CN112427281B - 一种复频超声振动加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复频超声振动加工装置，包括：至少两个低频超声换能器、两个高频超声换能器、一个柔性矩形薄板、两个圆柱型导波带、一个工具头、一个工具头固定夹具、一个刀具座、四个内六角螺钉、一个内六角紧定螺钉。本发明增强了刀具头的冲击力，在获得高质量加工表面的同时，缩短了加工周期、延长了刀具寿命；且此装置还有结构简单，体积较小，安装比较方便的特点。

Description

一种复频超声振动加工装置

技术领域

本发明涉及超声振动加工技术领域，特别是涉及对于低频超声振动加工装置和高频超声振动加工装置的改进和集成，具体为一种复频超声振动加工装置。

背景技术

超声振动加工装置是一种利用超声频作振幅振动的工具。从上世纪七十年代起，一些学者就把超声振动引入了精密切削加工中。超声振动切削技术经过数十年的发展而不断进步，最早提出的是一维超声振动切削技术，虽然能有效降低切削力，提高脆性材料延性去除临界切削深度，改善表面加工质量，但一维往复高频振动的刀尖轨迹极易加快刀具磨损和发生崩刀。到了上个世纪末，国外学者又在一维的基础上提出了二维超声加工的概念，刀具轨迹由两个方向的振动合成，形成了椭圆振动轨迹。椭圆振动切削不仅拥有传统振动切削的优势，而且尽可能避免了后刀面与已加工表面之间的摩擦，进一步提高了工件表面质量和刀具使用寿命。但是，目前针对一些粘性材料、纤维材料和高硬度难加工材料，特别是针对航空航天类的相关零部件，普通的二维超声振动加工装置仍然存在切削加工时冲击力不够、加工表面光洁度不够、刀具磨损较严重，导致加工零件周期变长等问题。本文针对以上的种种现象与问题，在难加工材料的精密加工领域，与此领域相关的精密加工技术和精密加工装置仍有很大的研究空间。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种复频超声振动加工装置，旨在能够解决现有技术中的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复频超声振动加工装置，包括：至少两个低频超声换能器、两个高频超声换能器、一个柔性矩形薄板、两个圆柱型导波带、一个工具头、一个工具头固定夹具、一个刀具座、四个内六角螺钉、一个内六角紧定螺钉；两个低频超声换能器通过一个柔性矩型薄板相连接，利用其受激励易产生弯曲变形的特征，确保在低频部分由两个低频超声换能器耦合出大的椭圆运动轨迹；两个高频超声换能器通过两个圆柱型导波带分别与工具头的上边和侧边以焊接的方式相连接，利用导波带具有单向动态刚性且声负载阻抗很小的特征，确保在高频部分由两个高频超声换能器耦合出小的椭圆运动轨迹；工具头固定夹具和矩形薄板相连接，其中间做成空心结构以便工具头的装配；工具头竖直插入固定夹具的空心结构中，然后在其的左右两侧通过四个内六角螺钉加以固定；刀具座安装在工具头的前端，通过一个内六角紧定螺钉固定，刀具座的最前端固定有用于超声加工的单晶金刚石刀具；超声加工时，低频部分产生大的椭圆运动轨迹，高频部分产生小的椭圆运动轨迹，最终在工具头处耦合输出复频超声加工的运动轨迹。

进一步地，所述的两个低频超声换能器通过一个柔性矩形薄板相连接。柔性矩形薄板具有受到激励容易产生弯曲变形的特性，当给予两个低频超声换能器激励时，可以确保在矩形薄板上耦合产生出一个大的椭圆运动轨迹。

进一步地，所述的两个高频超声换能器通过两个圆柱型导波带分别与工具头的上边和侧边以焊接的方式相连接。圆柱型导波带具有单向动态刚性特征，且声负载阻抗特别小，当给予两个高频超声换能器激励时，可以确保耦合产生出一个小的椭圆运动轨迹。

进一步地，所述的高频超声换能器设为纵向振动输出，其振动输出端与圆柱型导波带的轴线呈同轴相连接。

进一步地，所述的圆柱型导波带可以是一条导波线或是多条导波线的集合，此装置中的导波带应分为两组，且其长度大于该导波带所连接超声换能器的激励的频率的振动波的半波长度。

