CN110976258A - 一种沿垂直刀杆方向的双激励超声椭圆振动切削装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种沿垂直刀杆方向的双激励超声椭圆振动切削装置。本发明由纵向振动超声振子A、纵向振动超声振子B及弯曲振动变幅杆组成，所述纵向振动超声振子A和纵向振动超声振子B均固定在弯曲振动变幅杆上，所述纵向振动超声振子A和纵向振动超声振子B均包括通过预紧螺栓连接的后盖板、电极片、圆环形压电陶瓷、前盖板，纵向振动超声振子A的第一预紧螺栓与纵向振动超声振子B的第二预紧螺栓互相垂直。本发明将两个纵向振动超声振子布置在弯曲变幅杆的径向方向，通过两相具有一定相位差的超声激励信号，从而激励出弯曲变幅杆的“双弯曲振动模态”，从而在刀具上输出椭圆振动轨迹。
Description
技术领域
本发明涉及超声振动加工技术领域，尤其涉及一种沿垂直刀杆方向的双激励超声椭圆振动切削装置。
背景技术
超声椭圆振动切削是在刀具上施加二维超声振动，使其呈现“椭圆运动轨迹”的切削方式，相较一维超声振动切削，其切削过程具有“摩擦力反转”、“变角度切削”、更加彻底的“刀-工完全分离”特性，从而具有延长刀具寿命、提高表面光洁度和形状精度、提高切削稳定性以及抑制毛刺和再生颤振等优势，因而广泛应用于硬脆难加工材料的精密超精密切削中。
为实现超声椭圆振动切削中的“完全分离型切削”，最大限度的发挥超声椭圆振动切削技术的优势，刀具的振动速度应大于相对切削速度，而刀具的振动速度与其振动频率和切削速度方向的振幅成正比。
现有的超声椭圆振动切削装置多采用压电陶瓷的d31工作模式，陶瓷的拉伸强度和胶层的剪切强度都限制了装置频率和振幅的提高；且超装置多是由纵向振动、扭转振动、弯曲振动和径向振动中的两种振动形式耦合而成，多相振动的耦合效率较低，更加限制了频率和振幅的提高，导致切削效率较低。
发明内容
为得到精密物理实验所需的硬脆材料实验样件的高精度高完整性表面，本发明提供了一种沿垂直刀杆方向的双激励超声椭圆振动切削装置，对振幅进行两次放大，具有较高的输出功率。本发明采用的技术手段如下：
一种沿垂直刀杆方向的双激励超声椭圆振动切削装置，由纵向振动超声振子A、纵向振动超声振子B及弯曲振动变幅杆(刀杆)组成，所述纵向振动超声振子A和纵向振动超声振子B均固定在弯曲振动变幅杆上，所述纵向振动超声振子A和纵向振动超声振子B均包括通过预紧螺栓连接的后盖板、电极片、圆环形压电陶瓷、前盖板，纵向振动超声振子A的第一预紧螺栓与纵向振动超声振子B的第二预紧螺栓互相垂直，刀具固定在弯曲振动变幅杆的输出端。
进一步地，所述纵向振动超声振子A布置在弯曲振动变幅杆的径向方向，从而激励出变幅杆的第一相弯曲振动。
进一步地，所述纵向振动超声振子B布置在弯曲振动变幅杆的另一径向方向，从而激励出变幅杆的第二相弯曲振动。
进一步地，利用超声电源分别调节两相激励的激励电压和相位差，从而实现对装置输出的椭圆振动轨迹的调整。
进一步地，所述纵向振动超声振子A和纵向振动超声振子B采用型号为PZT-4的圆环形压电陶瓷产生超声振动，利用压电陶瓷较高工作效率的的d33工作模式。
进一步地，纵向振动超声振子A和纵向振动超声振子B的前盖板均是四分之一波长的带有圆锥过渡段的阶梯型变幅杆，用于对压电陶瓷产生的振动进行第一次放大。
