CN112059742B - 一种压电异形变幅杆超声研抛装置 - Google Patents

一种压电异形变幅杆超声研抛装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压电异形变幅杆超声研抛装置，包括：换能器后预紧块；换能器前预紧块；第一压电陶瓷片；预紧部件，分别与换能器后预紧块以及换能器前预紧块固定连接以提供作用在第一压电陶瓷片上的预置静压力；以及振动传递部，包括振动输入端、振动输出端以及变幅杆，振动输入端与换能器前预紧块固定连接，变幅杆包括至少一柔性杆和一联接杆以及若干压电陶瓷堆叠杆，柔性杆的两端分别连接在振动输入端和振动输出端，压电陶瓷堆叠杆环绕布设在柔性杆的外周部。通过逆压电效应促使柔性杆在轴向方向进行位移补偿以弥补研磨抛光的磨损量，从而达到预置静压力平衡以及保持研抛系统的固有频率不变，以避免谐振频率漂移。

Description

一种压电异形变幅杆超声研抛装置
技术领域
本发明涉及研磨抛光机加工技术领域，特别涉及一种压电异形变幅杆超声研抛装置。
背景技术
零部件表面研磨抛光是机械加工领域中必不可少的关键工序。随着越来越多高性能新材料包括先进陶瓷、单晶硅、蓝宝石等在航空航天、电子信息、国防军工等行业领域，尤其在精密与超精密加工领域上的应用，传统的研磨抛光工艺已无法满足高性能新材料表面研磨抛光加工的需求。
随着科技的发展，超声辅助研磨抛光技术在高性能新材料的表面加工领域应用日趋广泛。
现有超声研磨抛光系统由于抛光工件的材料去除和工具头的磨损等原因，在使用过程中很快就将导致原先预置的静压力改变和导致系统的谐振频率漂移。严重影响了研磨抛光系统的使用寿命，加工效率和加工质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电异形变幅杆超声研抛装置，能够实现预置静压力的稳定控制以及避免加工过程中系统共振频率的漂移。
本发明所采用的技术方案是：
一种压电异形变幅杆超声研抛装置，包括：
换能器后预紧块；
换能器前预紧块；
第一压电陶瓷片，设置在所述换能器后预紧块与所述换能器前预紧块之间；
预紧部件，分别与所述换能器后预紧块以及所述换能器前预紧块固定连接以提供作用在所述第一压电陶瓷片上的预置静压力；以及
振动传递部，包括振动输入端、振动输出端以及连接在振动输入端和振动输出端之间的异形变幅杆，所述振动输入端与所述换能器前预紧块固定连接，所述异形变幅杆包括至少一柔性杆、一联接杆以及若干压电陶瓷堆叠杆，所述柔性杆的两端分别连接在所述振动输入端和振动输出端，所述压电陶瓷堆叠杆布设在所述柔性杆的外周部，所述压电陶瓷堆叠杆通过逆压电效应使得所述柔性杆沿自身的轴向发生形变。
有益效果：本发明技术方案中，基于压电陶瓷的高精度、响应快以及能实现位移变化的特点，设计了一种具有异形变幅杆的振动传递部。采用本申请技术方案进行加工时，可以通过压压电陶瓷堆叠杆的正压电效应感应预置静压力的改变并通过电信号准确的显示出来，通过逆压电效应促使柔性杆在轴向方向进行位移补偿以弥补研磨抛光的磨损量，从而达到预置静压力平衡以及保持研抛系统的固有频率不变，以避免谐振频率漂移。
进一步地，所述压电陶瓷堆叠杆包括上压电陶瓷堆叠杆和下压电陶瓷堆叠杆，所述上压电陶瓷堆叠杆一端与所述振动输入端对接固定，另一端与所述联接杆对接固定，所述下压电陶瓷堆叠杆的一端与所述振动输出端对接固定，另一端与所述联接杆对接固定。
进一步地，所述柔性杆贯穿所述联接杆的中部，所述下压电陶瓷堆叠杆的一端以及所述上压电陶瓷堆叠杆的另一端共同对接固定在所述联接杆的端部。
