CN113210242A - 一种三维空间超声椭圆振动车削装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维空间超声椭圆振动车削装置，包括壳体单元、压电超声振动换能器、三维空间椭圆振动模态转换器和刀具。所述的壳体单元包括上盖板、安装座、外套筒和下盖板；所述的压电超声振动换能器包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；所述的三维空间椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，为纵弯梁和弯矩质量块的复合结构，该三维空间椭圆振动模态转换器可以将压电超声振动换能器产生的一维纵向超声振动转换为刀具的三维空间椭圆振动。
Description
技术领域
本发明涉及利用超声振动辅助加工领域，尤其是涉及一种利用单激励电信号进行激励的三维空间超声椭圆振动的精密车削装置。
背景技术
一维超声振动在超声振动切削、超声焊接、超声研磨、超声抛光、直线超声电机和旋转超声电机等领域具有较广泛的应用。二维超声振动多采用纵向振动、扭转振动、弯曲振动和径向振动中的两种振动形式进行复合来产生，其超声振动系统和控制系统结构复杂，制造难度大、控制难度高。三维超声振动系统则需要更多的振动模态进行复合，其系统则更加复杂，这些问题制约了超声椭圆振动换能器在工业生产中的应用与推广。
为了克服上述超声椭圆振动换能器技术中的不足，本发明提出一种利用单激励电信号进行激励的三维空间超声椭圆振动的精密车削装置。
发明内容
本发明提供了一种新型的三维空间超声椭圆振动车削装置，目的是为了克服现有超声椭圆振动切削装置中存在的不足，改善切削效果，降低超声椭圆振动车削装置的生产成本和提高超声椭圆振动车削系统的工作稳定性。
一种三维空间超声椭圆振动车削装置，包括壳体单元、置于壳体单元内的压电超声振动换能器、三维空间椭圆振动模态转换器和设置在三维空间椭圆振动模态转换器前端的刀具；所述的壳体单元包括上盖板、安装座、外套筒和下盖板，安装座通过焊接或者螺钉联接设置在外套筒上，用于和车床刀架联接；所述的压电超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有与壳体单元联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧，构成了压电超声振动换能器的能量转换部分，可将超声电源输出的超声电信号转换为压电超声振动换能器的纵向超声振动。
所述的三维空间椭圆振动模态转换器与前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端，或者将三维空间椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板的前端。三维空间椭圆振动模态转换器为纵弯梁和弯矩质量块的复合结构，纵弯梁和弯矩质量块的截面均为矩形，纵弯梁的左侧为矩形结构，右侧为三角形结构，纵弯梁左侧的矩形结构完全在压电超声振动换能器中心轴线的一侧，右侧三角形结构为直角三角形结构，下边锐角三角形角度在20-70度之间。弯矩质量块设置在纵弯梁上端矩形结构的一侧，弯矩质量块的宽度大于纵弯梁上端矩形结构的宽度；在三维空间椭圆振动模态转换器与超声换能器前盖板的联接处均设有过渡圆弧。
刀具通过焊接、联接螺钉或压板机构联接设置在三维空间椭圆振动模态转换器的前端；当超声振动能量从压电超声振动换能器传递到三维空间椭圆振动模态转换器末端后，转换为纵向振动、和两个弯曲振动复合的三维空间超声椭圆振动，即转换为三维空间椭圆振动模态转换器末端的三维空间超声椭圆振动；并驱动刀具在三维空间椭圆振动模态转换器末端一起做三维空间超声椭圆振动。
压电超声振动换能器置于壳体单元内，压电超声振动换能器的法兰盘设置于外套筒的上凹止口内，上盖板设置在法兰盘的另一侧，对整个压电超声振动换能器起固定作用，下盖板设置在外套筒的下侧，防止灰尘、铁屑等杂物进入到壳体单元内，影响压电超声振动换能器工作性能；相比现有文献介绍的单激励超声椭圆振动切削系统，该单激励超声椭圆振动切削装置具有功率容量大、能量转换效率高、结构简单，制造容易、成本低、结构刚度大、控制驱动系统简单和振动切削性能稳定稳定等优点。
所述的压电超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片。所述的压电超声振动换能器只需要一路超声电信号激励。所述的压电超声振动换能器的工作频率范围为19kHz-120kHz。
本发明中压电超声振动换能器的纵向振动转换分解为三维空间椭圆振动模态转换器末端的一个纵向振动和两个弯曲振动，最终在三维空间椭圆振动模态转换器末端合成为一个纵向振动和两个弯曲振动复合的三维空间椭圆振动，该发明简化了三维空间椭圆振动系统的整体结构，大大降低了振动系统的复杂程度，降低了制造、装配难度和生产成本；另外该发明仅需要一路控制电路及超声电源进行激励，控制难度低，避免了两相或多相超声振动复合形成椭圆振动换能器的复杂超声电源开发费用，简化了控制电路及超声电源结构，降低了控制电路及超声电源成本，易于实现控制电路及超声电源的集成化，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的结构示意图的主视图。
图2是本发明结构示意图的左视图。
图3是本发明的应用实例示意图的主视图。
图4是本发明的应用实例示意图的左视图。
图中标号说明：1.螺栓，2.后盖板，3.压电陶瓷片，4.电极片，5.前盖板，6.法兰盘，7. 三维空间椭圆振动模态转换器，8.刀具，9.上盖板，10.安装座，11.外套筒，12.下盖板，13.超声电源，14.弯矩质量块，71.纵弯梁，72.上端矩形结构。
具体实施方式
