CN113510060B - 一种纵弯复合振动模式的超声椭圆振动切削装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纵弯复合振动模式的超声椭圆振动切削装置。由两个纵向振动超声振子组合而成，包括预紧螺栓、纵向振动后盖板、圆环形压电陶瓷、电极片、纵向振动前盖板及刀具等。第一纵向振动超声振子布置在第二纵向超声振子的径向方向，用于激励装置的弯曲超声振动，与第二纵向超声振子所激发的纵向超声振动一并使装置呈现出超声纵弯复合振动模式，从而在安装在装置末端的刀具上输出椭圆振动轨迹。本发明在硬脆难加工材料的高完整性加工中效果显著，能够有效减小切削力及切削热，提高工件的形状精度，显著降低刀具磨损，实现脆性材料的塑性去除。
Description
技术领域
本发明涉及超声振动加工技术领域，尤其涉及一种纵弯复合振动模式的超声椭圆振动切削装置。
背景技术
超声椭圆振动切削是在刀具上施加二维超声振动，使其呈现“椭圆运动轨迹”的切削方式，由日本学者社本英二和森肋俊道提出。相较一维超声振动切削，其切削过程具有“摩擦力反转”、“变角度切削”、更加彻底的“刀-工完全分离”特性，从而具有延长刀具寿命、提高表面光洁度和形状精度、提高切削稳定性以及抑制毛刺和再生颤振等优势，在难加工材料的超精密切削中具有广泛的应用。
为实现超声椭圆振动切削中的“完全分离型切削”，最大限度的发挥超声椭圆振动切削技术的优势，刀具的振动速度应大于相对切削速度，而刀具的振动速度与其振动频率和切削速度方向的振幅成正比。
现有的超声椭圆振动切削装置多是采用纵向振动、扭转振动、弯曲振动和径向振动中的两种振动形式耦合而成，且弯曲振动多是由半圆环形压电进行激励，其制造工艺及装配精度不高，造成压电陶瓷的电-声转化率较低，导致装置发热严重，限制了超声椭圆振动切削技术的应用。
发明内容
为得到硬脆难加工材料工件的高完整性表面，本发明提供了一种纵弯复合振动模式的超声椭圆振动切削装置，可输出不同形状的椭圆轨迹，且具有较高的输出功率。本发明采用的技术手段如下：
一种纵弯复合振动模式的超声椭圆振动切削装置，由两个纵向振动超声振子组合而成，包括预紧螺栓、纵向振动后盖板、圆环形压电陶瓷、电极片、纵向振动前盖板及刀具等。第一纵向振动超声振子布置在第二纵向超声振子的径向方向，用于激励装置的弯曲超声振动，与第二纵向超声振子所激发的纵向超声振动一并使装置呈现出超声纵弯复合振动模式，从而在安装在装置末端的刀具上输出椭圆振动轨迹。
进一步地，第一纵向振动超声振子由预紧螺栓和套接在其上的纵向振动后盖板、圆环形压电陶瓷、电极片及前盖板组成，且压电陶瓷处于纵向振动的波峰处。
进一步地，第一纵向振动超声振子布置在第二纵向超声振子的径向方向，利用预紧螺栓将其连接在第二纵向超声振子的弯曲振动的波峰处用于激励装置的弯曲超声振动。
进一步地，第二纵向振动超声振子由预紧螺栓和套接在其上的弯曲振动后盖板、圆环形压电陶瓷、电极片、带有法兰的弯曲振动前盖板、紧定螺钉及刀具组成，其总长度等于等于相同频率下的纵向振动的两个波长和弯曲振动的四个波长，压电陶瓷处于纵向振动的波峰处，用于激励装置的纵向超声振动。
进一步地，两个纵向振动超声振子均采用型号为PZT-4的圆环形压电陶瓷，利用压电陶瓷较高工作效率的的d33工作模式。
进一步地，通过两相具有一定相位差的超声电信号激励，第一纵向振动超声振子激励出的弯曲振动和第二纵向超声振子激励出的纵向超声振动使装置处于超声纵弯复合振动模态，从而在安装在装置末端的刀具上输出椭圆振动轨迹。
进一步地，利用超声电源分别调节两相激励的激励电压和相位差，从而实现对装置输出的椭圆振动轨迹的调整。
本发明具有以下优点：
该装置基于超声纵弯复合振动的工作模式，利用一阶纵向振动和四阶弯曲振动形成的椭圆振动轨迹，并可根据不同的切削加工场合，利用超声电源对输出的椭圆轨迹进行调整；装置采用纵向超声振子激励弯曲振动的方式，有效提高了压电陶瓷的电-声转换率，降低了装置的发热率；装置利用压电陶瓷的d33工作模式，可有效提高装置的输出振幅和频率，从而改善超声椭圆振动切削加工的效率，极大限度的发挥了其能够显著减小刀具磨损，抑制加工颤振，减小加工表面的凹坑和微裂纹、降低工件表面粗糙度的优势。
基于上述理由本发明可在超声振动加工技术领域广泛推广。
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是本发明实施例中主体结构示意图。
图2是本发明实施例中主体结构的爆炸图。
