單激勵超聲橢圓振動車削裝置製造方法
2023-10-06 01:46:04 1
單激勵超聲橢圓振動車削裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種單激勵超聲橢圓振動車削裝置，包括殼體單元、置於殼體單元內的超聲振動換能器、橢圓振動模態轉換器和設置在橢圓振動模態轉換器前端的刀具。所述的殼體單元包括上蓋板、支撐板、外套筒和下蓋板；所述的超聲振動換能器包括螺栓及依次套設在螺栓上的後蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，後蓋板和前蓋板通過螺栓將後蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯接壓緊；所述的橢圓振動模態轉換器設置在前蓋板的前端，為斜楔形結構，該橢圓振動模態轉換器可以將超聲振動換能器產生的縱向超聲振動轉換為橢圓振動模態轉換器末端和刀具的縱彎複合超聲橢圓振動。
【專利說明】單激勵超聲橢圓振動車削裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及利用壓電陶瓷逆壓電效應的超聲振動領域，尤其是涉及單激勵超聲橢圓振動車削裝置。
【背景技術】
[0002]超聲橢圓振動在超聲振動切削、超聲焊接、超聲研磨、超聲拋光、直線超聲電機和旋轉超聲電機等領域具有較廣泛的應用。目前研究人員大多採用縱向振動、扭轉振動、彎曲振動和徑向振動中的兩種振動形式進行複合來產生超聲橢圓振動，需要採用兩組或兩組以上的壓電陶瓷片來激發產生具有一定相位差的兩個或多個振動模態，還必須為每組壓電陶瓷片配備一路超聲驅動電源信號，且需要控制各路超聲驅動電源信號之間的相位差，超聲振動系統和控制系統結構複雜，製造難度大、控制難度高、生產成本高、不易實現微型化、工作性能不夠穩定，這些問題制約了超聲橢圓振動換能器在工業生產中的應用與推廣。
[0003]為了克服上述超聲橢圓振動換能器技術中的不足，《北京航空航天大學學報》2005年2月第31卷第2期上論文「基於有限元分析的橢圓振動切削換能器」，提出了一種單一電信號激勵的結構不對稱的超聲橢圓振動切削換能器，並對該換能器進行了有限元動力學分析和實驗研究，取得了較好的實驗效果，但是要進一步提高縱向振動到彎曲振動的轉換，提高橢圓振動軌跡短軸與長軸的比值，提高切削效果，僅依靠在變幅杆前端一側添加質量塊和刀具的方式是不夠理想的，並且從變幅杆到附加質量塊以及從附加質量塊到刀具需要兩次物理聯接，導致從壓電換能器到刀具的超聲振動能量損失較大，影響了超聲橢圓振動切削效果。
【發明內容】
[0004]本實用新型提供了一種新型的單激勵超聲橢圓振動車削裝置，目的是為了克服現有單激勵超聲橢圓振動切削裝置中存在的不足、降低超聲橢圓振動車削裝置的生產成本和提高超聲橢圓振動車削裝置的工作穩定性。
[0005]單激勵超聲橢圓振動車削裝置，包括殼體單元、置於殼體單元內的超聲振動換能器、橢圓振動模態轉換器和設置在橢圓振動模態轉換器前端的刀具；所述的殼體單元包括上蓋板、支撐板、外套筒和下蓋板，支撐板通過焊接或者螺釘聯接設置在外套筒上，用於和車床刀架聯接；所述的超聲振動換能器外輪廓為圓柱形，其包括螺栓及依次套設在螺栓上的後蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板上設置有與殼體單元聯接用的法蘭盤，後蓋板和前蓋板通過螺栓將後蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯接壓緊，構成了超聲振動換能器的能量轉換部分，可將超聲電源輸出的超聲電信號轉換為超聲振動換能器的縱向超聲振動。
[0006]所述的橢圓振動模態轉換器與前蓋板製作成一個整體設置在前蓋板的前端，或者利用一個附加的聯接螺柱將橢圓振動模態轉換器聯接設置在前蓋板的前端。橢圓振動模態轉換器整體為斜楔形結構，斜楔形結構橢圓振動模態轉換器原整體為長方體，沿超聲振動換能器軸線方向其一側被切割掉一部分後形成斜楔形結構，形成斜楔形的兩個側面中，未被切割的一側面平行於超聲振動換能器軸線，被切割過的另一側面與超聲振動換能器軸線成3-30度夾角。
[0007]使橢圓振動模態轉換器形成斜楔形結構的目的是為了改變超聲振動換能器和橢圓振動模態轉換器結合體的振動模態，使其縱向振動模態頻率和彎曲振動模態頻率接近或相等；由於斜楔形結構橢圓振動模態轉換器的存在，超聲振動換能器產生的縱向超聲振動在傳遞到斜楔形結構橢圓振動模態轉換器後，在斜楔形結構橢圓振動模態轉換器的末端分解為一部分縱向振動分量和一部分彎曲振動分量，且兩振動分量具有一定的相位差，進而在斜楔形結構橢圓振動模態轉換器的末端複合形成橢圓軌跡振動。
