一種單激勵超聲橢圓振動微細加工工作平臺的製作方法
2023-08-12 19:56:26
一種單激勵超聲橢圓振動微細加工工作平臺的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種單激勵超聲橢圓振動微細加工工作平臺，包括隔振平臺、橫向移動工作平臺、縱向移動工作平臺、殼體單元、置於殼體單元內的超聲振動換能器、超聲波電源、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小型工作平臺。所述的殼體單元包括前擋板、套筒和後擋板；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，為直梁和斜梁的複合結構，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小型工作平臺的縱彎複合超聲橢圓振動,進而驅動小型工作檯上的工件進行超聲橢圓振動。
【專利說明】一種單激勵超聲橢圓振動微細加工工作平臺
【技術領域】
[0001]本發明設計到硬脆等難加工材料的微細加工【技術領域】，尤其是涉及一種利用單激勵超聲橢圓振動進行輔助加工的微細加工工作平臺。
【背景技術】
[0002]硬脆難加工材料的高效高質高可靠性加工迄今在國際上仍然是一個難題。硬脆材料的典型特徵是脆性高，斷裂韌性低，彈性極限與強度非常接近，加工時，當材料承受的載荷超過彈性極限，就會發生斷裂破壞，在已加工表面形成裂紋和凹坑，嚴重影響其表面質量、加工效率和材料可靠性。為了解決這類材料的加工難題，各國製造領域紛紛開發新型刀具材料、研製新的加工設備、試驗新的加工方法，力圖提高該類材料的加工效率和加工可靠性。
[0003]為了以低成本有效的方式解決硬脆材料的超精密加工技術問題，超聲振動被應用到加工加工中，國內外廣泛的研宄已經證實了超聲振動加工在提高材料去除率、提高加工表面質量與加工精度、降低工件表面損傷以及延長砂輪壽命等方面顯示了一定的優越性。為了充分發揮超聲振動加工的優點，不同類型的二維超聲振動加工技術被日本與中國學者先後提出。2007年趙波等人提出的一種用於大型結構件加工的二維超聲振動輔助加工裝置，將兩方向的超聲振動分別通過兩臺發生器施加到工件上，雖然在加工效率以及加工質量等諸多方面表現了優異的性能，但是該技術在加工中存在著當負載、溫度切削條件等變化時振速不穩定的現象，且振速的不穩定將會導致超聲加工中的諧振頻率漂移、振動振幅降低、加工效率降低、加工質量不穩定等一系列問題，而其諧振狀態的調節涉及到兩臺超聲波發生器及換能器與工件的匹配，實施起來比較困難。
[0004]為了克服上述超聲振動加工技術和超聲橢圓振動技術中存在的不足，本發明利用新型單激勵超聲橢圓振動技術，提供了一種微細加工工作平臺，實現工作平臺和微小工件的超聲橢圓振動，該技術提高了超聲橢圓振動系統的工作穩定性，適用範圍廣、性能穩定、操作簡便，能夠進一步提高硬脆材料微小零件的加工效率和加工質量。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種新型的單激勵超聲橢圓振動微細加工工作平臺，目的是為了克服現有超聲振動工作平臺中存在的不足，簡化超聲橢圓振動系統的結構、減低成本、降低控制難度、提高系統工作穩定性、提高硬脆材料微小零件的加工效率和加工質量。
[0006]一種單激勵超聲橢圓振動微細加工工作平臺，包括隔振平臺、通過螺栓聯接在隔振平臺上方的橫向移動工作平臺、通過螺栓聯接在橫向移動工作平臺上方的縱向移動工作平臺、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、設置在橢圓振動模態轉換器前端的小型工作平臺和超聲波電源。在橢圓振動模態轉換器末端下方設置有輔助支撐，在橢圓振動模態轉換器末端和輔助支撐之間設置有滾動支撐體。所述的殼體單元通過螺栓聯接在縱向移動工作平臺的上方，所述的殼體單元包括前擋板、套筒和後擋板；所述的超聲振動換能器整體呈圓柱體，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。
[0007]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，或者將橢圓振動模態轉換器焊接設置在前蓋板的前端。橢圓振動模態轉換器包括直梁和斜梁構成的複合結構，直梁和斜梁垂直於其中心軸線的截面均為矩形，直梁的中心軸線和超聲振動換能器的中心軸線重合，直梁的一端與超聲換能器的前蓋板聯接，另一端懸伸；斜梁的一端和超聲換能器的前蓋板偏離中心軸線的一側聯接，另一端和直梁的中間部位聯接，斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成0-90度夾角，直梁和斜梁與超聲換能器前蓋板的聯接處均為圓弧過渡聯接。斜梁的幾何中心軸線和直梁的幾何中心軸線所形成的平面與待加工平面平行。
