CN113510061B - 一种双弯曲振动模式的超声椭圆振动切削装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双弯曲振动模式的超声椭圆振动切削装置，包括预紧螺栓、后盖板、第一组振动源、中间板、第二组振动源，前盖板及刀具。两组振动源均是由半圆环压电陶瓷、电极片及相同尺寸的半圆环形钢块组成，且两组振动源呈90°旋转布置，通过两相相同频率但具有一定相位差的超声激励信号，激励出装置的两相超声弯曲振动，使装置呈现出“双弯曲振动模式”，从而在安装在前盖板上的刀具刀尖处输出二维超声椭圆振动轨迹。本发明不仅能够实现对输出的椭圆振动轨迹的调整，且避免了装置中因正负极混串导致的装置带电的缺点，可充分发挥超声椭圆振动切削技术的减小刀具磨损，抑制加工颤振、降低工件表面粗糙度等优势，利于超声椭圆振动技术的推广。
Description
技术领域
本发明涉及超声振动加工技术领域，尤其涉及一种双弯曲振动模式超声椭圆振动切削装置。
背景技术
随着精密超精密技术的迅速发展，超声椭圆振动切削技术受到越来越多的关注。相比一维超声振动切削，超声椭圆振动切削过程具有“摩擦力反转”、“变角度切削”及更加彻底“刀具-工件分离”的等特点，从而有效延长刀具寿命、提高切削表面光洁度和切削稳定性、抑制毛刺和再生颤振等。
现有的超声椭圆振动切削装置多是由纵向振动、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，多相振动的耦合效率较低，限制了频率和振幅的提高，同时造成装置发热严重。本发明采用两相弯曲振动合成超声椭圆振动，有效避免了上述问题的发生，提高了装置输出振幅。
同时，现有的超声弯曲振动的激励方式是将两个半圆环压电陶瓷按照极化方向方向布置(CN108927572A及CN107552368 A)，导致装置的正负极混串，从而使装置带电，限制了超声椭圆振动切削的应用。
发明内容
为得到硬脆材料工件的高完整性表面，本发明提供了一种双弯曲振动模式的超声椭圆振动切削装置，具有较强的适应性。本发明采用的技术手段如下：
一种双弯曲振动模式的超声椭圆振动切削装置，包括预紧螺栓、后盖板、第一组振动源、中间板、第二组振动源，带法兰的前盖板及刀具组成。
所述的两组振动源均是由半圆环压电陶瓷、电极片及相同尺寸的半圆环钢块的组成，且两组振动源呈90°旋转布置，通过两相相同频率但具有一定相位差的超声激励信号，激励出装置的两相超声弯曲振动，使装置呈现出“双弯曲振动模式”。
进一步地，装置基于四阶弯曲振动模式，第一组振动源设置在弯曲振动的第二个波峰位置处，用于激励出装置的第一相弯曲振动。
进一步地，装置基于四阶弯曲振动模式，第二组振动源设置在弯曲振动的第三个波峰位置处，用于激励出装置的第二相弯曲振动。
进一步地，第一组和第二组振动源呈90°旋转布置。
进一步地，两组振动源均采用型号为PZT-4的半圆环形压电陶瓷，利用压电陶瓷较高工作效率的的d33工作模式。
进一步地，装置中的前盖板为带有圆锥过渡的阶梯杆，用于实现对第一组和第二组振动源激励出的弯曲振动的放大。
进一步地，利用超声电源向装置输入两相相同频率但具有一定相位差的超声激励信号，从而实现装置的超声椭圆振动轨迹的输出，分别调节两相激励信号的激励电压和相位差，从而实现对输出的椭圆振动轨迹的调整。
本发明具有以下优点：
该装置基于四阶弯曲振动模式，装置输出采用两相超声弯曲振动来合成椭圆振动轨迹，提高了复合振动的耦合效果，避免了多种模式的振动耦合带来的能量损失，发热严重等问题；装置输出的椭圆振动轨迹可以根据不同的加工应用场合进行调整，适应性较强；装置中两相振动源的由半圆环压电陶瓷及半圆环形钢块组成，可有效避免因正负极混串导致的装置带电等问题，可充分发挥超声椭圆振动切削技术的减小刀具磨损，抑制加工颤振、降低工件表面粗糙度等优势，对于推广超声椭圆振动技术的推广和应用具有非常重要的意义。
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是预紧螺栓，2是后盖板，3A是第一半圆环形钢块，4A是第二半圆环形压电陶瓷，5A是第一银电极片，4B是第二半圆环形压电陶瓷，5B是第二银电极片，6是中间板，3B是第二半圆环形钢块，5C是第三银电极片，4C是第三半圆环形压电陶瓷，5D是第四银电极片，4D是第四半圆环形压电陶瓷，7是法兰，8是前盖板，9是金刚石刀具，10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，本发明的一种双弯曲振动模式超声椭圆振动切削装置，由预紧螺栓1、后盖板2、第一组振动源、中间板6、第二组振动源，带法兰的前盖板8及刀具9组成。
如图1所示，第一组振动源是由第一半圆环形压电陶瓷4A，第一银电极5A，第二半圆环形压电陶瓷4B，第二银电极5B及第一半圆环形钢块3A组成，且第一半圆环形钢块3A与第一半圆环形压电陶瓷4A具有相同的直径，第一组振动源用于激励装置的第一相超声弯曲振动，第一银电极5A设置在第一半圆环形压电陶瓷4A与第二半圆环形压电陶瓷4B之间，第二银电极5B设置在第二半圆环形压电陶瓷4B与中间板之间。
