CN110976259B - 一种双激励超声椭圆振动切削装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双激励超声椭圆振动切削装置。包括纵向振动超声振子和弯曲超声振子，纵向振动超声振子包括第一预紧螺栓和套接在其上的纵向振动后盖板、压电陶瓷、电极片、纵向振动前盖板，弯曲超声振子包括第二预紧螺栓和套接在其上的弯曲振动后盖板、压电陶瓷、电极片、弯曲振动前盖板，刀具连接在弯曲振动前盖板上，第一预紧螺栓连接在弯曲振动后盖板上。通过纵向振动超声振子在装置径向和弯曲超声振子在装置轴向的两相具有一定相位差的激励，使装置呈现双弯曲振动模式，从而在刀具上输出椭圆振动轨迹。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。
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
超声椭圆振动切削技术具有工件与刀具的完全分离特性，还可实现切削过程中的“摩擦力反转”、“变角度切削”等特点，从而有效减小切削力和切削热，显著减小刀具磨损，减小加工表面的凹坑和微裂纹、降低工件表面粗糙度，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；且超声椭圆振动切削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完整性表面，本发明提供了一种双激励超声椭圆振动切削装置，且具有较高的输出功率。本发明采用的技术手段如下：
一种双激励超声椭圆振动切削装置，由纵向振动超声振子及弯曲超声振子组合而成，所述纵向振动超声振子包括第一预紧螺栓和套接在其上的纵向振动后盖板、压电陶瓷、电极片、纵向振动前盖板，所述弯曲超声振子包括第二预紧螺栓和套接在其上的弯曲振动后盖板、压电陶瓷、电极片、弯曲振动前盖板及连接在弯曲振动前盖板上的刀具，所述弯曲振动后盖板开设匹配第一预紧螺栓的螺孔和能够容纳纵向振动前盖板底端的凹槽，第一预紧螺栓螺接于螺孔上。
进一步地，纵向振动超声振子布置在装置的径向方向，其用于激励出装置的第一相弯曲振动。
进一步地，弯曲振动超声振子布置在装置的轴向方向，其用于激励出装置的第二相弯曲振动。
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，纵向振动超声振子采用型号为PZT-4的圆环形压电陶瓷，利用压电陶瓷较高工作效率的d33工作模式。
进一步地，纵向振动超声振子中的纵向振动前盖板是四分之一波长的带有圆锥过渡的阶梯型变幅杆，其用于对圆环形压电陶瓷产生的振动进行第一次放大。
进一步地，弯曲振动超声振子采用型号为PZT-4的半圆环形压电陶瓷，利用压电陶瓷较高工作效率的的d33工作模式。
进一步地，弯曲振动超声振子中的弯曲振动前盖板为带有圆锥过渡的阶梯杆，用于实现对半圆环形压电陶瓷产生的弯曲振动的第一次放大和纵向振动超声振子激励出的弯曲振动的第二次放大，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。
本发明具有以下优点：
该装置基于四阶弯曲振动的工作模式，装置输出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。纵向振动超声振子和弯曲振动超声振子的前盖板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是本发明实施例中主体结构示意图。
图2是本发明实施例中纵向振动超声振子的剖面图。
图3是本发明实施例中弯曲振动超声振子的爆炸图。
图中，1是纵向振动超声振子，2是弯曲振动超声振子，3A是第一预紧螺栓，4是纵向振动后盖板，5A是第一电极片，6A是第一圆环形压电陶瓷，5B是第二电极片，6B是第二圆环形压电陶瓷，7是纵向振动前盖板，3B是第二预紧螺栓，8是弯曲振动后盖板，5C是第三电极片，9A是第一半圆环形压电陶瓷，9B是第二半圆环形压电陶瓷，5D是第四电极片，9C是第三半圆环形压电陶瓷，9D是第四半圆环形压电陶瓷，10是弯曲振动前盖板，11是紧定螺钉，12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，本发明的一种双激励超声椭圆振动切削装置，由纵向振动超声振子1和弯曲振动超声振子2组成，纵向振动超声振子1布置在超声椭圆振动切削装置的径向方向，弯曲振动超声振子2布置在超声椭圆振动切削装置的轴向方向，刀具12通过紧定螺钉11固定在装置的最前端。
如图2所示，1是纵向振动超声振子，通过第一预紧螺栓3A将纵向振动后盖板4、第一电极片5A、第一圆环形压电陶瓷6A、第二电极片5B、第二圆环形压电陶瓷6B及纵向振动前盖板7等沿轴向按顺序进行紧固，本实施例中，施加100N的预紧力，进行保温老化处理。
