CN113182946B - 一种带有可调夹具的单向超声振动平台及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有可调夹具的单向超声振动平台及其操作方法，二维多孔振动平台上下表面分别固定一组可调夹具，超声波换能器连接在二维多孔超声振动平台的一个侧面中心位置。可调夹具限制零件5个自由度，夹紧力与超声振动方向平行；二维多孔超声振动平台上存在对称均布的螺纹孔和通孔，用于隔绝横向振动和增大纵振振幅，侧面存在均布通孔，用于控制振动模态并减小装置体积；超声波换能器驱动二维多孔超声振动平台形成纵向全波和横向半波的耦合振动模式，且耦合振动在平台中心形成单一纵向振动，通过耦合振动扩大中心纵振区域面积。本发明通过可调夹具实现了超声加工多种尺寸零件的可靠定位与夹紧。可以实现超声辅助加工一族相似零件。

Description

一种带有可调夹具的单向超声振动平台及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种超声振动辅助加工装备，用于在被加工零件上施加单向超声振动，特别涉及适用于夹紧同族工件。
背景技术
超声加工是指在工具或工件上沿一定方向施加高频微幅振动进行加工，其加工过程中切削力小、切削热低、刀具寿命高、加工稳定，能很好地解决各类难加工材料的高效精密加工问题，在制造业领域取得了显著的成果，是机械加工中一个重要的发展方向。当前，在工件上施加超声振动的辅助加工装备也存在一些问题。由于零件形状、大小的复杂性，想要实现工件的超声振动，需要对不同形状、尺寸的零件设计专用夹具，这将会造成研发周期长、生产成本高、生产效率低等问题。例如：申请号为CN201410039067.6的专利申请文件公开了一种超声振动平台，包括承载板，所述承载板上设置有振动平台基体，所述振动平台基体的内部设置有振动板，振动板的上表面设置有用于安装夹具的安装孔点阵，将固定有工件的夹具安装于预设定的所述安装孔点阵上以使得工件定位方向与超声振动方向成预设定角度。能够实现夹具和工件能够以15°等间隔沿安装孔点阵的几何中心旋转安装。申请号为CN201721149327.0的专利申请文件公开了一种用于精密超声加工的振动台，包括超声振动台，在振动台的顶面均匀间隔固装多个夹具，振动台通过振动台平移机构实现横向移动。该振动台平移机构为振动台横向振动减小了摩擦阻力，同时为振动台提供纵向约束。申请号为CN201811292351.9的专利申请文件公开一种用于精密超声加工的二维振动台，在振动台的顶面两超声振动装置发出的超声波纵横相交的波节面上固装夹具，夹具采用一组并且尺寸不能够太大。振动台在两个超声振动装置的激励下实现椭圆运动。上述夹具或者具有不可调性，或者夹持力度不够。
发明内容
本发明为了解决现有超声振动平台夹具存在的问题，提出了一种带有可调夹具的单向超声振动平台及其操作方法，利用可调夹具将工件固定于二维多孔超声振动平台上，夹具夹持工件沿超声振动方向移动，可覆盖整个平台纵振区进而实现一族相似零件的超声加工。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种带有可调夹具的单向超声振动平台，该平台包括带有可调夹具的二维多孔超声振动平台、固定支脚、超声波换能器；
其中二维多孔超声振动平台一个侧面中心位置与超声换能器使用双头螺柱连接，用于驱动二维多孔超声振动平台。接触面需要经过打磨处理，接触面保持紧密接触，提高能量的传递效率。
二维多孔超声振动平台水平放置，其正反两面分别固定一组可调夹具，四个固定支脚安装在二维多孔超声振动平台上相同波节点位置。
定义二维多孔超声振动平台上的纵向为平行于超声换能器纵向振动的方向，横向为垂直于纵向，平行于二维多孔超声振动平台开孔平面的方向。在工作状态下，可调夹具将待加工零件固定于平台中心纵振区域内，使用超声波换能器驱动平台以实现零件的超声振动。
