一種單激勵超聲橢圓振動擠壓加工裝置的製造方法

2023-05-31 17:05:41 1

本發明涉及一種適用於普通車床、普通銑床、普通鏜床、及其相應數控工具機、加工中心等設備，對零件內、外表面進行強化光整的超聲振動擠壓加工裝置，尤其是涉及只需要一路超聲電源提供電能信號的單激勵超聲橢圓振動擠壓加工裝置。

背景技術：
擠壓加工是一項常用的表面強化及光整的工藝方法，其大多用於迴轉零件的內外表面加工，常作為最後一道機械加工工序應用於零件表面強化、應力狀態及表面質量有較高要求的場合。普通擠壓工藝擠壓力大，摩擦嚴重，擠壓表面質量低，超聲單向擠壓工藝具有單純衝擊作用，在每個振動周期內都會是擠壓頭受到一次衝擊，這種動作過程能夠減小摩擦，但是衝擊磨損會嚴重降低擠壓頭壽命。為了克服普通擠壓工藝方法和單向超聲振動擠壓工藝方法的不足，公開號為CN101942547B的發明專利文獻公開了一種超聲橢圓振動擠壓加工裝置及用其進行零件表面光整的振動擠壓加工方法，該裝置採用一個變幅杆、四個結構相同的激勵源和一個擠壓工具，擠壓工具安裝在變幅杆的輸出段上，四個激勵源分別安裝在變幅杆的激勵段的四個凹槽內。其通過兩路超聲電信號對四個激勵源分為兩組施加具有一定相位差的激勵，實現變幅杆激勵段的雙彎曲超聲橢圓振動，進而實現擠壓頭的超聲橢圓振動，該裝置和方法能夠有效有效降低擠壓力，提高工件表面粗糙度，延長擠壓頭的使用壽命。但是該裝置需要採用兩組壓電陶瓷片來激發產生具有一定相位差的兩個振動模態，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。

技術實現要素：
本發明提供了一種新型的單激勵超聲橢圓振動擠壓加工裝置，目的是為了克服現有超聲橢圓振動擠壓加工裝置中存在的不足、提高擠壓加工效率、降低超聲橢圓振動擠壓加工裝置的複雜程度和減小超聲橢圓振動擠壓加工裝置的生產成本。一種單激勵超聲橢圓振動擠壓加工裝置，包括支撐板、外套、直線軸承、預壓力裝置、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擠壓頭；所述的殼體單元包括前擋板、內套筒和後擋板，所述的支撐板通過焊接或者螺釘聯接設置在外套上，用於和工具機刀架聯接；所述的直線軸承為滑動直線軸承或滾動直線軸承，所述的直線軸承支撐在殼體單元和外套之間；所述的預壓力裝置設置在外套內殼體單元的後端，用於提供擠壓頭和工件之間的預壓力。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。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，直梁的一端與超聲振動換能器的前蓋板聯接，另一端懸伸；斜梁的一端和超聲振動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，直梁和斜梁與超聲振動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的法線在同一個平面內。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。擠壓頭通過焊接或聯接螺釘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；並驅動擠壓頭和橢圓振動模態轉換器末端一起做超聲橢圓振動。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內套筒的上凹止口內，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，後擋板設置在內套筒的下側，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超聲橢圓振動擠壓系統，該單激勵超聲橢圓振動擠壓加工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擠壓性能穩定穩定等優點。另外該發明變普通單向超聲擠壓加工的單點衝擊擠壓為超聲橢圓振動軌跡擠壓加工，在單位時間內，超聲橢圓振動大幅度提高了擠壓頭的運動路徑，並大幅度加寬了單次擠壓加工的面積，因此可大幅度提高擠壓加工效率和擠壓加工工件表面質量。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。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。更進一步，所述的超聲振動換能器的工作頻率範圍為18kHz-40kHz。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擠壓系統的整體結構，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。附圖說明圖1是本發明結構示意圖的前視圖。圖2是本發明結構示意圖的俯視圖。圖3是本發明中單激勵超聲橢圓振動換能器的前視圖。圖4是本發明中單激勵超聲橢圓振動換能器的俯視圖。圖5是本發明的應用實例示意圖。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.擠壓頭，9.前擋板，10.內套筒，11.後擋板，12.直線軸承，13.外套，14.預壓力裝置，15.支撐板，16.超聲電源，17.工件。具體實施方式結合圖1、2、3、4所示，一種單激勵超聲橢圓振動擠壓加工裝置包括支撐板15、外套13、直線軸承12、預壓力裝置14、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前端的擠壓頭8；殼體單元包括前擋板9、內套筒10和後擋板11，支撐板15一端焊接在外套13外圓上，另一端固定在工具機刀架上與工具機聯接；超聲振動換能器整體呈圓柱體，其包括螺栓1及依次套設在螺栓1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1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16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：Ф30×Ф15×5，壓電陶瓷片3的片數為2。滾動直線軸承12支撐在殼體單元和外套13之間；彈簧預壓力裝置14設置在外套13內殼體單元的後端，擠壓頭8和工件17之間的預壓力為250N。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，直梁的一端與超聲振動換能器的前蓋板5聯接，另一端懸伸，截面邊長為12×12mm，長72mm；斜梁的一端和超聲振動換能器的前蓋板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12×12mm。斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成30夾角，直梁和斜梁與超聲振動換能器前蓋板5的聯接處均為圓弧過渡聯接，過渡圓弧半徑為5mm。擠壓頭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。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設置於內套筒10的上凹止口內，前擋板9通過螺釘和內套筒10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，後擋板11通過螺釘聯接在內套筒10的右側。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19.84KHz，阻抗為83歐姆，動態電阻為19歐姆，超聲電源16輸出電壓範圍為0-400V，電流範圍為0-4A，輸出頻率為19.84±0.01KHz，且超聲電源16在指定頻率範圍內具有自動頻率跟蹤功能。運行時，結合圖5所示，超聲振動換能器的電極片4與超聲電源16相連，當超聲振動換能器的電極片4接入超聲電源16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16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；並驅動擠壓頭8和橢圓振動模態轉換器7末端一起做超聲橢圓振動。當加載電壓運行10分鐘後，單激勵超聲橢圓振動擠壓加工裝置達到穩定振動狀態，此時超聲電源16的穩定輸出電壓為220V，電流為1.35A，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擠壓加工的要求。本發明適用於普通車床、普通銑床、普通鏜床、及其相應數控工具機、加工中心等設備，首先通過支撐板15將該單激勵超聲橢圓振動擠壓加工裝置安裝在工具機刀架上，進行正常對刀，調整其到合適安裝位置。然後打開超聲電源16，根據擠壓工藝的需要，調整工作頻率，使擠壓頭8處在最佳的超聲橢圓振動狀態，根據工藝要求，設定擠壓參數，如擠壓速度、擠壓壓力、進給量，即可開始進行超聲橢圓振動擠壓加工。另外，超聲電源16具有自動頻率跟蹤功能，在實際擠壓工作過程中，如果由於擠壓阻力變化等原因，超聲橢圓振動擠壓系統的固有頻率發生了變化，超聲電源16的輸出頻率會隨之變化並保持和擠壓裝置的固有頻率一致，以便保證單激勵超聲橢圓振動擠壓加工裝置始終處於最佳工作狀態。