进一步地，所述上压电陶瓷堆叠杆和所述下压电陶瓷堆叠杆关于所述联接杆对称设置。
进一步地，所述联接杆为刚性杆件。
进一步地，所述压电陶瓷堆叠杆由多层第二压电陶瓷片依次堆叠构成，所述第二压电陶瓷片之间电学并联。
进一步地，所述预紧部件为预紧螺栓，所述第一压电陶瓷片为环形瓷片，所述换能器前预紧块上设置有安装螺纹孔，所述预紧螺栓贯穿所述环形瓷片后螺栓连接在所述换能器前预紧块上。
进一步地，所述第一压电陶瓷片的数量为多个且依次叠加。
进一步地，所述换能器前预紧块在与所述振动输入端连接的一端设置成阶梯型结构。
进一步地，所述换能器前预紧块与所述振动输入端之间通过紧固螺栓连接，使得所述换能器前预紧块的端面与所述振动输入端的端面之间保持预设大小的预压力。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明：
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为图1的主视图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
名词解释：
正压电效应：压电材料在极化方向上受到压力时，相应的两个材料表面会产生正负相反的电荷，形成电势差。当外力去除后，它又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
逆压电效应：与正压电效应相反，当在压电材料在极化方向的两个表面加上电压时，压电材料会发生形变。当电压去除时，压电材料又恢复原状，这种现象称之为逆压电效应。
超声谐振频率漂移：为了获得最大振幅，当选择超声加工频率时通常选为和研磨抛光系统固有频率相同或相近以达到共振或局部共振。在研磨过程中工件材料的去除和工具头的磨损将改变研磨抛光系统的固有频率，导致频率漂移从而减小振幅。
叠层压电陶瓷：采取电学并联机械串联的方式封装成压电堆叠杆以扩大位移输出，实现在较小的电压下输出较大位移。位移输出与电压输入成线性关系，实现理论上分辨率无穷小。
参照图1和图2，本发明实施例一种压电异形变幅杆超声研抛装置，主要由换能器后预紧块10、换能器前预紧块20、第一压电陶瓷片30、预紧部件40以及振动传递部50组成。
其中，第一压电陶瓷片30安装在所述换能器后预紧块10与所述换能器前预紧块20之间，预紧部件40的两端分别与所述换能器后预紧块10以及所述换能器前预紧块20固定连接，以提供预置静压力作用在第一压电陶瓷片30上。
振动传递部50包括振动输入端51、振动输出端52以及连接在振动输入端51和振动输出端52之间的异型变幅杆，所述振动输入端51与所述换能器前预紧块20固定连接以接收振动，所述异型变幅杆包括至少一柔性杆54、联接杆53以及若干压电陶瓷堆叠杆，所述柔性杆54的两端分别连接在所述振动输入端51和振动输出端52，所述压电陶瓷堆叠杆环绕布设在所述柔性杆54的外周部，所述压电陶瓷杆通过逆压电效应使得所述柔性杆54沿自身的轴向发生形变。
需要理解的是，异型变幅杆中的“异型”可理解为制作出来的变幅杆的外轮廓的形状，该变幅杆的外轮廓形状不做具体的限定，外轮廓形状的设定以便于能够实现压电陶瓷堆叠杆通过逆压电效应促使柔性杆54在轴向方向进行位移补偿以弥补研磨抛光的磨损量为准。