进一步地，所述的两组圆柱型导波带，一组导波带连接于其中一个高频超声换能器和工具头上端面的中心位置，另一组导波带连接于另一个高频超声换能器和工具头侧面，其侧面的连接位置设在能够使工具头产生弯曲振动变形的波峰/波谷处。

进一步地，所述的工具头固定夹具和矩形薄板相连接，其中间做成空心结构，以方便工具头的插入装夹。

进一步地，所述的工具头可以竖直地插入固定夹具之中，然后通过四个内六角螺钉将其加以固定。

进一步地，所述的刀具座安装在工具头的前端，通过一个内六角紧定螺钉加以固定，刀具座的最前端固定有用于超声加工的单晶金刚石刀具。

本发明的目的在于克服目前现有的二维超声振动加工装置对于高硬度难加工材料加工时存在的刀具头冲击力不够、加工表面光洁度不够、刀具磨损较严重，导致加工零件周期变长等方面的技术不足。与此同时，提供了一种新的复频超声振动加工装置，通过将低频超声振动加工装置和高频超声振动加工装置结合成为一个独立的装置，从而极大增强了刀具头的冲击力，在获得高质量加工表面的同时，缩短了加工周期、延长了刀具寿命。且此装置还有结构简单，体积较小，安装比较方便的特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的等轴侧视图；

图3是本发明低频超声部分的结构示意图；

图4是本发明高频超声部分的结构示意图；

图5是本发明工具头装夹部分的结构示意图。

以下给出了图1～5中各主要部件的代号：

1-第一低频超声换能器、2-第二低频超声换能器、3-柔性矩形薄板、4-第一高频超声换能器、5-第二高频超声换能器、6-圆柱型导波带、7-圆柱型导波带、8-工具头、9-第一内六角螺钉、10-第二内六角螺钉、11-第三内六角螺钉、12-第四内六角螺钉、13-工具头固定夹具、14-刀具座、15-内六角紧定螺钉。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“周向”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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1～5所示，本发明实施例设有第一低频超声换能器1、第二低频超声换能器2、柔性矩形薄板3、第一高频超声换能器4、第二高频超声换能器5、圆柱型导波带6、圆柱型导波带7、工具头8、第一内六角螺钉9、第二内六角螺钉10、第三内六角螺钉11、第四内六角螺钉12、工具头固定夹具13、刀具座14、内六角紧定螺钉15。

所述的复频超声振动加工装置，第一低频超声换能器1和第二低频超声换能器2通过一个柔性矩形薄板3相连接，利用柔性矩形薄板3受激励易产生弯曲变形的特征，确保在低频部分由第一低频超声换能器1和第二低频超声换能器2耦合出大的椭圆运动轨迹。第一高频超声换能器4和第二高频超声换能器5通过圆柱型导波带6及圆柱型导波带7分别与工具头8的上边和侧边以焊接的方式相连接，利用导波带具有单向动态刚性且声负载阻抗很小的特征，确保在高频部分由高频超声换能器4和高频超声换能器5耦合出小的椭圆轨迹。工具头固定夹具13和矩形薄板3相连接，其中间做成空心结构以便工具头8的装配。工具头8竖直插入固定夹具13的空心结构中，然后在其的左右两侧通过第一内六角螺钉9、第二内六角螺钉10、第三内六角螺钉11、第四内六角螺钉12加以固定。刀具座14安装在工具头8的前端，通过一个内六角紧定螺钉15固定，刀具座14的最前端固定有用于超声加工的单晶金刚石刀具。

当进行复频超声振动加工时，首先需要将装有单晶金刚石刀具的刀具座14安装到工具头8的前端，并用内六角紧定螺钉15固定牢固。之后，需要将整个准备好的复频超声振动加工装置移动至相应的工作台上，同时对整个装置加以装夹固定。

固定好整个复频超声振动加工装置之后，我们需要给装置施以不同的激励，以使得第一低频超声换能器1和第二低频超声换能器2的低频超声部分、第一高频超声换能器4和第二高频超声换能器5的高频超声部分产生大小不同的椭圆运动轨迹。

施加激励时，给第一低频超声换能器1和第二低频超声换能器2施以频率相同相位不同的低频率正弦波信号，给第一高频超声换能器4和第二高频超声换能器5施以频率相同相位不同的高频率正弦波信号。