所述的二维多孔超声振动平台是具有一定厚度的板状零件，用于承载加工零件，在超声波换能器的驱动下实现工件的高频微幅振动。水平放置后其侧面存在通孔，与超声振动方向平行的侧面上通孔均匀分布；与超声振动方向垂直的侧面上通孔均匀分布在中心螺纹孔的两侧；所有通孔直径相等，一方面用于控制平台的振动模态，另一方面可以减小平台体积。平台承载面的中心纵振区内存在均布通孔，用于振幅的调节；纵振区两侧的螺纹通孔以垂直于超声振动方向为轴，沿平行于超声振动方向对称分布，用于固定可调夹具。
二维多孔超声振动平台侧面的通孔大小与分布距离经分析得到，以控制平台的振动模态和减小平台体积，选择方式如下：
1.计算平板侧边开孔后的等效弹性模量，等效弹性模量主要有X和Y两个方向，平板侧面孔的方向也包含分别沿着X和Y方向的孔，所以，该等效弹性模量的计算包含四个方面(1)沿着X方向的孔对X方向的等效弹性模量的影响KXX、(2)沿着X方向的孔对Y方向等效弹性模量的影响KXY、(3)沿着Y方向的孔对X方向等效弹性模量的影响KYX和(4)沿着Y方向的孔对Y方向等效弹性模量的影响KYY，因此开孔后平板在两个方向上的等效弹性模量EX和EY可以表示为：
Figure BDA0003018395760000031
Figure BDA0003018395760000032
Figure BDA0003018395760000033
Figure BDA0003018395760000034
EX＝KXXKYXE (5)
EY＝KXXKYXE (6)
其中m、n分别为平板侧边沿着Y，X方向的孔，rX、rY分别为平板侧边沿着Y，X方向的孔半径，lX和lY分别为平板的长和宽，h为平板厚，EX和EY分别为平板X方向和Y方向的等效弹性模量。
2.将得到的等效弹性模量带入传统表观弹性法中，可以得到平板长、宽以及孔径、孔距之间的关系如下：
Figure BDA0003018395760000041
Figure BDA0003018395760000042
nXnY＝1 (9)
其中f为超声频率，ρ为平板材料密度，nX、nY为振动耦合系数，KX和KY为平板内沿着X、Y方向的半波数。
以上公式表明，平板的相应方向(X、Y)的孔数目越多，孔径越大，该方向的长度(lX、lY)越小，由此可以通过开孔实现平板体积和重量的减小。
3.依据理论计算的结果初设孔径和孔数，然后在三维软件中进行建模，利用有限元法对平板进行模态分析，并优选使得中心区域X方向振动区域范围(面积)最大，从而确定超声振动平台的尺寸参数。
所述的二维多孔超声振动平台承载面的中心纵振区内均布通孔，孔径与孔距由分析得到，最大程度增加二维多孔超声振动平台中心纵振区域的振幅，分析过程如下：
1.平板纵向开孔的方法主要利用有限元法，在侧面开孔结论中可以的到中心区域的X方向单一振动的范围，在单一振动范围内均匀布置纵向孔。
2.通过有限元对开孔后的平台进行模态分析，在保证频率变换量小于5％的范围内，取平台中心区域X方向单一振动区域(面积)最大的结果，由此确定平台纵向开孔参数。
所述的可调夹具采取不完全定位方式，共限制待加工零件五个自由度；其由两个梯形滑块及四个楔块组成，两个梯形滑块的上底朝外相向布置、上底朝内相对布置，而楔块反之，则每个梯形滑块的斜面相对地布置两个楔块。梯形滑块斜面作为渐变结构用来平稳传递振动，楔块作为传力元件，使用螺栓连接梯形滑块、楔块与平台，整体构成斜楔夹紧机构。此外，分析斜面自锁条件，斜面倾角小于等于斜面与楔块、斜面与振动平台的摩擦角之和，保证夹紧后可以自锁。
进一步地，工件固定于两个梯形滑块之间，两个滑块沿超声振动方向移动，可覆盖整个平台纵振区，实现一族相似零件尺寸的无级调节。
所述的二维多孔超声振动平台水平放置后上下两个承载面分别对称安装一组可调夹具及工件，使用螺栓螺母直接连接，将两组滑块压紧在平台上，非加工承载面的工件作为匹配块，用来抑制其他方向的振动，以减小不同零件对整个二维多孔超声振动平台的影响。
