CN111014738B - 一种单激励三维超声椭圆车削装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单激励三维超声椭圆车削装置。本发明包括：超声电源、装置壳体及固定在其中的超声椭圆振动切削单元，所述超声电源连接在装置壳体上，所述装置壳体固定在机床的工作台上，所述超声椭圆振动切削单元包括固定在装置壳体上的输入端、连接刀具的输出端和连接于输入端与输出端之间的多个传振杆，所述多个传振杆结构性质有所差异，使得每相振动间存在相位差，从而输出三维椭圆轨迹。该装置具有结构简单，加工干涉小，切削效率高、刀具三维振动轨迹可调及适用性较强等特点。

Description

一种单激励三维超声椭圆车削装置
技术领域
本发明涉及振动切削加工领域，尤其涉及一种单激励三维超声椭圆车削装置。
背景技术
与传统的加工方法相比，超声椭圆振动加工技术具有工件与刀具的更加彻底分离特性，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，更容易获得较好的表面加工质量，因而广泛应用于多种难加工材料的精密超精密加工中。
为实现“完全分离型”振动切削，应使切削速度小于临界切削速度，而临界切削速度与切削速度方向上的振幅成正比，因此，提高切削速度方向上的振幅可提升临界切削速度，可极大提高超声椭圆振动切削加工效率。
超声椭圆振动加工装置分为单激励和双激励两种形式，双激励振动系统结构复杂，易造成加工干涉，且对控制系统有较高要求；单激励振动系统结构简单，椭圆振动轨迹输出稳定，易实现微型化和工业化，但椭圆振动轨迹的形状不易改变。
超声椭圆振动轨迹至少应由不小于两相的超声振动合成，且参与合成的多相振动应存在相位差。控制两相参与合成的振动的参数(振幅及相位差等)，可实现在某一平面上椭圆振动轨迹形状的调整；控制三相参与合成的振动的参数即可实现对三维椭圆振动轨迹形状(倾斜角度、长短轴比例、圆润或扁平等)的改变。
由于设计原理的限制，现有的单激励超声椭圆振动车削装置难以改变输出椭圆的振动轨迹形状，针对不同的切削加工应用场合的适应性较差，限制了超声椭圆振动加工技术的推广和应用。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出一种单激励三维超声椭圆车削装置，目的是稳定输出超声椭圆振动，通过对传振杆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ制作材料及结构形式的设计和更换，可改变传振杆输出的三相振动的相位差及振幅，从而在三维空间内对刀具输出的椭圆振动轨迹(倾斜角度、长短轴比例、圆润或扁平等)进行控制，进而针对不同的加工材料和应用场合，满足不同的切削加工要求。本发明采用的技术手段如下：
一种单激励三维超声椭圆车削装置，包括超声电源、装置壳体及固定在其中的超声椭圆振动切削单元，所述超声电源连接在装置壳体上，所述装置壳体可拆卸的连接在机床的工作台上，所述超声椭圆振动切削单元包括固定在装置壳体上的输入端、连接刀具的输出端和连接于输入端与输出端之间的多个传振杆，所述多个传振杆结构性质有所差异，使得每相振动间存在相位差，从而输出三维椭圆轨迹。
进一步地，所述传振杆数量为3个，所述结构性质的差异包括传振杆的制作材料和/或传振杆的直径。
进一步地，所述超声椭圆振动切削单元包括多级振幅放大结构，其用于增加输出端刀具的振幅。
进一步地，所述超声椭圆振动切削单元的输入端为单激励换能器，其包括预设规格的圆柱形前盖板和连接在其上的第一半球状耦合头，所述第一半球状耦合头作为一级振幅放大结构，用于对换能器提供的振动进行第一次放大。
进一步地，传振杆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的一端可拆卸的连接在第一半球状耦合头上，从而使变幅杆输出的超声振动有三个不同的传递路径。
进一步地，所述输出端包括第二半球状耦合头和与其相连的贝塞尔曲线变幅杆，传振杆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的一端可拆卸的连接第二半球状耦合头上，所述贝塞尔曲线变幅杆的端部连接刀具，所述贝塞尔曲线变幅杆作为二级振幅放大结构，用于对第二半球状耦合头输出的超声椭圆振动进行二次放大。