当装置处于工作状态时，低频部分由第一低频超声换能器1和第二低频超声换能器2耦合产生一个大的椭圆运动轨迹，高频部分由第一高频超声换能器4和第二高频超声换能器5耦合产生一个小的椭圆运动轨迹。最终，在工具头8上生成一个具有大冲击力的运动轨迹，以便对于粘性、纤维、高硬度等材料进行高效且高质量的超声振动加工。

本发明的目的在于克服目前现有的二维超声振动加工装置对于高硬度难加工材料加工时存在的刀具头冲击力不够、加工表面光洁度不够、刀具磨损较严重，导致加工零件周期变长等方面的技术不足。与此同时，提供了一种新的复频超声振动加工装置，通过将低频超声振动加工装置和高频超声振动加工装置结合成为一个独立的装置，从而极大增强了刀具头的冲击力，在获得高质量加工表面的同时，缩短了加工周期、延长了刀具寿命。且此装置还有结构简单，体积较小，安装比较方便的特点。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复频超声振动加工装置，其特征在于：包括两个低频超声换能器、两个高频超声换能器、一个柔性矩形薄板、两个圆柱型导波带、一个工具头、一个工具头固定夹具、一个刀具座、四个内六角螺钉、一个内六角紧定螺钉；第一低频超声换能器和第二低频超声换能器通过一个柔性矩形薄板相连接，利用其受激励易产生弯曲变形的特征，确保在低频部分由两个低频超声换能器耦合出大的椭圆运动轨迹；第一高频超声换能器和第二高频超声换能器通过圆柱型导波带分别与工具头的侧边和上边以焊接的方式相连接，利用导波带具有单向动态刚性且声负载阻抗很小的特征，确保在高频部分由两个高频超声换能器耦合出小的椭圆运动轨迹；工具头固定夹具和矩形薄板相连接，其中间做成空心结构以便工具头的装配；工具头竖直插入固定夹具的空心结构中，然后在其的左右两侧通过第一内六角螺钉、第二内六角螺钉、第三内六角螺钉和第四内六角螺钉加以固定；刀具座安装在工具头的前端，通过一个内六角紧定螺钉固定，刀具座的最前端固定有用于超声加工的单晶金刚石刀具；超声加工时，低频部分产生大的椭圆运动轨迹，高频部分产生小的椭圆运动轨迹，最终在工具头处耦合输出复频超声加工的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的复频超声振动加工装置，其特征在于：所述的柔性矩形薄板受到激励易产生弯曲变形，当给予两个低频超声换能器激励时，可以确保在矩形薄板上耦合产生出一个大的椭圆运动轨迹。

3.根据权利要求1所述的复频超声振动加工装置，其特征在于：所述的两个高频超声换能器通过两个圆柱型导波带分别与工具头的上边和侧边以焊接的方式相连接。

4.根据权利要求1所述的复频超声振动加工装置，其特征在于：所述的高频超声换能器设为纵向振动输出，其振动输出端与圆柱型导波带的轴线呈同轴相连接。

5.根据权利要求1所述的复频超声振动加工装置，其特征在于：所述的圆柱型导波带的长度大于该导波带所连接超声换能器的激励的频率的振动波的半波长度。

6.根据权利要求1所述的复频超声振动加工装置，其特征在于：所述的圆柱型导波带分为两组，一组导波带连接于其中一个高频超声换能器和工具头上端面的中心位置，另一组导波带连接于另一个高频超声换能器和工具头侧面，其侧面的连接位置设在能够使工具头产生弯曲振动变形的波峰/波谷处。

7.根据权利要求1所述的复频超声振动加工装置，其特征在于：所述的圆柱型导波带具有单向动态刚性特征，且声负载阻抗特别小，当给予两个高频超声换能器激励时，可以确保耦合产生一个小的椭圆运动轨迹。

8.根据权利要求1所述的复频超声振动加工装置，其特征在于：所述的工具头固定夹具和矩形薄板相连接，其中间做成空心结构，以方便工具头的插入装夹。

9.根据权利要求1所述的复频超声振动加工装置，其特征在于：所述的工具头可以竖直地插入固定夹具之中，然后通过四个内六角螺钉将其加以固定。

10.根据权利要求1所述的复频超声振动加工装置，其特征在于：所述的刀具座安装在工具头的前端，通过一个内六角紧定螺钉加以固定，刀具头的最前端固定有用于超声加工的单晶金刚石刀具。

Images