CN110899077A - 一种基于二维振动的用于大型零件加工的单向超声振动平台及其操作方法 - Google Patents
一种基于二维振动的用于大型零件加工的单向超声振动平台及其操作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于复合加工中超声辅助加工领域，公开了一种基于二维振动用于大型零件加工的单向超声振动平台及其操作方法，固定支脚分两组固定在二维多孔超声振动平台正反两个面上相同波节点处，在二维多孔超声振动平台的一个侧面中轴线位置连接超声波换能器。超声波换能器驱动二维多孔超声振动平台产生纵向一个全波长，横向3三个半波长的耦合振动，耦合振动在平台中心形成单一纵向振动，通过耦合振动扩大中心纵振区域面积；二维多孔超声振动平台上存在均布的螺纹孔和凹槽，用于隔绝横向振动和增大纵振振幅。本发明结构简单、工作稳定性好，通过二维波的耦合实现了大型零件的超声磨削加工。
Description
技术领域
本项发明涉及特种加工和复合加工领域，涉及单向辅助超声加工领域，特别涉及一种大型零件的单向超声辅助加工平台。
背景技术
近年来，随着工业的发展，对零件的加工精度、加工效率、表面质量的要求逐渐提高。超声波辅助加工因其可以减小切削力，降低切削温度，成为了一种有效提高工件加工质量的方法，具有很好的发展前景。现阶段，超声波辅助加工已经应用于航空航天、电子通讯、精密加工、生物医学等领域，适用于加工硬脆材料、高温合金、复合材料等诸多难加工材料。超声波辅助加工方法主要分为两类，分别是刀具实现超声波振动和工件实现超声波振动。
目前，超声波辅助加工也存在一些问题。当刀具实现超声波振动时，由于刀具结构复杂，使得系统整体稳定性弱；当平台实现超声辅助振动时，由于超声波长的限制，使得工件尺寸要小于临界值，工件尺寸过大必然会造成在工件上存在振幅为零的点，使得该点附近的超声辅助加工失效，影响零件加工的均匀性和表面质量。
发明内容
为了克服目前一维振动对工件尺寸的局限，实现大型零件的超声加工，本发明提供了基于二维振动的一种用于大型零件加工的单向超声振动平台，利用二维波的耦合实现较大区域的单一方向振动，进而实现大型零件的超声波加工。
为了实现上述发目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于二维振动的用于大型零件加工的单向超声振动平台，包括二维多孔超声振动平台、固定支脚、超声波换能器；
二维多孔超声振动平台水平放置，固定支脚安装在二维多空超声振动平台正反两面相同波节点位置，用于平台和机床的连接；固定支脚端部存在螺纹，二维多孔超声振动平台通过螺纹与支脚进行连接，连接的部位需要通过有限元进行仿真后确定二维多孔超声振动平台的波节点，固定支脚安装在波节点位置附近以减小对整个二维多孔超声振动平台的影响。
二维多孔超声振动平台的长度和宽度通过二维超声振动理论设计得到，基于表观弹性模量法，二维多孔超声振动平台长度、宽度、频率之间应满足以下条件：
n1n2＝1
其中lx、ly分别表示平板长度、宽度，f为超声振动频率，ρ为平板材料密度，n为耦合系数，v为泊松比，E为材料弹性模量。通过需要的平台长度lx、谐振频率f、可计算平台宽度ly，通过平台长度、宽度、超声频率三者之间的协同设计实现二维波的耦合。
超声波换能器依次由超声波变幅杆、压电陶瓷、后盖板组成；所述的超声波换能器为全波长超声波换能器，由超声波电源驱动，可以产生一维纵向振动，超声变幅杆端部的直径与二维多孔超声振动平台的厚度相等，通过调节超声波电源的输出电压可以调节二维多孔超声振动平台的振幅。
二维多孔超声振动平台的侧面沿着中轴线连接超声波换能器，用于驱动二维多孔超声振动平台，超声波换能器节点处有法兰盘，用于进行其它外部装置的连接。超声波换能器使用预紧螺栓将后盖板、压电陶瓷和超声波变幅杆压紧，超声变幅杆前边安装双头螺柱连接至二维多孔超声振动平台。
二维多孔超声振动平台表面均匀分布贯通性的螺纹孔，孔的分布按照纵向、横向等距离排布，所有孔的直径相等，用于振幅的调节和工件的固定。孔的直径通过以下规则获得：
(1)使用建模软件对通过表观弹性法得到的二维多孔超声振动平台进行3维建模；