本发明技术方案中，基于压电陶瓷的高精度、响应快以及能实现位移变化的特点，设计了一种具有异型变幅杆的振动传递部50。采用本申请技术方案进行加工时，可以通过压电陶瓷杆的正压电效应感应预置静压力的改变并通过电信号准确的显示出来，通过逆压电效应促使柔性杆54在轴向方向进行位移补偿以弥补研磨抛光的磨损量，从而达到预置静压力平衡以及保持研抛系统的固有频率不变，以避免谐振频率漂移。
进一步地，所述压电陶瓷堆叠杆包括上压电陶瓷堆叠杆55和下压电陶瓷堆叠杆56，所述上压电陶瓷堆叠杆55一端与所述振动输入端51对接固定，另一端与联接杆53对接固定。所述下压电陶瓷堆叠杆56一端与联接杆53对接固定，另一端与所述振动输出端52对接固定。继续参照图2，整体上，上压电陶瓷堆叠杆55的一端与所述振动输入端51对接固定并由上至下安装成发散状，以实现振幅的放大；下压电陶瓷堆叠杆56一端与联接杆53对接固定，另一端由上至下收拢安装于振动输出端52。压电陶瓷堆叠杆环绕柔性杆54布置，通过压电陶瓷杆的逆压电效应产生位移，进而促使柔性杆54在轴向方向进行位移补偿以弥补研磨抛光的磨损量，从而达到预置静压力平衡以及保持研抛系统的固有频率不变，以避免谐振频率漂移。
优选地，所述柔性杆54贯穿所述联接杆53的中部，所述下压电陶瓷堆叠杆56的一端以及所述上压电陶瓷堆叠杆55的另一端共同对接固定在所述联接杆53的端部。联接杆53为刚性杆件，并作为整个异型变幅杆的搭建基础，实现柔性杆54以及压电陶瓷堆叠杆稳定的定位安装。
进一步地，所述上压电陶瓷堆叠杆55和所述下压电陶瓷堆叠杆56关于所述联接杆53对称设置，使得异型变幅杆整体成菱形，便于实现形变量的转化。
进一步地，所述压电陶瓷堆叠杆由多层第二压电陶瓷片依次堆叠构成，所述压电陶瓷片之间电学并联。第二压电陶瓷片之间采用电学并联以及机械串联的方式封存成压电陶瓷堆叠杆。压电陶瓷堆叠杆通过多层第二压电陶瓷片的位移叠加以实现在较小的电压下输出大位移，可以获得更好的可控性和实现更高的精度。
优选地，所述预紧部件40为预紧螺栓，所述第一压电陶瓷片30为环形瓷片，所述换能器前预紧块20上设置有安装螺纹孔，所述预紧螺栓贯穿所述环形瓷片后螺栓连接在所述换能器前预紧块20上。
优选地，所述第一压电陶瓷片30的数量为多个且依次叠加。通过设置多组相互叠加的第一压电陶瓷片30，以实现预置静压力的变化放大。
进一步地，所述换能器前预紧块20在与所述振动输入端51连接的一端设置成阶梯型结构21。阶梯形具有更大的振幅放大系数和更简单的加工制作。
进一步地，所述换能器前预紧块20与所述振动输入端51之间通过紧固螺栓连接，使得所述换能器前预紧块20的端面与所述振动输入端51的端面之间保持预设大小的预压力。
该压电异形变幅杆超声研抛装置的工作原理为：第一压电陶瓷片30通过逆压电效应将一定频率的电信号转换成相同频率的机械振动，振动以纵波的形式沿着换能器前预紧块20的方向向下传递至振动传递部50的振动输入端51，然后传递至柔性杆54聚能增振幅，最后由振动传递部50的振动输出端52输出振幅。
整个研抛过程中给予适当的预置静压力，且选择的超声频率是和整个研磨抛光系统的固有频率相同或相近以达到共振或局部共振获取最大振幅。随着加工的进行，当加工件材料的去除和工具头的磨损导致出现预置静压力减小和系统的固有频率改变时。由于此压电异形变幅杆不同于现有的传统变幅杆，在传递振动和放大振幅的过程中可以通过图2所示的四个压电陶瓷堆叠杆的正压电效应感应预置静压力的改变，并通过电信号准确的显示出来，通过逆压电效应促使柔性杆54在轴向方向进行位移补偿以弥补研磨抛光的磨损量从而达到预置静压力平衡和保持研抛系统固有频率不变，以避免谐振频率漂移。
与现有超声研磨抛光技术相比，本发明一种压电异形变幅杆超声研抛装置能实现预压力精准控制和位移补偿。