[0008]刀具通過焊接、聯接螺釘或壓板機構聯接設置在橢圓振動模態轉換器的前端；當超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態轉換器末端後，轉換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動複合的縱彎複合超聲橢圓振動，即轉換為橢圓振動模態轉換器末端的縱彎複合超聲橢圓振動；並驅動刀具和橢圓振動模態轉換器末端一起做超聲橢圓振動。
[0009]超聲振動換能器置於殼體單元內，超聲振動換能器的法蘭盤設置於外套筒的上凹止口內，上蓋板設置在法蘭盤的另一側，對整個超聲振動換能器起固定作用，下蓋板設置在外套筒的下側，防止灰塵、鐵屑等雜物進入到殼體單元內，影響超聲振動換能器工作性能；相比現有文獻介紹的單激勵超聲橢圓振動切削系統，該單激勵超聲橢圓振動切削裝置具有功率容量大、能量轉換效率高、結構簡單，製造容易、成本低、結構剛度大、控制驅動系統簡單和振動切削性能穩定穩定等優點。
[0010]更進一步，所述的超聲振動換能器只有一組縱向振動壓電陶瓷片。
[0011]更進一步，所述的超聲振動換能器只需要一路超聲電信號激勵。
[0012]更進一步，所述的超聲振動換能器的工作頻率範圍為18kHz-40kHz。
[0013]本實用新型採用了機械振動模態轉換機理把超聲振動換能器的縱向振動轉換為橢圓振動模態轉換器末端和刀具的縱彎複合超聲橢圓振動，簡化了單激勵超聲橢圓振動切削系統的整體結構，大大降低了振動系統的複雜程度，降低了製造、裝配難度和生產成本；另外該實用新型僅需要一路控制電路及超聲電源進行激勵，控制難度低，避免了兩相或多相超聲振動複合形成橢圓振動換能器的複雜超聲電源開發費用，簡化了控制電路及超聲電源結構，降低了控制電路及超聲電源成本，易於實現控制電路及超聲電源的集成化，提高了系統工作可靠性，工作性能穩定，應用前景廣闊。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型的結構示意圖。
[0015]圖2是本實用新型的應用實例示意圖。
[0016]圖中標號說明:1.螺栓，2.後蓋板，3.壓電陶瓷片，4.電極片，5.前蓋板，6.法蘭盤，7.橢圓振動模態轉換器，8.刀具，9.上蓋板，10.支撐板，11.外套筒，12.下蓋板，13.超聲電源
【具體實施方式】[0017]結合圖1、2所示，單激勵超聲橢圓振動車削裝置包括殼體單元、置於殼體單元內的超聲振動換能器、橢圓振動模態轉換器7和設置在橢圓振動模態轉換器7前端的刀具8 ；殼體單元包括上蓋板9、支撐板10、外套筒11和下蓋板12,支撐板10 —端焊接在外套筒11外圓上，另一端固定在車床刀架上與工具機聯接；超聲振動換能器外輪廓為圓柱形，其包括螺栓I及依次套設在螺栓I上的後蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5，前蓋板5上設置有與殼體單元聯接用的法蘭盤6，後蓋板2和前蓋板5通過螺栓I將後蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5聯接壓緊，構成了超聲振動換能器的能量轉換部分，將超聲電源13輸出的超聲電信號轉換為超聲振動換能器的縱向超聲振動。超聲振動換能器只有一組縱向振動壓電陶瓷片3，壓電陶瓷換能器段直徑30mm，壓電陶瓷片3為PZT-8，尺寸為:Φ如ΧΦ75Χ5，壓電陶瓷片3的片數為2。
[0018]橢圓振動模態轉換器7和前蓋板5製作成一個整體零件設置在前蓋板5的前端，橢圓振動模態轉換器7整體為斜楔形結構，斜楔形結構橢圓振動模態轉換器7原整體為長方體，截面邊長為15X15mm,長40mm,沿超聲振動換能器軸線方向其一側被切割掉一部分後形成斜楔形結構，形成斜楔形的兩個側面中，未被切割的一側面平行於超聲振動換能器軸線，被切割過的另一側面與超聲振動換能器軸線成10度夾角。刀具8通過聯接螺釘聯接設置在橢圓振動模態轉換器7的前端。
[0019]超聲振動換能器置於殼體單元內，超聲振動換能器的法蘭盤6設置於外套筒11的上凹止口內，上蓋板9通過螺釘和外套筒11聯接在一起，壓緊在法蘭盤6的另一側，對整個超聲振動換能器起固定作用，下蓋板12通過螺釘聯接在外套筒11的下側。
[0020]超聲振動換能器和橢圓振動模態轉換器7聯接後的固有頻率為24.82KHz,阻抗為76歐姆，動態電阻為18歐姆，超聲電源13輸出電壓範圍為0-400V，電流範圍為0-4A，輸出頻率為24.82±0.0lKHz，且超聲電源13在指定頻率範圍內具有自動頻率跟蹤功能。