进一步地，所述弯曲变幅杆为带有圆锥过渡段的阶梯复合变幅杆，用于实现对两个纵向振动超声振子振幅的第二次放大，提高了超声椭圆振动切削装置的输出振幅，可有效提升超声椭圆振动切削的加工效率。
本发明基于四阶弯曲振动的工作模式，容易被激励，且装置输出的振幅较大，有利于提高超声椭圆振动切削临界切削速度，从而提高切削效率，对超声椭圆振动的推广和应用有重要的意义；采用两相超声弯曲振动来合成椭圆振动轨迹，提高了复合振动的耦合效果，避免了多种模式的振动耦合带来的能量损失，发热严重等问题；两相弯曲振动的振幅和相位差可通过超声电源进行独立调整，从而实现对装置输出的椭圆超声振动轨迹的调整；纵向振动超声振子的前盖板和弯曲振动变幅杆均采用变截面阶梯状，可实现对压电陶瓷的产生的振幅进行多级放大的功能。本发明在硬脆难加工材料的高完整性加工中效果显著，能够显著减小刀具磨损，抑制加工颤振，减小加工表面的凹坑和微裂纹、降低工件表面粗糙度。
基于上述理由本发明可在超声振动加工技术领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例结构示意图。
图2为本发明实施例中纵向振动超声振子的结构示意图。
图3为本发明实施例中弯曲振动变幅杆的结构示意图。
图中，1是纵向振动超声振子A，2是纵向振动超声振子B，3是弯曲振动变幅杆，4是预紧螺栓A，5是后盖板A，6是电极片A，7是圆环形压电陶瓷A，8是电极片B，9是圆环形压电陶瓷B，10是前盖板A，11是预紧螺栓B，12是后盖板B，13是电极片C，14是圆环形压电陶瓷C，15是电极片D，16是圆环形压电陶瓷D，17是前盖板B，18是紧定螺钉，19是刀具。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种沿垂直刀杆方向的双激励超声椭圆振动切削装置，由纵向振动超声振子A1和纵向振动超声振子B2及如图3所示的弯曲振动变幅杆(刀杆)3组成，纵向振动超声振子1和纵向振动超声振子2均布置在弯曲振动变幅杆3的径向方向。本实施例中，所述纵向振动超声振子A和纵向振动超声振子B采用型号为PZT-4的圆环形压电陶瓷产生超声振动，利用压电陶瓷较高工作效率的的d33工作模式。
如图1所示，纵向振动超声振子A1布置在弯曲振动变幅杆3的径向方向，从而激励出弯曲振动变幅杆3的第一相弯曲振动；纵向振动超声振子B2布置在弯曲振动变幅杆3的另一个径向方向，从而激励出弯曲振动变幅杆3的第二相弯曲振动，使弯曲振动变幅杆3呈现“双弯曲振动模态”，从而在刀具19上输出超声椭圆振动轨迹。作为优选的实施方式，纵向振动超声振子A和纵向振动超声振子B的前盖板均是四分之一波长的带有圆锥过渡段的阶梯型变幅杆，用于对压电陶瓷产生的振动进行第一次放大。本实施例中，变幅杆的形状为立方体式，根据实际工况的不同，也可以选择圆柱式等其他可行的形式，但要保证纵向振动超声振子A1和纵向振动超声振子B的位置互相垂直。刀具19通过紧定螺钉18固定在弯曲振动变幅杆3的输出端，同样根据预设的工况，刀具的安装位置不影响切削加工时的干涉问题。
所述弯曲变幅杆为带有圆锥过渡段的阶梯复合变幅杆，用于实现对两个纵向振动超声振子振幅的第二次放大，提高了超声椭圆振动切削装置的输出振幅，可有效提升超声椭圆振动切削的加工效率。
利用与电极片相连的超声电源13分别对纵向振动超声振子1和纵向振动超声振子2两相激励的激励电压和相位差进行调节，从而实现对刀具19输出的椭圆振动轨迹的调整。