结合图1、2、3、4所示，一种三维空间超声椭圆振动车削装置包括壳体单元、置于壳体单元内的压电超声振动换能器、三维空间椭圆振动模态转换器7和设置在三维空间椭圆振动模态转换器7前端的刀具8；壳体单元包括上盖板9、安装座10、外套筒11和下盖板12，安装座10一端焊接在外套筒11外圆上，另一端固定在车床刀架上与机床联接；压电超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓1及依次套设在螺栓1上的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5，前盖板5上设置有与壳体单元联接用的法兰盘6，后盖板2和前盖板5通过螺栓1将后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5联接压紧，构成了压电超声振动换能器的能量转换部分，将超声电源13输出的超声电信号转换为压电超声振动换能器的纵向超声振动。压电超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片3，压电陶瓷换能器段直径25mm，压电陶瓷片3为PZT-8，尺寸为：Ф25×Ф12×4，压电陶瓷片3的片数为2。
三维空间椭圆振动模态转换器7和前盖板5制作成一个整体零件设置在前盖板5的前端，三维空间椭圆振动模态转换器为纵弯梁71和弯矩质量块14的复合结构，纵弯梁71和弯矩质量块14的截面均为矩形，纵弯梁71的左侧为矩形结构，右侧为三角形结构，弯矩质量块14设置在纵弯梁71上端矩形结构的一侧，在三维空间椭圆振动模态转换器7与超声换能器前盖板5的联接处均设有过渡圆弧R5。弯矩质量块尺寸为14mm×14mm×12mm；纵弯梁71左侧矩形结构尺寸为68 mm×12mm×12mm，右侧三角形结构为41mm×39mm×15mm。
压电超声振动换能器置于壳体单元内，压电超声振动换能器的法兰盘6设置于外套筒11的上凹止口内，上盖板9通过螺钉和外套筒11联接在一起，压紧在法兰盘6的另一侧，对整个压电超声振动换能器起固定作用，下盖板12通过螺钉联接在外套筒11的下侧。
压电超声振动换能器和三维空间椭圆振动模态转换器7联接后的固有频率为40KHz，阻抗为23欧姆，动态电阻为16欧姆，超声电源13输出电压范围为0-800V，电流范围为0-4A，输出频率为40±2KHz，且超声电源13在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。
运行时，结合图3所示，压电超声振动换能器的电极片4与超声电源13相连，当压电超声振动换能器的电极片4接入超声电源13输出的电信号后，由于压电陶瓷片3的逆压电效应，压电陶瓷片3将会产生纵向超声振动，即压电超声振动换能器将超声电源13输出的电能转换为纵向超声振动，并驱动整个压电超声振动换能器系统进行纵向超声振动，超声振动能量从压电超声振动换能器传递到三维空间椭圆振动模态转换器7末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和两个弯曲振动复合的三维空间超声椭圆振动，即转换为三维空间椭圆振动模态转换器7末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动刀具8和三维空间椭圆振动模态转换器7末端一起做超声椭圆振动。
结合图3、4所示，当加载电压运行10分钟后，三维空间超声椭圆振动车削装置达到稳定振动状态，此时超声电源13的稳定输出电压为160V，电流为1.2A，三维空间三个方向的振幅为：轴向（Z向）的振幅3.6微米，矩形结构72一侧的弯曲振动（X向）振幅为2.2微米，弯矩质量块14一侧的弯曲振动（Y向）振幅为1.9微米。
本发明适合安装在精密或超精密车床上进行使用，首先通过安装座10将该三维空间超声椭圆振动车削装置安装在车床刀架上，进行正常对刀，调整其到最终安装位置。然后打开超声电源13，根据切削工艺的需要，调整工作频率，使刀具8处在最佳的超声椭圆振动状态，根据工艺要求，设定切削参数，如切削速度、切深、进给量，即可开始进行精密和超精密切削加工。
Claims (5)
1.一种三维空间超声椭圆振动车削装置，该振动车削装置包括壳体单元、置于壳体单元内的压电超声振动换能器、三维空间椭圆振动模态转换器和设置在三维空间椭圆振动模态转换器前端的刀具；所述的壳体单元包括上盖板、安装座、外套筒和下盖板，安装座设置在外套筒上，用于和车床刀架联接；所述的压电超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有与壳体单元联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；
其特征在于：所述的三维空间椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，所述的三维空间椭圆振动模态转换器为纵弯梁和弯矩质量块的复合结构，纵弯梁和弯矩质量块的截面均为矩形，纵弯梁的左侧为矩形结构，右侧为三角形结构，纵弯梁左侧的矩形结构完全在压电超声振动换能器中心轴线的一侧，弯矩质量块设置在纵弯梁上端矩形结构的一侧，在三维空间椭圆振动模态转换器与超声换能器前盖板的联接处均设有过渡圆弧。
2.根据权利要求1所述的三维空间超声椭圆振动车削装置，其特征在于：所述的三维空间椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端。
3.根据权利要求1所述的三维空间超声椭圆振动车削装置，其特征在于：所述的三维空间椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板前端。
4.根据权利要求1或2或3所述的三维空间超声椭圆振动车削装置，其特征在于：所述的刀具通过焊接设置在三维空间椭圆振动模态转换器的前端。
5.根据权利要求1或2或3所述的三维空间超声椭圆振动车削装置，其特征在于：还包括一个联接螺钉，用于将刀具联接在三维空间椭圆振动模态转换器的前端。
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