图中，1是第一预紧螺栓，2是纵向振动后盖板，3A是第一圆环形压电陶瓷，4A是第一电极片，3B是第二圆环形压电陶瓷，4B是第二电极片，5是纵向振动前盖板，6是第二预紧螺栓，7是弯曲振动后盖板，8A是第三圆环形压电陶瓷，9A是第三电极片，8B是第四圆环形压电陶瓷，9B是第四电极片，10是弯曲振动前盖板，11是法兰，12是金刚石刀具，13是紧定螺钉。
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，本发明的一种纵弯复合振动模式的超声椭圆振动切削装置，由两个纵向振动超声振子组合而成。
如图1所示，第一纵向振动超声振子是由第一预紧螺栓1将纵向振动后盖板2、第一圆环形压电陶瓷3A和第二圆环形压电陶瓷3B、第一电极片4A和第二电极片4B及纵向振动前盖板5沿轴向按顺序进行紧固，且第一纵向振动超声振子总长度等于的纵向振动的一个波长，压电陶瓷处于纵向振动的波峰处，用于激励装置的弯曲超声振动。本实施例中，施加90N的预紧力，进行保温老化处理。
如图2所示，第二纵向振动超声振子是由第二预紧螺栓6将弯曲振动后盖板7、第三圆环形压电陶瓷8A和第四圆环形压电陶瓷8B、第三电极片9A和第四电极片9B、带有法兰11的弯曲振动前盖板10沿轴向按顺序进行紧固，且第二纵向振动超声振子总长度等于相同频率下的纵向振动的两个波长和弯曲振动的四个波长，压电陶瓷处于纵向振动的波峰处，用于激励装置的纵向超声振动，法兰11处于纵向振动和弯曲振动的重合节点处，本实施例中，施加120N的预紧力，进行保温老化处理。第一预紧螺栓将第一振动超声振子紧固在弯曲振动后盖板7上。
如图2所示，在装配前，第一纵向振动超声振子中的第一预紧螺栓1、纵向振动后盖板2、圆环形压电陶瓷3A和3B、电极片4A和4B及前盖板5，第二纵向振动超声振子中的第二预紧螺栓6将弯曲振动后盖板7、圆环形压电陶瓷8A和8B、电极片9A和9B、带有法兰11的弯曲振动前盖板10等均采用无水乙醇进行清洗。
如图2所示，在装配前，第一预紧螺栓1与纵向振动后盖板2、圆环形压电陶瓷3A和3B、电极片4A和4B接触的部分应缠绕绝缘胶带；同样第二预紧螺栓6与弯曲振动后盖板7、圆环形压电陶瓷8A和8B、电极片9A和9B接触的部分也应缠绕绝缘胶带。各个圆环形压电陶瓷及电极片之间应应涂抹环氧树脂胶。
如图2所示，刀具12由紧定螺钉13固定在前盖板10的前端。
如图2所示，两个纵向振动超声振子均采用型号为PZT-4的圆环形压电陶瓷，利用压电陶瓷较高工作效率的d33工作模式。
利用超声电源分别输入两相具有一定相位差的超声电信号激励两个纵向振动超声振子，使装置呈现纵弯复合振动模式，从而在安装在装置末端的刀具12上输出椭圆振动轨迹。分别调节两相激励的激励电压和相位差，从而实现对刀具12输出的椭圆振动轨迹的调整。
第二纵向振动超声振子的前盖板10为阶梯式纵弯复合变幅杆，可实现对两个纵向振动超声振子产生的的超声振动的放大，提高了超声椭圆振动切削装置的输出振幅，可有效提升超声椭圆振动切削的加工效率。
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 (2)
1.一种纵弯复合振动模式的超声椭圆振动切削装置，其特征在于，由两个纵向振动超声振子组合而成，第一振动超声振子包括第一预紧螺栓、纵向振动后盖板、第一振动源、纵向振动前盖板，第二振动超声振子包括第二预紧螺栓、弯曲振动后盖板、第二振动源、弯曲振动前盖板和刀具，第二预紧螺栓依次将弯曲振动后盖板、第二振动源紧固在弯曲振动前盖板上，第一预紧螺栓依次将纵向振动后盖板、第一振动源、纵向振动前盖板紧固在弯曲振动后盖板上，所述刀具连接在弯曲振动前盖板上；
所述第一振动源包括圆环形压电陶瓷和电极片，且压电陶瓷处于纵向振动的波峰处；
第一纵向振动超声振子布置在第二纵向超声振子的径向方向，利用第一预紧螺栓将其连接在第二纵向超声振子的弯曲振动的波峰处，用于激励装置的弯曲超声振动；
所述第二振动源包括圆环形压电陶瓷和电极片，第二振动超声振子的总长度等于相同频率下的纵向振动的两个波长和弯曲振动的四个波长，压电陶瓷处于纵向振动的波峰处，用于激励装置的纵向超声振动；
通过两相具有一定相位差的超声电信号激励，第一纵向振动超声振子激励出的弯曲振动和第二纵向超声振子激励出的纵向超声振动使装置处于超声纵弯复合振动模态，从而在安装在装置末端的刀具上输出椭圆振动轨迹；
利用超声电源分别调节两相激励的激励电压和相位差，从而实现对装置输出的椭圆振动轨迹的调整。
2.根据权利要求1所述的纵弯复合振动模式的超声椭圆振动切削装置，其特征在于，两个纵向振动超声振子均采用型号为PZT-4的圆环形压电陶瓷，利用压电陶瓷较高工作效率的d33工作模式。
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