(2)使用有限元法对平板进行模态分析，得到x方向全波长，y 方向3个半波长的平板振型和谐振频率；
(3)进行谐响应分析，在压电陶瓷位置施压x方向100N的力，力的频率与谐振频率相等，力的方向沿着x轴，得到孔径0-12mm以内的平板x轴方向振幅分布；
(4)平板的孔径应满足：①、平板中心区域的振幅达到最大值，②、平板开孔后频率改变量小于未开孔谐振频率的1/20。
在二维多孔超声振动平台中心区域的螺纹孔之间分布等距凹槽，凹槽的方向平行于上述安装超声波换能器的中轴线，用于隔绝横向振动，产生单一沿着换能器纵振方向的超声振动。凹槽的长度、宽度、深度按照以下规则获得：
(1)使用建模软件对通过表观弹性法得到的二维多孔超声振动平台进行3维建模；
(2)使用有限元法对平板振型分析，得到x方向全波长，y方向3个半波长的二维多孔超声振动平台振型；
(3)进行谐响应分析，在压电陶瓷位置施加100N的力，力的频率与谐振频率相等，力的方向沿着x轴方向，得到不同凹槽深度的振幅分布。
(4)通过有限元法对该振型x方向振幅分析可确定凹槽长度，取平板轴线x方向的振幅，凹槽的长度应等于轴线上两波节点(振幅为0)之间的距离；
(5)凹槽的宽度为2mm；
(6)凹槽的深度通过有限元分析该振型y方向和z方向振幅分析得到，凹槽的深度增加有利于隔绝y方向的振动，但是会提高z方向振动，凹槽的深度应使得中心区域振动满足：①、凹槽的深度尽量大，可以最大程度减弱y轴振动，②、增加凹槽后平板z方向振幅增量小于未增加凹槽平板z轴振幅的1/20。
用于大型零件加工的单向超声振动平台的操作方法，步骤如下：
(1)、固定支脚通过螺纹固定在二维多孔超声振动平台正反两个面上相同的波节点位置，压板作用于支脚位置将二维多孔超声振动平台固定在机床上；将工件固定在二维多孔超声振动平台的中心区域，工件的长度，宽度不超过中心纵振区域；
(2)、超声波电源发出超声频率震荡信号经过超声波换能器转换成正弦变化机械位移，产生沿着压电陶瓷厚度方向的纵向超声振动。
所述的二维多孔超声振动平台的设计频率与超声波换能器之间的设计频率相差应小于500Hz，从而满足装配后二维多孔超声振动平台的振型要求；
(3)、超声振动通过圆锥型变幅杆振幅被放大，驱动二维多孔超声振动平台机械振动；
(4)、二维多孔超声振动平台上设有纵向的凹槽和纵横方向遍布的贯通性螺纹孔，平台上产生二维耦合振动形成中心区域单一纵向的振动区域。谐振条件下，二维多孔超声振动平台纵向存在一个全波长，横向存在三个半波长，横纵波的耦合叠加在平台中心区域产生单一的纵向振动。
(5)、被固定在二维多孔超声振动平台的中心区域的工件上产生单一纵向振动；
(6)调节超声电源输出电压可以调节工件的振幅。
本发明的优点如下：
(1)在工作状态下，超声波换能器产生纵向振动驱动平台进行二维耦合振动，二维耦合振动扩大单向超声振动区域，克服一维超声振动平台工件尺寸的限制，在不需要增加复杂的机械和电气控制系统条件下可以实现较大尺寸零件的超声振动。
(2)对于磨削、铣削加工，本发明避免了超声振动刀柄的复杂结构。
(3)结构简单、工作稳定性好、适用范围广。
附图说明
图1是本发明用于大型零件加工的单向超声振动平台的结构示意图；
图2是本发明的二维多孔超声振动平台的x方向振幅分布图；
图3是本发明的二维多孔超声振动平台的y方向振幅分布图；
图4是本发明的侧视图；
图5本发明的超声波换能器3的结构示意图；
图6是本发明的固定支脚5的结构示意图；
图7是本发明的二维多孔超声振动平台中心沿x轴上x轴方向振幅与x坐标的关系；
图8是本发明的二维多孔超声振动平台孔径与谐振频率的关系；
图9是本发明的二维多孔超声振动平台中心区域y轴方向振幅与y坐标的关系；
图10是本发明的二维多孔超声振动平台中心区域沿z轴方向振幅与y坐标的关系；
图11是本发明的二维多孔超声振动平台在无凹槽条件下y轴方向振幅与y坐标的关系；
图中：1、二维多孔超声振动平台；2、固定支脚；3、超声波换能器；4、双头螺柱；5、超声波变幅杆；6、压电陶瓷；7、后盖板； 8、预紧螺钉。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于二维振动用于大型零件加工的单向超声振动平台做出详细说明。