进一步地，车削装置的谐振频率为35kHz，输出的振幅为12-20μm。
本发明具有较大自由度，通过对传振杆的设计和更换，可改变三维空间中椭圆振动轨迹形状。结合不同的加工应用场合，合理调整椭圆振动轨迹，以获取更好的加工质量。该超声椭圆振动车削装置具有通用性，可适配多种型号的机床，本发明各组件均通过高强螺栓连接，方便安装与拆卸。采用单激励椭圆振动的实现方案，超声椭圆振动输出稳定，整体结构简便，对控制系统要求较低，适用于多种实际加工工况，有利于实现工业化。
基于上述理由本发明可在振动切削加工领域广泛推广。
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是本发明的结构示意图。
图2是装置中超声椭圆振动切削单元的外形轮廓图。
图3是装置中超声椭圆振动切削单元的透视图。
图中：1、超声电源；2、装置壳体；3、超声椭圆振动切削单元；4、航空插头；5、第一高强螺栓；6、工作台；7、换能器；8、第一半球状耦合头；9、传振杆(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)；10、第二半球状耦合头；11、贝塞尔曲线变幅杆；12、刀具；13、第二高强螺柱；14、第三高强螺栓；15、第四高强螺栓；16、第五高强螺栓；17、第六高强螺柱；18、第七高强螺柱；19、第八高强螺柱；20、第九高强螺栓；21、第十高强螺栓。
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，一种单激励三维超声椭圆车削装置，包括超声电源1、装置壳体2及固定在其中的超声椭圆振动切削单元3，所述超声电源连接在装置壳体上，具体地，超声电源1与安装在装置壳体2上的航空插头4相连接，激励整个超声椭圆车削装置。所述装置壳体可拆卸的连接在机床的工作台6上，本实施例中，采用第一高强螺栓5进行连接。所述超声椭圆振动切削单元包括固定在装置壳体上的输入端、连接刀具的输出端和连接于输入端与输出端之间的多个传振杆，所述多个传振杆结构性质有所差异，使得每相振动的频率和振幅不同，从而输出三维椭圆轨迹。所述传振杆数量为3个，所述结构性质的差异包括传振杆的制作材料和/或传振杆的直径。
作为优选的实时方式，所述的传振杆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为形状不同和/或至少有一竖截面横截面积不同的等径或变径结构(如悬链式、阶梯式及圆锥式等)及制作材料(铁、铝合金及钛合金等)可更换的多种可调整的组合设计结构，通过选取预设的传振杆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，改变传振杆输出的三相振动的相位差及振幅，从而在三维空间内对刀具输出的椭圆振动轨迹(倾斜角度、长短轴比例、圆润或扁平等)进行控制，进而针对不同的加工材料和应用场合，满足不同的切削加工要求。
为了提高了超声椭圆振动切削的临界切削速度，有效解决了切削加工效率较低的问题，所述超声椭圆振动切削单元包括多级振幅放大结构，其用于增加输出端刀具的振幅。
如图2、图3所示，所述超声椭圆振动切削单元的输入端为单激励换能器，其包括预设规格的圆柱形前盖板和通过第二高强螺柱13可拆卸地连接在其上的第一半球状耦合头8，球面侧设有圆柱形前盖板端部的切面，其与圆柱形前盖板的端面相连，具体地，圆柱形前盖板的后端连接有压电陶瓷，所述第一半球状耦合头作为一级振幅放大结构，用于对换能器提供的振动进行第一次放大。传振杆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的一端通过高强螺栓14、15及16可拆卸的连接在第一半球状耦合头非球面侧的平面上，从而使变幅杆输出的超声振动有三个不同的传递路径。
