CN204321818U - 一种单电信号激励超声椭圆振动抛光装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单电信号激励超声椭圆振动抛光装置，包括外套、直线轴承、往复驱动机构、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和设置在椭圆振动模态转换器前端的工具头。所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，所述的椭圆振动模态转换器整体为圆柱形，前后两侧开设有三个错位分布的矩形缺口，该椭圆振动模态转换器可以将超声振动换能器产生的纵向超声振动转换为椭圆振动模态转换器末端和工具头的纵弯复合超声椭圆振动。

Description

一种单电信号激励超声椭圆振动抛光装置

技术领域

本实用新型属于工件表面光整加工技术领域，尤其是涉及一种利用单电信号激励的超声椭圆振动和机械往复运动相结合的抛光装置。

背景技术

现代工业科技的飞速发展对工件的表面质量提出了更高的要求，工件表面质量影响着工件的外观质量和性能寿命，而研磨抛光是模具、工程机械、医疗设备、航空航天工业中某些关键零件表面加工的重要手段，为了提高研磨抛光的效率和质量，公开号为CN101362303A的发明专利文献公开了一种机械往复与超声振动复合的研磨方法，其采用机械往复振动和一维超声振动相叠加的方法驱动磨头对工件的表面进行研磨，进而达到提高加工效率和加工质量的目的，但是由于该方法采用的是一维超声振动，且机械往复和超声振动在同一方向上，其工具头只能在一条直线上进行抛光，因此在使用过程中，依然存在着抛光效率偏低、研磨抛光的工件表面光洁度不够均匀的问题。

超声椭圆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。目前研究人员大多采用纵向振动、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超声椭圆振动，需要采用两组或两组以上的压电陶瓷片来激发产生具有一定相位差的两个或多个振动模态，还必须为每组压电陶瓷片配备一路超声驱动电源信号，且需要控制各路超声驱动电源信号之间的相位差，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、生产成本高、不易实现微型化、工作性能不够稳定，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。

如何克服上述超声振动抛光技术和超声椭圆振动技术中存在的不足，并利用新型单电信号激励超声椭圆振动技术，提供一种使工具头实现往复机械运动和单电信号激励超声椭圆轨迹振动的复合抛光装置，进一步提高抛光效率和工件表面光洁度的均匀性，是本发明的主要研究内容。

发明内容

本实用新型提供了一种新型的单电信号激励超声椭圆振动抛光装置，目的是为了克服现有超声振动抛光方法中存在的不足、提高抛光效率和工件表面光洁度的均匀性。

一种单电信号激励超声椭圆振动抛光装置，包括包括外套、直线轴承、往复驱动机构、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和设置在椭圆振动模态转换器前端的工具头。所述的直线轴承支撑在壳体单元和外套之间，直线轴承为滑动直线轴承或滚动直线轴承。所述的壳体单元包括前挡板、内套筒和后挡板；所述的往复驱动机构一端固定在壳体单元的后挡板上，另一端固定在外套上，往复驱动机构为曲柄滑块机构、偏心轮机构、丝杠螺母机构、气缸或液压缸往复驱动机构。

所述的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超声振动换能器的纵向超声振动。

所述的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，或者将椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板的前端，或者将椭圆振动模态转换器通过螺钉联接设置在前盖板的前端，所述的椭圆振动模态转换器整体为圆柱形，前后两侧开设有三个错位分布的矩形缺口；在椭圆振动模态转换器与超声换能器前盖板的联接处设有过渡圆弧。

椭圆振动模态转换器设置在超声振动换能器前端后构成的组合件称为单电信号激励超声椭圆振动换能器，在椭圆振动模态转换器前后两侧开设矩形缺口的目的是为了改变单电信号激励超声椭圆振动换能器的振动模态，使其纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等。

工具头通过焊接、联接螺钉或压板机构联接设置在椭圆振动模态转换器的前端；当超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动工具头和椭圆振动模态转换器末端一起做超声椭圆振动。

超声振动换能器置于壳体单元内，超声振动换能器的法兰盘设置于内套筒的上凹止口内，前挡板设置在法兰盘的另一侧，对整个超声振动换能器起固定作用，后挡板设置在内套筒没有止口的另一端，防止灰尘、铁屑等杂物进入到壳体单元内，影响超声振动换能器工作性能；相比现有文献介绍的超声振动抛光系统，该单电信号激励超声椭圆振动抛光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抛光性能稳定稳定等优点。另外该实用新型变普通一维超声振动工具头的直线轨迹抛光为椭圆振动轨迹抛光，在单位时间内，椭圆振动轨迹大幅度提高了工具头的运动路径，并大幅度加宽了单次超声振动抛光的宽度，因此可有效提高抛光效率和工件表面光洁度的均匀性。

更进一步，所述的超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片。

更进一步，所述的超声振动换能器只需要一路超声电信号激励。

更进一步，所述的超声振动换能器的工作频率范围为18kHz-40kHz。

本实用新型采用了机械振动模态转换机理把超声振动换能器的纵向振动转换为椭圆振动模态转换器末端和振动头的纵弯复合超声椭圆振动，简化了单电信号激励超声椭圆振动抛光系统的整体结构，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；另外该实用新型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，提高了系统工作可靠性，工作性能稳定，应用前景广阔。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型结构示意图的俯视图。