如图1、图3所示，基于二维振动用于大型零件加工的单向超声振动平台，包括：二维多孔超声振动平台1、固定支脚2、超声波换能器3，其中超声波换能器包含双头螺柱4、超声变幅杆5、压电陶瓷6、后盖板7、预紧螺栓8。
8个固定支脚2通过螺栓固定在二维多孔超声振动平台的振动节点处，压板作用于固定支脚处将二维多孔超声振动平台固定在机床的加工平台上，二维多孔超声振动平台的一侧沿着中心轴方向使用双头螺柱4连接超声换能器3。
图4是本发明的超声波换能器3的结构示意图，参照图4所示，所述超声换能器3使用夹心式结构，使用预紧螺栓8将后盖板7、压电陶瓷6和超声波变幅杆5压紧，压电陶瓷6前端连接圆锥形超声变幅杆，超声变幅杆前边安装双头螺柱4用于连接二维多孔超声振动平台。整个超声换能器3被安装在二维多孔超声振动平台一面的中心轴位置。由超声电源产生的正弦电信号通过导线输入压电陶瓷6，依据压电效应，正弦电信号转换为压电陶瓷厚度方向上(图5的箭头方向) 的机械位移，产生超声振动，经过超声波变幅杆5将振幅进行放大，驱动二维多孔超声振动平台振动。通过调节超声波电源的输出电压来调节二维多孔超声振动平台的振幅。
如图1箭头方向，二维多孔超声振动平台上的纵向(x方向)为平行于超声换能器纵向振动的方向，横向(y方向)为垂直于纵向，平行于二维多孔超声振动平台开孔平面的方向。
依据表观弹性法得到二维多孔超声振动平台的长度(y轴方向) 为300mm，宽度(x轴方向)为366.6mm，厚度(z轴方向)为20mm，二维多孔超声振动平台材料为TC4。
二维多孔超声振动平台在纵向和横向均布贯通性螺纹孔，相邻螺纹孔的距离相等，螺纹孔距离为20mm，螺纹孔的直径由模态和谐响应分析得到。具体步骤为：
(1)使用建模软件对通过表观弹性法得到的平板进行3维建模；
(2)使用有限元法对平板进行模态分析，得到x方向全波长，y 方向3个半波长的平板振型和谐振频率，如图2、图3所示；
(3)调节孔径范围0-12mm，得到不同孔径条件下的谐振频率，如图8所示；
(3)进行谐响应分析，在压电陶瓷位置施压x方向100N的力，力的频率与谐振频率相等，力的方向沿着x轴，得到不同孔径条件下二维多孔超声振动平台x轴方向振幅沿x轴分布，如图7所示；
(4)贯通孔径应满足：①、图7中平板中心区域的振幅达到最大值，②、图8中平板开孔后频率改变量小于未开孔谐振频率的1/20。综上可得贯通螺纹孔规格为M4。
二维多孔超声振动平台正反两面，在中心区域的正反面均开有凹槽，凹槽的方向沿着换能器纵向振动方向(图1中，x向)，凹槽的位置位于两个螺纹孔中间，和旁边两个螺纹孔等距，防止和螺纹孔发生干涉，每两个凹槽之间的距离小于1/4超声波长，每个凹槽的长度、宽度、深度数量由分析得到，可以大幅度减少二维多孔超声振动平台中心区域的横向振动，具体方法为：
(1)使用建模软件对通过表观弹性法得到的平板进行3维建模；
(2)使用有限元法对平板振型分析，得到x方向全波长，y方向3个半波长的平板振型，如图2、图3所示；
(3)改变凹槽深度0-4mm，通过模态分析得到不同凹槽深度条件下二维多孔超声振动平台的谐振频率，在本案例中随着凹槽深度从 0mm变为4mm，谐振频率依次为：22789Hz、21395Hz、21345Hz、21329Hz、 21092Hz。
(3)进行谐响应分析，在压电陶瓷位置施加100N的力，力的频率与谐振频率相等，力的方向沿着x轴方向，得到不同凹槽深度条件下的振幅分布如图9，图10所示。
(4)通过有限元法对该振型x方向振幅分析可确定凹槽长度，取平板轴线x方向的振幅，凹槽的长度应等于轴线上两波节点(振幅为0)之间的距离，在图8中无孔条件下x轴振幅的两节点之间的距离为20mm，所以凹槽长度为20mm；
(5)凹槽的宽度为2mm；
(6)凹槽的深度通过有限元分析该振型y方向和z方向振幅分析得到，如图9、图10所示，凹槽的深度应使得中心区域振动满足：①、凹槽的深度尽量大，可以最大程度减弱y轴振动，②、增加凹槽后平板z方向振幅增量小于未增加凹槽平板z轴振幅的1/20。图9 图10中可以得到凹槽深度为3mm时，z轴振幅改变量较小，同时y 轴振幅减小量较大。