[0008]橢圓振動模態轉換器設置在超聲振動換能器前端後構成的組合件稱為單激勵超聲橢圓振動換能器，橢圓振動模態轉換器為直梁和斜梁複合結構的目的是為了改變單激勵超聲橢圓振動換能器的振動模態，使其縱向振動模態頻率和彎曲振動模態頻率接近或相等；由於斜梁結構的存在，超聲振動換能器產生的縱向超聲振動在傳遞到斜梁後，在斜梁根部分解為一部分縱向振動分量和一部分彎曲振動分量，當斜梁分解的縱向振動分量和彎曲振動分量傳遞到直梁後，和直梁上傳播的縱向振動相複合，最終在直梁末端形成具有一定相位差的縱向振動分量和彎曲振動分量複合的超聲橢圓振動。
[0009]小型工作平臺通過焊接、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；並驅動小型工作平臺和橢圓振動模態轉換器末端一起做超聲橢圓振動，進而驅動小型工作檯上的工件進行超聲橢圓振動。
[0010]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套筒的上凹止口內，前擋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，後擋板設置在套筒沒有止口的另一端，防止灰塵、鐵肩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超聲振動工作平臺系統，該單激勵超聲橢圓振動微細加工工作平臺具有功率容量大、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工作性能穩定穩定等優點。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]更進一步，所述的超聲振動換能器的工作頻率範圍為18紐2-40紐2。
[0014]本發明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分解為直梁的縱向振動、斜梁的縱向振動和彎曲振動分量，最終在直梁末端合成為縱彎複合超聲橢圓振動，簡化了單激勵超聲橢圓振動工作平臺的整體結構，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；另外該發明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】
[0015]圖1是本發明的結構示意圖。
[0016]圖2是本發明結構示意圖的俯視圖。
[0017]圖3是本發明中單激勵超聲橢圓振動換能器的前視圖。
[0018]圖4是本發明中單激勵超聲橢圓振動換能器的俯視圖。
[0019]圖5是本發明的應用實例示意圖。
[0020]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.小型工作平臺，9.前擋板，10.套筒，11.後擋板，12.超聲電源，13.縱向移動工作平臺，14.橫向移動工作平臺，15.隔振平臺，16.輔助支撐，17.滾動支撐體。
【具體實施方式】
[0021]結合圖1、2、3、4所示，一種單激勵超聲橢圓振動微細加工工作平臺，包括隔振平臺15、通過螺栓聯接在隔振平臺15上方的橫向移動工作平臺14、通過螺栓聯接在橫向移動工作平臺14上方的縱向移動工作平臺13、殼體單元、置於殼體單元內的超聲振動換能器、超聲電源12、橢圓振動模態轉換器7和設置在橢圓振動模態轉換器7前端的小型工作平臺8。在橢圓振動模態轉換器7末端下方設置有輔助支撐16，在橢圓振動模態轉換器7末端和輔助支撐16之間設置有滾動支撐體17。所述的殼體單元通過螺栓聯接在縱向移動工作平臺13的上方，橫向移動工作平臺14和縱向移動工作平臺13的工作行程均為100mm。
[0022]所述的殼體單元包括前擋板9、套筒10和後擋板11 ;所述的超聲振動換能器整體呈圓柱體，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，可將超聲電源12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30_，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。
[0023]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包括直梁和斜梁構成的複合結構，直梁和斜梁垂直於其中心軸線的截面均為矩形，直梁的中心軸線和超聲振動換能器的中心軸線重合，直梁的一端與超聲換能器的前蓋板5聯接，另一端懸伸，截面邊長為12X12mm，長72mm ;斜梁的一端和超聲換能器的前蓋板5偏離中心軸線的一側聯接，斜梁中心軸線和前蓋板5的聯接處距離前蓋板5的中心軸線距離為25mm，另一端和直梁的中間部位聯接，截面邊長為12X12mm。斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成30夾角，直梁和斜梁與超聲換能器前蓋板5的聯接處均為圓弧過渡聯接，過渡圓弧半徑為5mm。斜梁的幾何中心軸線和直梁的幾何中心軸線所形成的平面與待加工平面平行。