图3是本实用新型中单电信号激励超声椭圆振动换能器的前视图。

图4是本实用新型中单电信号激励超声椭圆振动换能器的俯视图。

图5是本实用新型的应用实例示意图。

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. 椭圆振动模态转换器，8.工具头，9.前挡板，10.工件，11.内套筒，12.直线轴承，13.后挡板，14.往复驱动机构，15.外套，16.超声电源,17.矩形缺口。

具体实施方式

结合图1、2、3、4所示，一种单电信号激励超声椭圆振动抛光装置,包括包括外套15、直线轴承12、往复驱动机构14、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器7和设置在椭圆振动模态转换器7前端的工具头8。所述的直线轴承12支撑在壳体单元和外套15之间，直线轴承12为滑动直线轴承。所述的往复驱动机构14为曲柄滑块机构,其一端固定在壳体单元的后挡板13上，另一端固定在外套15上，往复驱动机构14的振幅为6mm。

所述的壳体单元包括前挡板9、内套筒11和后挡板13；所述的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，构成了超声振动换能器的能量转换部分，可将超声电源16输出的超声电信号转换为超声振动换能器的纵向超声振动。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30mm，压电陶瓷片3为PZT-8，尺寸为：Ф30×Ф15×5，压电陶瓷片3的片数为2。

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，在椭圆振动模态转换器7与超声换能器前盖板5的联接处设有过渡圆弧。，过渡圆弧半径为5mm，椭圆振动模态转换器7整体为圆柱形，前后两侧开设有三个错位分布的矩形缺口16，三个矩形缺口16宽度为6mm，深度为3mm，三个矩形缺口16的中心距前端面的距离分别为15mm，25mm，35mm。

工具头8通过焊接设置在椭圆振动模态转换器7的前端；当超声振动能量从超声振动换能器传递到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弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器7末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动工具头8和椭圆振动模态转换器7末端一起做超声椭圆振动。

超声振动换能器置于壳体单元内，超声振动换能器的法兰盘6设置于内套筒11的上凹止口内，前挡板9设置在法兰盘6的另一侧，对整个超声振动换能器起固定作用，后挡板13设置在内套筒11没有止口的另一端，

超声振动换能器和椭圆振动模态转换器7联接后的固有频率为19.84KHz，阻抗为83欧姆，动态电阻为19欧姆，超声电源16输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为19.84±0.01KHz，且超声电源16在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。

结合图5所示，系统运行时，超声振动换能器的电极片4与超声电源16相连，当超声振动换能器的电极片4接入超声电源16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，即超声振动换能器将超声电源16输出的电能转换为纵向超声振动，并驱动整个超声振动换能器系统进行纵向超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到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弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器7末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动工具头8和椭圆振动模态转换器7末端一起做超声椭圆振动。

当加载电压运行10分钟后，单电信号激励超声椭圆振动抛光装置达到稳定振动状态，此时超声电源16的稳定输出电压为220V，电流为1.35A，使用激光多普勒测振仪测得超声椭圆振动长短半轴振幅分别为14.3微米和5.2微米，并通过具有李沙育图形运算功能的双踪示波器对激光多普勒测振仪测得的信号进行图形运算，可以得到长短轴比为2.73的超声椭圆振动轨迹，完全满足超声椭圆振动抛光的要求。当往复驱动机构14和单电信号激励超声椭圆状振动系统同时驱动工具头8进行复合运动工作时，工具头8的运动抛光面积较一维超声超声装置提高了5倍左右，且表面光洁度的均匀性也提高了50%。

Claims (8)

1.一种单电信号激励超声椭圆振动抛光装置，其特征在于：该振动抛光装置包括外套、直线轴承、往复驱动机构、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和设置在椭圆振动模态转换器前端的工具头；所述的直线轴承支撑在壳体单元和外套之间；所述的壳体单元包括前挡板、内套筒和后挡板；所述的往复驱动机构一端固定在壳体单元的后挡板上，另一端固定在外套上；所述的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；所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，所述的椭圆振动模态转换器整体为圆柱形，前后两侧开设有三个错位分布的矩形缺口，在椭圆振动模态转换器与超声换能器前盖板的联接处设有过渡圆弧。

2.根据权利要求1所述的单电信号激励超声椭圆振动抛光装置，其特征在于：所述的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所述的单电信号激励超声椭圆振动抛光装置，其特征在于：所述的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所述的单电信号激励超声椭圆振动抛光装置，其特征在于：所述的工具头通过焊接设置在椭圆振动模态转换器的前端。

5.根据权利要求1或2或3所述的单电信号激励超声椭圆振动抛光装置，其特征在于：还包括一个联接螺钉，用于将工具头联接在椭圆振动模态转换器的前端。

6.根据权利要求1或2或3所述的单电信号激励超声椭圆振动抛光装置，其特征在于：还包括压板机构，所述的工具头通过压板机构联接在椭圆振动模态转换器的前端。

7.根据权利要求1或2或3所述的单电信号激励超声椭圆振动抛光装置，其特征在于：所述的直线轴承为滑动直线轴承或滚动直线轴承。

8.根据权利要求1或2或3所述的单电信号激励超声椭圆振动抛光装置，其特征在于：所述的往复驱动机构为曲柄滑块机构、偏心轮机构、丝杠螺母机构、气缸或液压缸往复驱动机构。