如图1所示，第二组振动源是由第三半圆环形压电陶瓷4C，第三银电极5C，第四半圆环形压电陶瓷4D，第四银电极5D及第二半圆环形钢块3B组成，且第二半圆环形钢块3B与第三半圆环形压电陶瓷4C具有相同的直径，第二组振动源用于激励装置的第二相超声弯曲振动。第三银电极5C设置在第三半圆环形压电陶瓷4C与第四半圆环形压电陶瓷4D之间，第四银电极5D设置在第四半圆环形压电陶瓷4D与前盖板8之间。
本实施例中，各半圆环压电陶瓷规格相同，各电极片规格相同，各半圆环钢块规格相同，两个半圆环压电陶瓷的宽度之和等于半圆环钢块的宽度。
第一组振动源及第二组振动源中的采用的是型号为PZT-4的半圆环形压电陶瓷，属于夹心式超声换能器形式，利用压电陶瓷较高工作效率的的d33工作模式。
如图2所示，两组振动源呈90°旋转布置，通过两相相同频率但具有一定相位差的超声激励信号，激励出装置的两相超声弯曲振动，使装置呈现出“双弯曲振动模式”，从而在安装在前盖板8上的刀具9刀尖处输出二维超声椭圆振动轨迹；通过调节两相激励信号的电压值及之间的相位差，可实现对输出的椭圆振动轨迹的调整。
如图2所示，在装配前，预紧螺栓1，后盖板2，第一半圆环形钢块3A，第一半圆环形压电陶瓷4A，第一银电极片5A，第二半圆环形压电陶瓷4B，第二银电极片5B，中间板6，第二半圆环形钢块3B，第三半圆环形压电陶瓷4C，第三银电极片5C，第四半圆环形压电陶瓷4D，第四银电极片5D，前盖板8应采用无水乙醇进行清洗，并使用鼓风干燥箱进行烘干；预紧螺栓1与后盖板2，第一半圆环形钢块3A，第一半圆环形压电陶瓷4A，第一银电极片5A，第二半圆环形压电陶瓷4B，第二银电极片5B，中间板6，第二半圆环形钢块3B，第三半圆环形压电陶瓷4C，第三银电极片5C，第四半圆环形压电陶瓷4D，第四银电极片5D，前盖板8接触的部分应缠绕绝缘胶带；后盖板2，第一半圆环形钢块3A，第一半圆环形压电陶瓷4A，第一银电极片5A，第二半圆环形压电陶瓷4B，第二银电极片5B，中间板6，第二半圆环形钢块3B，第三半圆环形压电陶瓷4C，第三银电极片5C，第四半圆环形压电陶瓷4D，第四银电极片5D及前盖板8之间的接触面之间应涂抹环氧树脂胶。
如图2所示，刀具9通过紧定螺钉10固定在装置的最前端。
如图2所示，通过预紧螺栓1将后盖板2，第一半圆环形钢块3A，第一半圆环形压电陶瓷4A，第一银电极片5A，第二半圆环形压电陶瓷4B，第二银电极片5B，中间板6，第二半圆环形钢块3B，第三半圆环形压电陶瓷4C，第三银电极片5C，第四半圆环形压电陶瓷4D，第四银电极片5D，前盖板8沿轴向按顺序进行紧固，本实施例中，施加120N的预紧力，进行保温老化处理。
装置中的前盖板8为带有法兰7的阶梯式弯曲振动变幅杆，可实现对两组振动源激励的弯曲振动的放大，可提高所设计的超声椭圆振动切削装置的输出振幅，从而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 (1)
1.一种双弯曲振动模式的超声椭圆振动切削装置，其特征在于，包括预紧螺栓、后盖板、第一组振动源、中间板、第二组振动源、带法兰的前盖板及刀具，所述预紧螺栓依次将后盖板、第一组振动源、中间板、第二组振动源紧固在前盖板的螺纹孔内，所述刀具连接在前盖板上；
装置基于四阶弯曲振动模式，第一组和第二组振动源设置在弯曲振动的波峰位置处，法兰设置在弯曲振动的波节位置处，两相相同频率但具有一定相位差的超声激励信号，激励出装置的两相超声弯曲振动，使装置呈现出双弯曲振动模式，通过调节两相激励信号的电压值及之间的相位差，实现对输出的椭圆振动轨迹的调整，两相超声弯曲振动来合成椭圆振动轨迹用于避免多种模式的振动耦合带来的能量损失；
第一组振动源用于激励出装置的第一相弯曲振动；
第二组振动源用于激励出装置的第二相弯曲振动；
第一组和第二组振动源呈90°旋转布置，且均是由半圆环压电陶瓷、电极片及相同尺寸的半圆环钢块的组成；
两组振动源均采用型号为PZT-4的半圆环形压电陶瓷，利用d33工作模式；
装置中的前盖板为带有圆锥过渡的阶梯杆，用于实现对第一组和第二组振动源激励出的弯曲振动的放大；
具体地，第一组振动源是由第一半圆环形压电陶瓷，第一银电极，第二半圆环形压电陶瓷，第二银电极及第一半圆环形钢块组成，且第一半圆环形钢块与第一半圆环形压电陶瓷具有相同的直径，如此设置用于避免因正负极混串导致的装置带电，第一组振动源用于激励装置的第一相超声弯曲振动，第一银电极设置在第一半圆环形压电陶瓷与第二半圆环形压电陶瓷之间，第二银电极设置在第二半圆环形压电陶瓷与中间板之间；
第二组振动源是由第三半圆环形压电陶瓷，第三银电极，第四半圆环形压电陶瓷，第四银电极及第二半圆环形钢块组成，且第二半圆环形钢块与第三半圆环形压电陶瓷具有相同的直径，第二组振动源用于激励装置的第二相超声弯曲振动，第三银电极设置在第三半圆环形压电陶瓷与第四半圆环形压电陶瓷之间，第四银电极设置在第四半圆环形压电陶瓷与前盖板之间。
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