所述的固定支脚，上端存在螺纹孔，用于二维多孔超声振动平台与支脚的连接，下端底座部分用于支脚和机床的连接。
带有可调夹具的单向超声振动平台的操作方法，超声波电源将工频交流电转换为超声频率振荡信号，该高频电信号经过整个超声换能器转换成机械振动能，驱动二维多孔超声振动平台产生机械振动，平台上产生二维耦合振动形成中心区域单一纵向的振动区域，由于工件被可调夹具固定在二维多孔超声振动平台的中心区域，所以工件上可产生单一纵向振动，调节超声电源输出电压可以调节工件的振幅。
有益效果：(1)本发明采用带有可调夹具的二维多孔超声振动平台，克服现有超声加工专用夹具的限制，在可靠的夹紧机构条件下可以快速地对工件进行定位和夹紧，进而实现一族相似零件的超声振动。
(2)本发明可调夹具限制零件5个自由度，夹紧力与超声振动方向平行，可以实现工件的快速定位与夹紧，减少辅助时间，提高生产效率，并且工作稳定性好、适用范围广。
(3)二维多孔超声振动平台上存在对称均布的螺纹孔和通孔，用于隔绝横向振动和增大纵振振幅，侧面存在均布通孔，用于控制振动模态并减小装置体积；超声波换能器驱动二维多孔超声振动平台形成纵向全波和横向半波的耦合振动模式，且耦合振动在平台中心形成单一纵向振动，通过耦合振动扩大中心纵振区域面积。实现了超声加工多种尺寸零件的可靠定位与夹紧。
附图说明
图1是本发明带有可调夹具的单向超声振动平台的结构示意图；
图2是本发明带有可调夹具的单向超声振动平台的主视图；
图3是本发明的二维多孔超声振动平台的示意图；
图4是本发明的可调夹具的示意图；
图5是本发明的固定支脚的示意图；
图6是使用本发明的超声振动辅助磨削装备图。
图中：1、超声波换能器；2、二维多孔超声振动平台；3、可调夹具；4、固定支脚；5、梯形滑块；6、螺母；7、长螺栓；8、楔块；9、短螺栓；10、支脚；11、螺栓；12、螺纹通孔。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种带有可调夹具的单向超声振动平台及其操作方法做出详细说明。
实施例1
如图1-5所示，一种带有可调夹具的单向超声振动平台，包括：超声换能器1、二维多孔超声振动平台2、可调夹具3、固定支脚4。其中可调夹具包含梯形滑块5、螺母6、长螺栓7、楔块8、短螺栓9，固定支脚包括支脚10、螺栓11。两组可调夹具通过螺栓螺母连接且压紧在二维多孔超声振动平台的承载面上，四个固定支脚4通过螺栓连接固定在二维多孔超声振动平台的振动节点处，使用螺栓作用于固定支脚底座将二维多孔超声振动平台固定在机床的加工平台上，二维多孔超声振动平台的一侧使用双头螺柱连接超声换能器。
所述的超声换能器被安装在二维多孔超声振动平台一面的中心位置。通过导线连接超声电源，由超声电源驱动二维多孔超声振动平台振动，通过调节超声电源的输出电压来调节二维多孔超声振动平台的振幅。
所述的二维多孔超声振动平台如图3所示，水平放置后侧面存在通孔，与超声振动方向平行(图3中的X向)的侧面上通孔均匀分布；与超声振动方向垂直(图3中的Y向)的侧面上通孔均匀分布在中心螺纹孔的两侧；所有通孔直径相等。通孔大小与分布距离经分析得到，以控制平台的振动模态和减小平台体积。依据理论公式(1)-(9)，
Figure BDA0003018395760000081
Figure BDA0003018395760000082
Figure BDA0003018395760000083
Figure BDA0003018395760000084
EX＝KXXKYXE (5)
EY＝KXXKYXE (6)
其中m、n分别为平板侧边沿着Y，X方向的孔，rX、rY分别为平板侧边沿着Y，X方向的孔半径，lX和lY分别为平板的长和宽，h为平板厚，EX和EY分别为平板X方向和Y方向的等效弹性模量。