所述的第二半球状耦合头10与传振杆9、第一半球状耦合头8及换能器7进行一体式匹配设计，利用高强螺柱17、18及19与传振杆9(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)紧密连接，将传振杆9(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)输出的三相振动进行复合，由于三相超声振动振动具有一定的相位差，可在第二半球状耦合头10输出端合成超声椭圆振动。
所述输出端包括第二半球状耦合头10和与其球面端相连的贝塞尔曲线变幅杆11，所述球面端端部设有匹配贝塞尔曲线变幅杆端部的切面，传振杆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的一端可拆卸的连接第二半球状耦合头10的非球面端的平面上，所述贝塞尔曲线变幅杆的端部连接刀具，所述贝塞尔曲线变幅杆作为二级振幅放大结构，用于对第二半球状耦合头10输出的超声椭圆振动进行二次放大，刀具12通过第十高强螺栓21固定在贝塞尔曲线变幅杆11上，车削装置的谐振频率为35kHz，输出的振幅为12-20μm。
本发明通过结构形式或制作材料不同的传振杆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，从而使超声振动有三个不同的传递路径，每相振动的频率和振幅发生变化，由第一半球状耦合头将传振杆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ输出的三相振动进行复合，由于三相超声振动振动具有一定的相位差，可在第二半球状耦合头输出端合成超声椭圆振动，经过贝塞尔曲线变幅杆进行二次放大后，最终在安装在贝塞尔曲线变幅杆末端的刀具上稳定输出较大长短轴超声椭圆振动轨迹。由于超声椭圆振动轨迹是由三相超声振动复合而成，通过对传振杆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ制作材料及结构形式的设计和更换，可改变传振杆输出的三相振动的相位差及振幅，从而在三维空间内对刀具输出的椭圆振动轨迹进行控制，进而满足不同的切削加工要求；超声椭圆振动切削单元中具有多级振幅放大结构，最终在刀具上输出较大的振幅，大大提高了超声椭圆振动切削的临界切削速度，有效解决了切削加工效率较低的问题。
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 (4)

1.一种单激励三维超声椭圆车削装置，其特征在于，包括超声电源、装置壳体及固定在其中的超声椭圆振动切削单元，所述超声电源连接在装置壳体上，所述装置壳体可拆卸的连接在机床的工作台上，所述超声椭圆振动切削单元包括固定在装置壳体上的输入端、连接刀具的输出端和连接于输入端与输出端之间的3个传振杆，3个传振杆结构性质有所差异，结构性质的差异包括传振杆的制作材料和/或传振杆的直径，使得每相振动间存在相位差，从而输出三维椭圆轨迹；
所述超声椭圆振动切削单元包括多级振幅放大结构，其用于增加输出端刀具的振幅；
所述超声椭圆振动切削单元的输入端为单激励换能器，其包括预设规格的圆柱形前盖板和连接在其上的第一半球状耦合头，所述第一半球状耦合头作为一级振幅放大结构，用于对换能器提供的振动进行第一次放大。
2.根据权利要求1所述的单激励三维超声椭圆车削装置，其特征在于，传振杆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的一端可拆卸的连接在第一半球状耦合头上，从而使变幅杆输出的超声振动有三个不同的传递路径。
3.根据权利要求2所述的单激励三维超声椭圆车削装置，其特征在于，所述输出端包括第二半球状耦合头和与其相连的贝塞尔曲线变幅杆，传振杆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的一端可拆卸的连接第二半球状耦合头上，所述贝塞尔曲线变幅杆的端部连接刀具，所述贝塞尔曲线变幅杆作为二级振幅放大结构，用于对第二半球状耦合头输出的超声椭圆振动进行二次放大。
4.根据权利要求1所述的单激励三维超声椭圆车削装置，其特征在于，车削装置的谐振频率为35 kHz，输出的振幅为12-20µm。
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