[0021]運行時，超聲振動換能器的電極片4與超聲電源13相連，當超聲振動換能器的電極片4接入超聲電源13輸出的電信號後，由於壓電陶瓷片3的逆壓電效應，壓電陶瓷片3將會產生縱向超聲振動，即超聲振動換能器將超聲電源13輸出的電能轉換為縱向超聲振動，並驅動整個超聲振動換能器系統進行縱向超聲振動，超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態轉換器7末端後，轉換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動複合的縱彎複合超聲橢圓振動，即轉換為橢圓振動模態轉換器7末端的縱彎複合超聲橢圓振動；並驅動刀具8和橢圓振動模態轉換器7末端一起做超聲橢圓振動。
[0022]當加載電壓運行10分鐘後，單激勵超聲橢圓振動車削裝置達到穩定振動狀態，此時超聲電源13的穩定輸出電壓為240V，電流為1.45A，使用雷射都卜勒測振儀測得超聲橢圓振動長短半軸振幅分別為10.3微米和4.2微米，並通過具有李沙育圖形運算功能的雙蹤示波器對雷射都卜勒測振儀測得的信號進行圖形運算，可以得到長短軸比為2.45的超聲橢圓振動軌跡，完全滿足超聲橢圓振動精密車削要求。
[0023]本實用新型適合安裝在精密或超精密車床上進行使用，首先通過支撐板10將該單激勵超聲橢圓振動車削裝置安裝在車床刀架上，進行正常對刀，調整其到最終安裝位置。然後打開超聲電源13，根據切削工藝的需要，調整工作頻率，使刀具8處在最佳的超聲橢圓振動狀態，根據工藝要求，設定切削參數，如切削速度、切深、進給量，即可開始進行精密和超精密切削加工。另外，超聲電源13具有自動頻率跟蹤功能，在實際切削工作過程中，如果由於切削阻力變化等原因，超聲橢圓振動切削系統的固有頻率發生了變化，超聲電源13的輸出頻率會隨之變化並保持和切削裝置的固有頻率一致，以便保證單激勵超聲橢圓振動切削裝置始終處於最佳工作狀態。
【權利要求】
1.單激勵超聲橢圓振動車削裝置，該振動車削裝置包括殼體單元、置於殼體單元內的超聲振動換能器、橢圓振動模態轉換器和設置在橢圓振動模態轉換器前端的刀具；所述的殼體單元包括上蓋板、支撐板、外套筒和下蓋板，支撐板設置在外套筒上，用於和車床刀架聯接；所述的超聲振動換能器外輪廓為圓柱形，其包括螺栓及依次套設在螺栓上的後蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板上設置有與殼體單元聯接用的法蘭盤，後蓋板和前蓋板通過螺栓將後蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯接壓緊；其特徵在於:所述的橢圓振動模態轉換器設置在前蓋板的前端，為斜楔形結構，斜楔形結構橢圓振動模態轉換器原整體為長方體，沿超聲振動換能器軸線方向其一側被切割掉一部分後形成斜楔形結構，形成斜楔形的兩個側面中，未被切割的一側面平行於超聲振動換能器軸線，被切割過的另一側面與超聲振動換能器軸線成3-30度夾角。
2.根據權利要求1所述的單激勵超聲橢圓振動車削裝置，其特徵在於:所述的橢圓振動模態轉換器和前蓋板製作成一個整體設置在前蓋板的前端。
3.根據權利要求1所述的單激勵超聲橢圓振動車削裝置，其特徵在於:還包括一個聯接螺柱，用於將橢圓振動模態轉換器聯接在前蓋板的前端。
4.根據權利要求1或2或3所述的單激勵超聲橢圓振動車削裝置，其特徵在於:所述的刀具通過焊接設置在橢圓振動模態轉換器的前端。
5.根據權利要求1或2或3所述的單激勵超聲橢圓振動車削裝置，其特徵在於:還包括一個聯接螺釘，用於將刀具聯接在橢圓振動模態轉換器的前端。
6.根據權利要求1或2或3所述的單激勵超聲橢圓振動車削裝置，其特徵在於:還包括壓板機構，所述的刀具通過壓板機構聯接在橢圓振動模態轉換器的前端。
7.根據權利要求1或2或3所述的單激勵超聲橢圓振動車削裝置，其特徵在於:支撐板通過焊接設置在外套筒上。
8.根據權利要求1或2或3所述的單激勵超聲橢圓振動車削裝置，其特徵在於:支撐板通過螺釘聯接設置在外套筒上。
【文檔編號】B06B1/06GK203401087SQ201320520851
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年8月26日 優先權日:2013年8月26日
【發明者】殷振, 李華, 曹自洋, 李豔, 劉義生, 吳永芝, 陳玉榮, 任坤, 呂自強, 劉嬌 申請人:蘇州科技學院