Figure BDA0003018395760000085
Figure BDA0003018395760000086
nXnY＝1 (9)
得到，材料选用316L不锈钢，频率f＝20kHz、平板厚度h＝20mm，耦合系数nX＝0.47、nY＝2.12、半波数kX＝2，kY＝1、孔径范围为0-15mm(0、5mm、10mm、15mm)，孔数范围为0-15(0、3、5、7、9、11、13、15)，的条件下计算平板的长lX和宽lY，共22组数据。然后在Catia软件中平台进行建模，并导入Ansys有限元分析软件中开展模态分析，取中心X方向振动区域面积最大时候的平台的参数，该参数为：孔数目m＝11，n＝9，孔径rX＝10mm，rY＝10mm，平板长和宽lX＝230.0mm，lY＝190.3mm。
所述的二维多孔超声振动平台承载面的中心纵振区内均布通孔，孔径与孔距由分析得到，依据侧边孔的有限元分析结果，确定承载面开孔数目X方向为8，Y方向为5，在Catia软件中建立三维模型，导入Ansys软件进行有限元模态分析，孔径范围为0-8mm。在保证平板开孔后频率变化小于5％的情况下，选择中心区域X方向振动区域最大的参数，该值为4.5mm。纵振区两侧的螺纹通孔12以垂直于超声振动方向为轴(Y向)，沿平行于超声振动方向(X向)对称分布，用于固定可调夹具，螺纹通孔数量与距离考虑了工件尺寸的无级调节与纵振区域范围。
所述的可调夹具由两个梯形滑块5及四个楔块8组成，已知钢与钢之间的摩擦系数μ为0.15，则斜面与楔块、斜面与振动平台的摩擦角均为
Figure BDA0003018395760000091
分析斜面自锁条件，斜面倾角
Figure BDA0003018395760000092
取斜面倾角α为17°。且梯形滑块斜面作为渐变结构能够平稳传递振动，使用螺栓将梯形滑块与楔块连接在平台上，两个梯形滑块5的上底朝外相向布置、上底朝内相对布置，而楔块反之，则每个梯形滑块的斜面相对地布置两个楔块。整体构成斜楔夹紧机构，夹紧可靠。
所述的可调夹具中两个梯形滑块可以沿超声振动方向移动，最大范围覆盖整个平台纵振区，工件固定在两个梯形滑块之间，即固定在二维多孔超声振动平台的纵振区内，且共限制五个自由度，满足加工需求。
所述的带有可调夹具的二维多孔超声振动平台如图2所示，平台上下两个承载面分别对称安装一组可调夹具及工件，使用螺栓螺母直接连接两组滑块与平台，非加工承载面上的可调夹具装入相同的工件作为匹配块，以抑制其他方向的振动，减小由于零件的不同而对整个二维多孔超声振动平台造成的影响。
所述的可调夹具的两个梯形滑块上，用于螺栓螺母连接的通孔沿超声振动方向设有余量，螺栓在其中的活动空间与平板上对应的螺纹孔距相匹配，再配合长度适当的楔块压紧螺栓，整个结构位置可在平台上灵活调整，实现一族相似零件任意尺寸的超声加工。
该装置通过底部的螺栓固定在磨床工作台上，通过工作台的进给运动、砂轮的旋转运动和超声装置的振动实现超声振动辅助磨削加工(如图6)。
本发明工作时，超声波电源将工频交流电转换为超声频率振荡信号，该高频电信号经过整个超声换能器转换成机械振动能，驱动二维多孔超声振动平台产生机械振动，平台上产生二维耦合振动形成中心区域单一纵向的振动区域，由于工件被可调夹具固定在二维多孔超声振动平台的中心区域，所以工件上可产生单一纵向振动以进行超声振动辅助磨削加工。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)

1.一种带有可调夹具的单向超声振动平台，其特征在于，该平台包括带有可调夹具的二维多孔超声振动平台、固定支脚、超声波换能器；其中二维多孔超声振动平台一个侧面中心位置与超声换能器连接；二维多孔超声振动平台水平放置，承载面固定一组可调夹具；可调夹具将待加工零件固定于平台中心纵振区域内；可调夹具采取不完全定位方式，共限制待加工零件五个自由度；