[0024]小型工作平臺8通過焊接設置在橢圓振動模態轉換器7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；並驅動小型工作平臺8和橢圓振動模態轉換器7末端一起做超聲橢圓振動，進而驅動小型工作檯上的工件進行超聲橢圓振動，小型工作平臺8的工作檯面為12工件可以使用石蠟或膠水粘接在工作檯上，也可以使用螺釘或壓板聯接在工作檯上。
[0025]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設置於套筒10的上凹止口內，前擋板9設置在法蘭盤6的另一側，對整個超聲振動換能器起固定作用，後擋板11設置在套筒10沒有止口的另一端，
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19.841^2，阻抗為83歐姆，動態電阻為19歐姆，超聲電源12輸出電壓範圍為0-4007，電流範圍為0-4八，輸出頻率為19.84^0.01狃2，且超聲電源12在指定頻率範圍內具有自動頻率跟蹤功能。
[0026]結合圖5所示，運行時，超聲振動換能器的電極片4與超聲電源12相連，當超聲振動換能器的電極片4接入超聲電源12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12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；並驅動小型工作平臺8和橢圓振動模態轉換器7末端一起做超聲橢圓振動。
[0027]當加載電壓運行10分鐘後，單激勵超聲橢圓振動微細加工工作平臺達到穩定振動狀態，此時超聲電源12的穩定輸出電壓為2207，電流為1.35八，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14.3微米和5.2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2.73的超聲橢圓振動軌跡，完全滿足超聲橢圓振動微細加工工作平臺的要求。
【權利要求】
1.一種單激勵超聲橢圓振動微細加工工作平臺，其特徵在於:該橢圓振動加工工作平臺包括隔振平臺、通過螺栓聯接在隔振平臺上方的橫向移動工作平臺、通過螺栓聯接在橫向移動工作平臺上方的縱向移動工作平臺、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、設置在橢圓振動模態轉換器前端的小型工作平臺和超聲波電源；在橢圓振動模態轉換器末端下方設置有輔助支撐，在橢圓振動模態轉換器末端和輔助支撐之間設置有滾動支撐體；所述的殼體單元通過螺栓聯接在縱向移動工作平臺的上方，殼體單元包括前擋板、套筒和後擋板；所述的超聲振動換能器整體呈圓柱體，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；所述的橢圓振動模態轉換器設置在前蓋板的前端，所述的橢圓振動模態轉換器包括直梁和斜梁構成的複合結構，直梁和斜梁垂直於其中心軸線的截面均為矩形，直梁的中心軸線和超聲振動換能器的中心軸線重合，直梁的一端與超聲換能器的前蓋板聯接，另一端懸伸；斜梁的一端和超聲換能器的前蓋板偏離中心軸線的一側聯接，另一端和直梁的中間部位聯接，斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成0-90度夾角，直梁和斜梁與超聲換能器前蓋板的聯接處均為圓弧過渡聯接。
2.根據權利要求1所述的單激勵超聲橢圓振動微細加工工作平臺，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微細加工工作平臺，其特徵在於:所述的橢圓振動模態轉換器焊接設置在前蓋板前端。
4.根據權利要求1或2或3所述的單激勵超聲橢圓振動微細加工工作平臺，其特徵在於:所述的小型工作平臺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微細加工工作平臺，其特徵在於:還包括聯接螺釘，用於將小型工作平臺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微細加工工作平臺，其特徵在於:還包括壓板機構，所述的小型工作平臺通過壓板機構聯接在橢圓振動模態轉換器的前端。
【文檔編號】B06B1/06GK104438029SQ201410740287
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月9日 優先權日:2014年12月9日
【發明者】殷振, 曹自洋, 郭麗華, 李華, 汪幫富, 楊建鋒, 李豔, 陳玉榮, 吳程紅, 黃強 申請人:蘇州科技學院