如图2所示，在装配前，纵向振动后盖板4、第一电极片5A、第一圆环形压电陶瓷6A、第二电极片5B、第二圆环形压电陶瓷6B及纵向振动前盖板7应采用无水乙醇进行清洗；第一预紧螺栓3A与第一电极片5A、第一圆环形压电陶瓷6A、第二电极片5B、第二圆环形压电陶瓷6B接触的部分应缠绕绝缘胶带；纵向振动后盖板4、第一电极片5A、第一圆环形压电陶瓷6A、第二电极片5B、第二圆环形压电陶瓷6B之间的接触面之间应涂抹环氧树脂胶。
如图3所示，通过第二预紧螺栓3B将弯曲振动后盖板8、第三电极片5C、第一半圆环形压电陶瓷9A、第二半圆环形压电陶瓷9B、第四电极片5D、第三半圆环形压电陶瓷9C、第四半圆环形压电陶瓷9D及弯曲振动前盖板10沿轴向按顺序进行紧固，本实施例中，施加120N的预紧力，进行保温老化处理。
如图3所示，在装配前，弯曲振动后盖板8、第三电极片5C、第一半圆环形压电陶瓷9A、第二半圆环形压电陶瓷9B、第四电极片5D、第三半圆环形压电陶瓷9C、第四半圆环形压电陶瓷9D及弯曲振动前盖板10应采用无水乙醇进行清洗；第二预紧螺栓3B与第三电极片5C、第一半圆环形压电陶瓷9A、第二半圆环形压电陶瓷9B、第四电极片5D、第三半圆环形压电陶瓷9C、第四半圆环形压电陶瓷9D接触的部分应缠绕绝缘胶带；弯曲振动后盖板8、第三电极片5C、第一半圆环形压电陶瓷9A、第二半圆环形压电陶瓷9B、第四电极片5D、第三半圆环形压电陶瓷9C、第四半圆环形压电陶瓷9D及弯曲振动前盖板10之间的接触面之间应涂抹环氧树脂胶。
如图3所示，第一半圆环形压电陶瓷9A和第二半圆环形压电陶瓷9B组合成一个圆环形压电陶瓷，第三半圆环形压电陶瓷9C和第四半圆环形压电陶瓷9D组合成一个圆环形压电陶瓷，且两个半圆环形压电陶瓷的极化方向相反。
纵向振动超声振子1布置在双激励超声椭圆振动切削装置的径向方向，从而激励出装置的第一相弯曲振动；弯曲振动超声振子2布置在装置的轴向方向，从而激励出装置的第二相弯曲振动；利用与电极片相连的超声电源分别调节两相激励的激励电压和相位差，从而实现对刀具12输出的椭圆振动轨迹的调整。
纵向振动超声振子属于夹心式超声振子，采用型号为PZT-4的圆环形压电陶瓷，利用压电陶瓷较高工作效率的d33工作模式。
纵向振动超声振子中的纵向振动前盖板是四分之一波长的带有圆锥过渡的阶梯型变幅杆，能够对圆环形压电陶瓷产生的振动进行第一次放大。
弯曲振动超声振子属于夹心式超声振子，采用型号为PZT-4的半圆环形压电陶瓷，利用压电陶瓷较高工作效率的的d33工作模式。
弯曲振动超声振子中的弯曲振动前盖板为带有圆锥过渡的阶梯杆，可实现对半圆环形压电陶瓷产生的弯曲振动的第一次放大和纵向振动超声振子激励出的弯曲振动的第二次放大，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。较大的振幅也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。
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 (6)
1.一种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及弯曲振动超声振子组合而成，所述纵向振动超声振子包括第一预紧螺栓和套接在其上的纵向振动后盖板、第一电极片、第一圆环形压电陶瓷、第二电极片、第二圆环形压电陶瓷、纵向振动前盖板，所述弯曲振动超声振子包括第二预紧螺栓和套接在其上的弯曲振动后盖板、第三电极片、第一半圆环形压电陶瓷、第二半圆环形压电陶瓷、第四电极片、第三半圆环形压电陶瓷、第四半圆环形压电陶瓷、弯曲振动前盖板及连接在弯曲振动前盖板上的刀具，所述弯曲振动后盖板开设匹配第一预紧螺栓的螺孔和能够容纳纵向振动前盖板底端的凹槽，第一预紧螺栓螺接于螺孔上；
第一半圆环形压电陶瓷和第二半圆环形压电陶瓷组合成第三圆环形压电陶瓷，第三半圆环形压电陶瓷和第四半圆环形压电陶瓷组合成第四圆环形压电陶瓷，且两个半圆环形压电陶瓷的极化方向相反；
纵向振动超声振子中的纵向振动前盖板是四分之一波长的带有圆锥过渡的阶梯型变幅杆，用于对第一圆环形压电陶瓷、第二圆环形压电陶瓷产生的振动进行第一次放大；
弯曲振动超声振子中的弯曲振动前盖板为带有圆锥过渡的阶梯杆，用于实现对半圆环形压电陶瓷产生的弯曲振动的第一次放大和纵向振动超声振子激励出的弯曲振动的第二次放大。
2.根据权利要求1所述的双激励超声椭圆振动切削装置，其特征在于，纵向振动超声振子布置在装置的径向方向，其用于激励出装置的第一相弯曲振动。
3.根据权利要求1所述的双激励超声椭圆振动切削装置，其特征在于，弯曲振动超声振子布置在装置的轴向方向，其用于激励出装置的第二相弯曲振动。
4.根据权利要求1所述的双激励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所述的双激励超声椭圆振动切削装置，其特征在于，纵向振动超声振子采用型号为PZT-4的圆环形压电陶瓷，利用压电陶瓷较高工作效率的d33工作模式。
6.根据权利要求1所述的双激励超声椭圆振动切削装置，其特征在于，弯曲振动超声振子采用型号为PZT-4的半圆环形压电陶瓷，利用压电陶瓷较高工作效率的d33工作模式。
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