CN110052903A - 纵-扭-径复合空间体椭圆振动超声磨削装置设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纵‑扭‑径复合空间体椭圆振动超声磨削装置设计方法，包括以下步骤：（1）设计整体结构和零件排布；（2）设计变幅器和螺旋槽结构；（3）设计砂轮盘结构；（4）优化各部分结构。装置整体长度应该满足半波长规律，固定螺栓依次将所述反射端、电极片、压电陶瓷片串联；变幅器上设有螺旋槽产生扭转振动，砂轮盘能够产生径向振动，最终纵‑扭‑径三向振动激励砂轮盘在空间中作椭圆运动。采用本发明设计的空间椭圆振动超声磨削装置复合振动效果好且能有效减小切削力，有利于超声磨削技术的推广。
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-扭-径复合空间体椭圆振动超声磨削装置设计方法。
背景技术：
伴随着航空航天、高速列车和高端制造业的快速发展，对高精度磨削加工的需求也在不断增长。但是传统的磨削加工由于磨削力较大不仅容易使加工表面温度过高出现烧伤，还存在材料去除率较低，加工效率不高的问题。然而空间椭圆超声振动磨削加工技术的出现为这一难题的解决提供了新的思路。砂轮盘在磨削加工时在空间中做椭圆振动，将砂轮与工件表面的接触状态从持续接触变为断续接触，能够有效减小磨削力，改善磨削区的润滑条件，不仅大幅提高加工效率，同时改善加工表面烧伤。对扩大磨削技术的应用范围意义非凡。
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、占用空间小、纵-扭-径复合振动效果好且有效减小切削力的新型单激励空间椭圆振动超声磨削装置设计方法。
本发明的技术方案是：
一种纵-扭-径复合空间体椭圆振动超声磨削装置设计方法，该超声磨削装置包括固定螺栓、反射端、电极片、压电陶瓷片、变幅器连接螺栓和砂轮，其设计过程包括以下步骤：（1）设计整体结构和零件排布；（2）设计变幅器和螺旋槽结构；（3）设计砂轮盘结构；（4）优化各部分结构。
在步骤（1）中，所述设计整体结构和零件排布的具体方法包括：所述整体长度应该满足半波长规律；所述固定螺栓依次将所述反射端、电极片、压电陶瓷片串联，所述固定螺栓通过螺纹旋合与所述变幅器连接；所述陶瓷片选择两片或者四片，电极片数量与陶瓷片一致，两者交错分布。
在步骤（2）中，所述设计变幅器和螺旋槽结构的具体方法包括：所述变幅器通过设计不同的变幅器两端半径控制放大系数；所述螺旋槽应设置于所述变幅器中部，在圆周方向均匀分布；所述陶瓷片产生的纵向振动遇到所述螺旋槽结构由于模态转换作用，一部分振动保持纵振不变，另一部分转换为扭转振动；调整所述螺旋槽的数量、旋向、角度、槽宽、槽深等参数在输出端得到纵-扭复合振动。
在步骤（3）中，所述设计砂轮盘结构的具体方法包括：所述砂轮盘应设置于所述变幅器的小端，通过所述固定螺栓与所述变幅器连接；经过所述变幅器放大和所述螺旋槽模态转换得到的纵-扭振动在通过砂轮盘时，能够在所述砂轮盘表面输出径向振动，根据薄板振动理论选择合适的所述砂轮盘厚度和半径能够控制径向振动的大小；最终纵-扭-径三向振动激励砂轮盘在空间中作椭圆运动。
在步骤（4）中，所述优化各部分结构的具体方法包括：按照所述的前四个步骤中设计得到的装置各部分结构，在三维建模软件中建立结构模型，导入仿真软件通过仿真得到所述结构单激励空间椭圆振动超声磨削装置振动模态，选取所述砂轮盘边缘一点输出随时间变化的空间运动轨迹；修改所述变幅器参数控制纵向振动，修改所述螺旋槽参数控制扭转振动，修改所述砂轮盘参数控制径向振动，根据仿真结果优化得到所述边缘一点在空间中做椭圆运动。
本发明的有益效果是：
1、通过在设计过程中运用半波长规律，采用单一换能器，同时将换能器与变幅器一体化大幅减少空间占用，可以在手持式设备等空间有限的场景中使用，从而拓宽适用范围。
2、陶瓷片在高频交变电流的激励下产生的纵向振动，先经过变幅器的放大，螺旋槽的纵-扭模态转换，后在砂轮盘上部分纵振转换为径向振动，最终输出纵-扭-径三向复合空间椭圆振动。
3、三个方向的振动能够大幅减少砂轮与加工表面的接触时间，大幅减小磨削力；优化磨削区润滑条件便于切削液进入，因此磨削区温度可以控制在较低的水平，有效防止磨削烧伤，提高加工表面质量。
附图说明：
图1：单激励空间椭圆振动超声磨削装置结构示意图。
图2：单激励空间椭圆振动超声磨削装置中砂轮盘上的一点。
图3：仿真模拟砂轮盘上的一点在一个周期内的运动轨迹。
具体实施方式：