(7)凹槽的数量n需要覆盖二维多孔超声振动平台中心区域，对二维多孔超声振动平台中心区域y轴方向振幅沿着y轴的分布如图 11所示可知，y轴方向振幅的两个波幅点距离L为176mm，由依据公式nl＝L，其中l＝20mm，n为偶数，所以n＝10。
所述二维多孔超声振动平台的振型如图2所示，在谐振状态下，二维多孔超声振动平台纵向振动为一个全波长，横向振动为3个半波长，经过耦合以后在中心区域形成纵向振幅达到峰值，横向振动很小的振动模态，通过横纵耦合可以增大中心纵向振动区域的长度。
由于工件被固定在二维多孔超声振动平台的中心区域，所以工件上可产生单一纵向振动，较之一维超声振动平台工件，本发明的工件尺寸较大。
Claims (6)
1.一种基于二维振动的用于大型零件加工的单向超声振动平台，其特征在于，包括二维多孔超声振动平台、固定支脚、超声波换能器；
二维多孔超声振动平台水平放置，固定支脚安装在二维多空超声振动平台正反两面相同波节点位置；
超声波换能器依次由超声波变幅杆、压电陶瓷、后盖板组成；二维多孔超声振动平台侧面沿着中轴线连接超声波换能器，超声波换能器使用预紧螺栓将后盖板、压电陶瓷和超声波变幅杆压紧，超声变幅杆前边安装双头螺柱连接至二维多孔超声振动平台；
二维多孔超声振动平台表面均匀分布贯通性的螺纹孔；
在二维多孔超声振动平台中心区域的螺纹孔之间分布等距凹槽，凹槽的方向平行于上述安装超声波换能器的中轴线。
2.根据权利要求1所述的基于二维振动的用于大型零件加工的单向超声振动平台，其特征在于，所述的螺纹孔按照纵向、横向等距离排布，直径相等。
3.根据权利要求1所述的基于二维振动的用于大型零件加工的单向超声振动平台，其特征在于，基于表观弹性模量法，二维多孔超声振动平台长度、宽度、频率之间应满足以下条件：
n1n2＝1
其中lx、ly分别表示平板长度、宽度，f为超声振动频率，ρ为平板材料密度，n为耦合系数，v为泊松比，E为材料弹性模量。通过需要的平台长度lx、谐振频率f、可计算平台宽度ly，通过平台长度、宽度、超声频率三者之间的协同设计实现二维波的耦合。
4.根据权利要求1所述的基于二维振动的用于大型零件加工的单向超声振动平台，其特征在于，贯通螺纹孔满足：
(1)在孔径为0-12mm且大于0范围内，平板中心区域的振幅达到最大值；
(2)平板开孔后频率改变量小于未开孔谐振频率的1/20；
(3)孔之间的距离为20mm。
5.根据权利要求1所述的基于二维振动的用于大型零件加工的单向超声振动平台，其特征在于，所述的凹槽的长度、宽度、深度满足以下条件：
(1)凹槽的长度等于中心纵振区域长度；
(2)凹槽的宽度为2mm；
(3)凹槽深度满足满足：①、凹槽的深度尽量大，可以最大程度减弱y轴振动；②、增加凹槽后平板z方向振幅增量小于未增加凹槽平板z轴振幅的1/20；
(4)每个凹槽之间的间距l等于孔之间的间距；
(5)中心区域凹槽的数量n满足，nl＝L,其中，L为平板y轴方向半波长。
6.权利要求1所述的基于二维振动的用于大型零件加工的单向超声振动平台的操作方法，其特征在于，步骤如下：
(1)、固定支脚通过螺纹固定在二维多孔超声振动平台正反两个面上相同的波节点位置，压板作用于支脚位置将二维多孔超声振动平台固定在机床上；将工件固定在二维多孔超声振动平台的中心区域，工件的长度、宽度不超过中心纵振区域；
(2)、超声波电源发出超声频率震荡信号经过超声波换能器转换成正弦变化机械位移，产生沿着压电陶瓷厚度方向的纵向超声振动。
(3)、超声振动通过圆锥型变幅杆振幅被放大，驱动二维多孔超声振动平台机械振动；
(4)、二维多孔超声振动平台上设有纵向的凹槽和纵横方向遍布的贯通性螺纹孔，谐振条件下，二维多孔超声振动平台纵向存在一个全波长，横向存在三个半波长，横纵波的耦合叠加在平台中心区域产生单一的纵向振动；
(5)、被固定在二维多孔超声振动平台的中心区域的工件上产生单一纵向振动；
(6)、调节超声电源输出电压可以调节工件的振幅。
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