研磨抛光过程中，保持预置静压力的稳定对于研磨抛光质量极其重要。由于本发明在研抛过程中能通过正压电效应感知预置静压力的改变，且能通过逆压电调整预置静压力，使得静压力维持稳定，进而显著的提高了研抛的效率和质量。
除了保持预置静压力稳定外，输出振幅大小对研抛的效果也是极其重要的。为了获得最大振幅输出，研抛装置都会选择与系统固有频率相同或相近，达到共振或局部共振以获得最大振幅输出。但是在现有研抛技术中，研抛过程中工具头的磨损很快将改变系统的固有频率，导致共振状态被破坏而严重影响振幅输出。本发明通过堆叠的压电陶瓷堆叠杆的逆压电效应使得柔性杆54在轴向方向进行位移补偿以保持系统谐振，显著的提高了研抛的效率和质量。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种压电异形变幅杆超声研抛装置，其特征在于，包括：
换能器后预紧块；
换能器前预紧块；
第一压电陶瓷片，设置在所述换能器后预紧块与所述换能器前预紧块之间，所述第一压电陶瓷片的数量为多个且依次叠加；
预紧部件，分别与所述换能器后预紧块以及所述换能器前预紧块固定连接以提供作用在所述第一压电陶瓷片上的预置静压力；以及
振动传递部，包括振动输入端、振动输出端以及连接在振动输入端和振动输出端之间的异形变幅杆，所述振动输入端与所述换能器前预紧块固定连接，所述异形变幅杆包括至少一柔性杆、一联接杆以及若干压电陶瓷堆叠杆，所述柔性杆的两端分别连接在所述振动输入端和振动输出端，所述压电陶瓷堆叠杆布设在所述柔性杆的外周部，所述压电陶瓷堆叠杆通过正压电效应感应预置静压力的改变，所述压电陶瓷堆叠杆通过逆压电效应使得所述柔性杆沿自身的轴向发生形变。
2.根据权利要求1所述的压电异形变幅杆超声研抛装置，其特征在于：所述压电陶瓷堆叠杆包括上压电陶瓷堆叠杆和下压电陶瓷堆叠杆，所述上压电陶瓷堆叠杆一端与所述振动输入端对接固定，另一端与所述联接杆对接固定，所述下压电陶瓷堆叠杆的一端与所述振动输出端对接固定，另一端与所述联接杆对接固定。
3.根据权利要求2所述的压电异形变幅杆超声研抛装置，其特征在于：所述柔性杆贯穿所述联接杆的中部，所述下压电陶瓷堆叠杆的一端以及所述上压电陶瓷堆叠杆的另一端共同对接固定在所述联接杆的端部。
4.根据权利要求3所述的压电异形变幅杆超声研抛装置，其特征在于：所述上压电陶瓷堆叠杆和所述下压电陶瓷堆叠杆关于所述联接杆对称设置。
5.根据权利要求4所述的压电异形变幅杆超声研抛装置，其特征在于：所述联接杆为刚性杆件。
6.根据权利要求1至5任一项所述的压电异形变幅杆超声研抛装置，其特征在于：所述压电陶瓷堆叠杆由多层第二压电陶瓷片依次堆叠构成，所述第二压电陶瓷片之间电学并联。
7.根据权利要求1至5任一项所述的压电异形变幅杆超声研抛装置，其特征在于：所述预紧部件为预紧螺栓，所述第一压电陶瓷片为环形瓷片，所述换能器前预紧块上设置有安装螺纹孔，所述预紧螺栓贯穿所述环形瓷片后螺栓连接在所述换能器前预紧块上。
8.根据权利要求1至5任一项所述的压电异形变幅杆超声研抛装置，其特征在于：所述换能器前预紧块在与所述振动输入端连接的一端设置成阶梯型结构。
9.根据权利要求8所述的压电异形变幅杆超声研抛装置，其特征在于：所述换能器前预紧块与所述振动输入端之间通过紧固螺栓连接，使得所述换能器前预紧块的端面与所述振动输入端的端面之间保持预设大小的预压力。
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