实施例：参见图1-图3，图中，1-固定螺栓，2-反射端，3-压电陶瓷片，4-电极片，5-变幅器，6-螺旋槽，7-砂轮盘，8-连接螺栓。
单激励空间椭圆振动超声磨削装置整体结构和零件排布的具体方法包括：装置主要由固定螺栓1，反射端2，压电陶瓷片3，电极片4，变幅器5，螺旋槽6，砂轮盘7和连接螺栓8组成；根据半波长规律设计所述装置整体结构，固定螺栓1依次将反射端2、压电陶瓷片3和电极片4串联，固定螺栓1通过螺纹旋合与变幅器5连接；压电陶瓷片3选择两片或者四片，电极片4数量与压电陶瓷片3一致，两者交错分布。
设计变幅器5和螺旋槽6结构的具体方法包括：变幅器5通过设计不同的大端小端半径控制放大系数；螺旋槽6应设置于变幅器5中部，在圆周方向均匀分布；压电陶瓷片3产生的纵向振动遇到所述螺旋槽6结构由于模态转换作用，一部分振动保持纵振不变，另一部分转换为扭转振动；调整螺旋槽6的数量、旋向、角度、槽宽、槽深等参数在输出端得到纵-扭复合振动。
设计砂轮盘7结构的具体方法包括：砂轮盘7应设置于变幅器5的小端，通过连接螺栓8与变幅器5连接；经过变幅器5放大和螺旋槽6模态转换得到的纵-扭振动在通过砂轮盘7时，能够在砂轮盘7表面输出径向振动，根据薄板振动理论选择合适的砂轮盘7厚度和半径能够控制径向振动的大小；最终纵-扭-径三向振动激励砂轮盘7在空间中作椭圆运动。
优化各部分结构的具体方法包括：按照设计得到的装置各部分结构，在三维建模软件中建立结构模型，导入仿真软件通过仿真得到所述结构单激励空间椭圆振动超声磨削装置振动模态，选取所述砂轮盘边缘一点输出随时间变化的空间运动轨迹。修改所述变幅器5参数控制纵向振动，修改所述螺旋槽6参数控制扭转振动，修改砂轮盘7参数控制径向振动。在仿真优化中提取单激励空间椭圆振动超声磨削装置中的砂轮盘7上一点如图2所示，绘制出一个周期内的运动轨迹如图3所示。在X，Y，Z三个方向上均有振幅，在空间中形成一个椭圆轨迹。
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 (5)
1.一种纵-扭-径复合空间体椭圆振动超声磨削装置设计方法，该超声磨削装置包括固定螺栓、反射端、电极片、压电陶瓷片、变幅器连接螺栓和砂轮，其设计过程包括以下步骤：（1）设计整体结构和零件排布；（2）设计变幅器和螺旋槽结构；（3）设计砂轮盘结构；（4）优化各部分结构。
2.根据权利要求1所述的纵-扭-径复合空间体椭圆振动超声磨削装置设计方法，其特征在于：在步骤（1）中，所述设计整体结构和零件排布的具体方法包括：所述整体长度应该满足半波长规律；所述固定螺栓依次将所述反射端、电极片、压电陶瓷片串联，所述固定螺栓通过螺纹旋合与所述变幅器连接；所述陶瓷片选择两片或者四片，电极片数量与陶瓷片一致，两者交错分布。
3.根据权利要求1所述的纵-扭-径复合空间体椭圆振动超声磨削装置设计方法，其特征在于：在步骤（2）中，所述设计变幅器和螺旋槽结构的具体方法包括：所述变幅器通过设计不同的变幅器两端半径控制放大系数；所述螺旋槽应设置于所述变幅器中部，在圆周方向均匀分布；所述陶瓷片产生的纵向振动遇到所述螺旋槽结构由于模态转换作用，一部分振动保持纵振不变，另一部分转换为扭转振动；调整所述螺旋槽的数量、旋向、角度、槽宽、槽深等参数在输出端得到纵-扭复合振动。
4.根据权利要求1所述的纵-扭-径复合空间体椭圆振动超声磨削装置设计方法，其特征在于：在步骤（3）中，所述设计砂轮盘结构的具体方法包括：所述砂轮盘应设置于所述变幅器的小端，通过所述固定螺栓与所述变幅器连接；经过所述变幅器放大和所述螺旋槽模态转换得到的纵-扭振动在通过砂轮盘时，能够在所述砂轮盘表面输出径向振动，根据薄板振动理论选择合适的所述砂轮盘厚度和半径能够控制径向振动的大小；最终纵-扭-径三向振动激励砂轮盘在空间中作椭圆运动。
5.根据权利要求1所述的纵-扭-径复合空间体椭圆振动超声磨削装置设计方法，其特征在于：在步骤（4）中，所述优化各部分结构的具体方法包括：按照所述的前四个步骤中设计得到的装置各部分结构，在三维建模软件中建立结构模型，导入仿真软件通过仿真得到所述结构单激励空间椭圆振动超声磨削装置振动模态，选取所述砂轮盘边缘一点输出随时间变化的空间运动轨迹；修改所述变幅器参数控制纵向振动，修改所述螺旋槽参数控制扭转振动，修改所述砂轮盘参数控制径向振动，根据仿真结果优化得到所述边缘一点在空间中做椭圆运动。
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