所述的二维多孔超声振动平台侧面存在通孔，与超声振动方向平行的侧面上通孔均匀分布；与超声振动方向垂直的侧面上通孔均匀分布在中心螺纹孔的两侧；所有通孔直径相等，孔径和孔距的计算由表观弹性法得到，一方面用于控制平台的振动模态，另一方面可以减小平台体积；
所述二维多孔超声振动平台侧面的通孔大小与分布距离，选择方式如下：
首先，计算平板侧边开孔后的等效弹性模量，等效弹性模量主要有X和Y两个方向，平板侧面孔的方向也包含分别沿着X和Y方向的孔，所以，该等效弹性模量的计算包含四个方面：
(1)沿着X方向的孔对X方向的等效弹性模量的影响KXX；
(2)沿着X方向的孔对Y方向等效弹性模量的影响KXY；
(3)沿着Y方向的孔对X方向等效弹性模量的影响KYX；
(4)沿着Y方向的孔对Y方向等效弹性模量的影响KYY；
因此开孔后平板在两个方向上的等效弹性模量EX和EY可以表示为：
Figure FDA0003494089440000011
Figure FDA0003494089440000012
Figure FDA0003494089440000013
Figure FDA0003494089440000021
EX＝KXXKYXE (5)
EY＝KXXKYXE (6)
其中m、n分别为平板侧边沿着Y，X方向的孔，rX、rY分别为平板侧边沿着Y，X方向的孔半径，lX和lY分别为平板的长和宽，h为平板厚，EX和EY分别为平板X方向和Y方向的等效弹性模量；
然后，将得到的等效弹性模量带入传统表观弹性法中，可以得到平板长、宽以及孔径、孔距之间的关系如下：
Figure FDA0003494089440000022
Figure FDA0003494089440000023
nXnY＝1 (9)
其中f为超声频率，ρ为平板材料密度，nX、nY为振动耦合系数，KX和KY为平板内沿着X、Y方向的半波数；
然后，依据理论计算的结果初设孔径和孔数，然后在三维软件中进行建模，利用有限元法对平板进行模态分析，并优选使得中心区域X方向振动区域范围最大，从而确定超声振动平台的尺寸参数。
2.根据权利要求1所述的带有可调夹具的单向超声振动平台，其特征在于，二维多孔振动平台上下承载面分别对称固定一组相同的可调夹具和工件，非加工承载面的工件作为匹配块，其规格和形状与工件相同，用来抑制其他方向的振动，以减小不同零件对整个二维多孔超声振动平台的影响。
3.根据权利要求1所述的带有可调夹具的单向超声振动平台，其特征在于，可调夹具包括两个梯形滑块及四个楔块，两个梯形滑块的上底朝外相向布置、上底朝内相对布置，而楔块反之，则每个梯形滑块的斜面相对地布置两个楔块；梯形滑块斜面作为渐变结构用来平稳传递振动，楔块作为传力元件，使用螺栓连接梯形滑块、楔块与平台，整体构成斜楔夹紧机构，且斜面倾角保证夹紧后可以自锁。
4.根据权利要求1所述的带有可调夹具的单向超声振动平台，其特征在于，二维多孔超声振动平台承载面的中心纵振区内均布通孔，孔径与孔距分析过程如下：
(1).平板纵向开孔的方法主要利用有限元法，在侧面开孔结论中可以得到中心区域的X方向单一振动的范围，在单一振动范围内均匀布置纵向孔；
(2).通过有限元对开孔后的平台进行模态分析，在保证频率变换量小于5％的范围内，取平台中心区域X方向单一振动区域最大的结果，由此确定平台纵向开孔参数。
5.权利要求1所述的带有可调夹具的单向超声振动平台的操作方法，其特征在于，工件固定于两个梯形滑块之间，两个滑块沿超声振动方向移动，覆盖整个平台纵振区，实现一组相似零件尺寸的无级调节；平台上产生二维耦合振动形成中心区域单一纵向的振动区域，由于工件被可调夹具固定在二维多孔超声振动平台的中心区域，所以工件上可产生单一纵向振动。
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