如图2所示，纵向振动超声振子A1和纵向振动超声振子B2的结构相同，纵向振动超声振子A1包括预紧螺栓A4、后盖板A5、电极片A6、圆环形压电陶瓷A7、电极片B8、圆环形压电陶瓷B9和前盖板A10，纵向振动超声振子B2包括预紧螺栓B11、后盖板B12、电极片C13、圆环形压电陶瓷C14、电极片D15、圆环形压电陶瓷D16和前盖板B17，通过预紧螺栓A4将后盖板A5、电极片A6、圆环形压电陶瓷A7、电极片B8、圆环形压电陶瓷B9及前盖板A10等沿轴向按顺序进行紧固，施加100N的预紧力，进行保温老化处理，纵向振动超声振子B2的安装顺序同理同理，同样施加100N的预紧力。
在装配前，纵向振动超声振子A1的后盖板A5、电极片A6、圆环形压电陶瓷A7、电极片B8、圆环形压电陶瓷B9及前盖板A10应采用无水乙醇进行清洗；预紧螺栓A4与后盖板A5、电极片A6、圆环形压电陶瓷A7、电极片B8、圆环形压电陶瓷B9接触的部分应缠绕绝缘胶带；后盖板A5、电极片A6、圆环形压电陶瓷A7、电极片B8、圆环形压电陶瓷B9及前盖板A10之间的接触面之间应涂抹环氧树脂胶，纵向振动超声振子B2的部件做同样处理。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种沿垂直刀杆方向的双激励超声椭圆振动切削装置，其特征在于，由纵向振动超声振子A、纵向振动超声振子B及弯曲振动变幅杆组成，所述纵向振动超声振子A和纵向振动超声振子B均固定在弯曲振动变幅杆上，所述纵向振动超声振子A和纵向振动超声振子B均包括通过预紧螺栓连接的后盖板、电极片、圆环形压电陶瓷、前盖板，纵向振动超声振子A的第一预紧螺栓与纵向振动超声振子B的第二预紧螺栓互相垂直，刀具固定在弯曲振动变幅杆的输出端。
2.根据权利要求1所述的沿垂直刀杆方向双激励的超声椭圆振动切削装置，其特征在于，所述纵向振动超声振子A布置在弯曲振动变幅杆的径向方向，从而激励出变幅杆的第一相弯曲振动。
3.根据权利要求2所述的沿垂直刀杆方向双激励的超声椭圆振动切削装置，其特征在于，所述纵向振动超声振子B布置在弯曲振动变幅杆的另一径向方向，从而激励出变幅杆的第二相弯曲振动。
4.根据权利要求1所述的沿垂直刀杆方向双激励的超声椭圆振动切削装置，其特征在于，利用超声电源分别调节两相激励的激励电压和相位差，从而实现对装置输出的椭圆振动轨迹的调整。
5.根据权利要求1所述的沿垂直刀杆方向双激励的超声椭圆振动切削装置，其特征在于，所述纵向振动超声振子A和纵向振动超声振子B采用型号为PZT-4的圆环形压电陶瓷产生超声振动，利用压电陶瓷较高工作效率的的d33工作模式。
6.根据权利要求1所述的沿垂直刀杆方向双激励的超声椭圆振动切削装置，其特征在于，纵向振动超声振子A和纵向振动超声振子B的前盖板均是四分之一波长的带有圆锥过渡段的阶梯型变幅杆，用于对压电陶瓷产生的振动进行第一次放大。
7.根据权利要求1所述的沿垂直刀杆方向双激励的超声椭圆振动切削装置，其特征在于，所述弯曲变幅杆为带有圆锥过渡段的阶梯复合变幅杆，用于实现对两个纵向振动超声振子振幅的第二次放大。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200410 |
|
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