螺栓孔，12-框架，13-变幅器，14-螺旋槽，15-车刀，16-车刀固定螺栓，17-侧板。
具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削方法及装置，其技术方案是：包括反射端2、铜电极3、压电陶瓷片4和变幅器13等部分。所述变幅器13整体呈T字形，其中小端为发射端，两个大端端面中与小端端面平行的大端为第一大端5，另一个端面与小端垂直的大端称为第二大端6。变幅器13前端锥体表面开有螺旋槽14，变幅器13整体尺寸按照“半波长”规律设计。法兰盘9位置设计在两个大端，法兰盘9上通过固定螺栓8与两侧及底部肋板10相连接，侧板17与框架12之间用螺栓连接。顶部留有穿线孔7方便连接超声电源。
在两个大端处分别利用连接螺栓1将所述反射端2、铜电极3、压电陶瓷片4和变幅器13连接在一起。相邻所述压电陶瓷片4纵向极化方向相反，所述压电陶瓷片4净化后采用专用粘合剂粘合，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。工作时，两组压电陶瓷片4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13的T字形结构将两组振动叠加产生纵-扭复合振动。
变幅器13前端锥体表面开有螺旋槽14，当振动沿变幅器主体的水平方向传播时，靠近中心的部分振动模态不变。沿表面传播的部分在遇到螺旋槽14时产生纵向惯性力F，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沿着变幅器13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垂直于变幅器4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，在输出端得到弯-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，实现扭振二次放大（图3所示）。
车刀16用车刀固定螺栓固定在发射端中心处（图1所示），以便在刀尖处获得较大的纵-扭复合振动。修改刀具接口可以安装镗刀，用于超声镗孔。
第二大端6的参数包括距第一大端5的水平距离、高度、直径，螺旋槽14参数包括槽宽、槽深、螺旋角、旋向和线数，通过调整上述参数得到最佳纵-扭分量比。
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 (9)
1.一种具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削方法，包括以下步骤：
a、将变幅器设计为T字形，其水平方向的一端设为小端，另一端设为第一大端，其竖直方向设为第二大端，在第一大端和第二大端分别设置一组反射端、压电陶瓷片和铜电极，变幅器的结构尺寸满足“半波长”设计要求；
b、将所述小端作为发射端，并且在其外端部中心设置刀具，两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，两列波在交汇处相遇叠加，产生纵-扭复合振动；
c、变幅器前端锥体表面开有螺旋槽或斜槽，当纵向振动沿变幅器主体的水平方向传播时，靠近中心的部分振动形式不变，沿表面传播的部分在遇到螺旋槽或斜槽时，振动产生的惯性力F被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，纵向力驱使变幅器产生纵向振动，而剪切作用力将驱使变幅器产生扭转振动；
d、设置一个框架，在框架上设置两个侧板，在每个侧板上设置一个肋板，将两个大端分别固定在两个肋板上；
e、根据加工要求不同，分别控制两组输入压电陶瓷片的激励信号，从而控制以纵振或者纵-扭复合振动状态工作。
2.根据权利要求1所述的具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削方法，其特征是：第二大端的参数包括距第一大端的水平距离、高度、直径，螺旋槽或斜槽参数包括槽宽、槽深、螺旋角、旋向和线数，通过调整上述参数得到最佳纵-扭分量比。
3.根据权利要求1所述的具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削方法，其特征是：变幅器的前端结构是锥形、柱形或悬链线形；根据加工需要，刀具为车刀或者镗刀。
4.一种具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削装置，包括反射端、压电陶瓷片、铜电极和变幅器，其特征是：所述变幅器整体呈T字形，其水平方向的一端设为小端，另一端设为第一大端，其竖直方向设为第二大端，所述第一大端和第二大端分别设置一组反射端、压电陶瓷片和铜电极，所述变幅器整体尺寸按照“半波长”规律设计，所述发射端的外端部中心设置刀具，两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，两列波在交汇处相遇叠加，产生纵-扭复合振动；变幅器前端锥体表面开有螺旋槽或斜槽，沿表面传播的部分在遇到螺旋槽或斜槽时产生纵向惯性力F，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沿着变幅器轴线方向；而截面上任一点的剪切作用力分量FT垂直于变幅器半径的方向，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，在输出端得到弯-扭复合振动，实现扭振二次放大；两个大端分别固定在肋板上，所述肋板设置在框架上。
5.根据权利要求4所述的具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削装置，其特征是：所述第一大端和第二大端的端面上分别设置一个法兰盘，并且，所述第一大端和第二大端的端面中心设置有螺纹孔，两组所述反射端、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。
6.根据权利要求5所述的具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削装置，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或者两个压电陶瓷和两个铜电极，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。
7.根据权利要求5所述的具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削装置，其特征是：所述变幅器的两个法兰通过螺栓与固结在侧板上的肋板相连，所述侧板与框架之间用螺栓连接。
8.根据权利要求4所述的具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削装置，其特征是：所述刀具固定在发射端中心处，所述刀具为车刀或者镗刀。
9.根据权利要求4所述的具有扭振二次放大的双激励超声纵-扭复合切削装置，其特征是：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。
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