一种双激励超声椭圆振动加工装置

摘要

一种双激励超声椭圆振动加工装置，采用超磁致伸缩材料作为驱动元件，两组超磁致伸缩换能器采用平行布置方式，并在每组换能器内部设置大面积单向水冷系统，在振动输出端采用柔性铰链连接，具有输出功率大、负载力强、能量转换效率高、频带宽、结构紧凑合理等优点，可广泛适用于各类超声椭圆振动加工工况。

权利要求

1.一种双激励超声椭圆振动加工装置，包括前刀具(100)、振动发生单元(200)和后刀柄(300)，其特征在于：所述振动发生单元(200)包括两组平行布置的超磁致伸缩换能器，所述每组超磁致伸缩换能器包括由超磁致伸缩材料制成的超磁致伸缩棒(205)，所述振动发生单元(200)还包括上下开口的外套筒(213)，所述外套筒的内腔被竖向隔板分隔为两个相同的腔室，所述两组超磁致伸缩换能器分别设置在两个腔室内，所述每组超磁致伸缩换能器包括从外环向内环依次设置的偏置磁场发生器(201)、励磁线圈(202)、支撑套(203)、超磁致伸缩棒(205)，所述每组超磁致伸缩换能器还包括位于顶部的上轭铁(207)和位于底部的下轭铁(215)，所述上轭铁(207)、下轭铁(215)和偏置磁场发生器(201)一起形成对励磁线圈(202)、支撑套(203)、超磁致伸缩棒(205)的围护结构并构成闭合磁回路，所述下轭铁(215)与后刀柄(300)固定连接，所述每组超磁致伸缩换能器还包括位于上轭铁(207)上部的输出杆(210)，所述输出杆(210)通过预紧装置与上轭铁(207)挤压连接。

2.根据权利要求1所述的一种双激励超声椭圆振动加工装置，其特征在于：所述预紧装置包括由下至上依次套接在输出杆(210)上的碟簧(208)、衬片(211)和预紧螺母(209),所述预紧螺母(209)的外螺纹与外套筒内壁的内螺纹相旋合，所述预紧螺母(209)旋合后使输出杆(210)与上轭铁(207)挤压连接。

3.根据权利要求1所述的一种双激励超声椭圆振动加工装置，其特征在于：所述偏置磁场发生器(201)为永磁体或输入偏置电流的线圈。

4.根据权利要求1所述的一种双激励超声椭圆振动加工装置，其特征在于：所述支撑套(203)由尼龙材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种双激励超声椭圆振动加工装置，其特征在于：所述振动发生单元(200)还包括冷却装置，所述冷却装置包括入水口(206)、两个水冷腔(204)和出水口(212)，所述入水口(206)和出水口(212)分别对称地位于外套筒(213)的上部侧壁，所述每组超磁致伸缩换能器的支撑套(203)与超磁致伸缩棒(205)之间分别设有环状的水冷腔(204)，所述每组超磁致伸缩换能器的上轭铁(207)上分别设有L形、与水冷腔(204)相连通的上连通孔(216)，所述两个上连通孔(216)还分别与入水口(206)、出水口(212)相连通，所述每组超磁致伸缩换能器的下轭铁(215)上分别设有L形、与水冷腔(204)相连通的下连通孔(217)，所述外套筒(213)的竖向隔板下部设有连通腔(214)，所述两个下连通孔(217)通过连通腔(214)相连通。

6.根据权利要求1所述的一种双激励超声椭圆振动加工装置，其特征在于：所述前刀具(100)包括柔性铰链(101)、刀片(102)和刀头(103)，所述柔性铰链(101)由主杆和两臂构成“人”字形结构，所述主杆与刀头(103)固定连接，所述两臂分别与两组超磁致伸缩换能器的输出杆(210)固定连接，所述主杆与两臂的连接处设置有单边或双边的弧形切口。

说明书

一种双激励超声椭圆振动加工装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种超声椭圆振动加工装置，特别涉及一种双激励超声椭圆振动加工装置，属于机械加工技术领域。

背景技术

[0002] 振动辅助加工是20世纪50年代出现的一种新型加工技术，能够有效改善加工质量，因而受到广泛关注。早期振动辅助加工技术多为低频一维振动辅助加工，即在切削方向上的振动。20世纪90年代，日本学者首次提出椭圆振动技术，其形式是通过两组垂直分布的压电陶瓷片的伸缩振动，使变幅杆产生弯曲振动，并在两端合成椭圆振动轨迹。与常规的切削相比，椭圆振动切削可有效减小切削力，提高加工精度，延长刀具寿命，对于刀具表面附着物和表面毛刺的生成有良好的抑制作用，适合硬脆材料的精密加工。但是，现有的椭圆振动加工装置的两个激励振源为垂直分布，使整个振动系统结构复杂，体积较大，不便于在机械加工装置上安装与使用。

[0003] 为解决这一技术问题，北京航空航天大学和河南理工大学分别提出了一种单激励纵弯复合椭圆振动切削系统，振动系统由单激励的纵向振动和开有一定角度、深度、数量的斜槽的变幅杆组成，斜槽对振动方式会发生转换，使得变幅杆受到纵向和弯曲两种振动，从而在工具处产生椭圆振动。但是，这种单激励纵弯复合椭圆振动加工装置的缺陷也非常明显：一是对开斜槽角度、深度和数量都有较高优化要求，加工难度大，可调节性差；二是开槽的设计对复合振动的产生较大的不利影响，使装置很难达到理想的辅助切削效果。

[0004] 韩国大邱加图立大学提出了另一种技术解决方案，采用由两个压电振源平行布置的结构，既克服了双激励振源垂直布置导致的装置结构复杂、体积过大的缺陷，又克服了单激励振源纵弯复合椭圆振动装置的开槽加工难度大、可调节性差、振动切削效果受影响等缺陷，取得了较好的技术效果。

[0005] 但是，上述技术方案仍然存在明确的缺陷与不足：一是压电材料的本身性能决定了该装置的输出振幅较小、功率不足，无法满足机床动态切削的性能要求，因而仅能应用于V槽等冲击不大的工况加工，而对于一些要求输出功率大、负载力强、能量转换效率高的加工工况则不能适应。二是压电振子的发热明显，采用空冷方式达不到理想的散热效果。由于磁致伸缩换能器总处于高强度、高频率磁场中工作，磁滞损耗、涡流损耗及线圈电阻损耗严重，产生的热量非常大，另一方面，磁致伸缩材料本身对外界温度比较敏感，一旦到达居里温度，其致动性能就基本丧失，因而散热冷却是磁致伸缩换能器发展中的重要技术问题，也是现有技术中限制磁致伸缩换能器向大功率、实用化发展的技术瓶颈。三是传统双激励振源的振动合成结构为刚性连接，而刚性连接存在灵敏度差、缺少微位移放大功能等问题，并且机械配合、摩擦等因素不可避免地降低位移合成与传递的精度。

发明内容

[0006] 本发明旨在解决现有技术的超声椭圆振动加工装置存在的输出功率小、能量转换效率低、空冷散热效果差、传统双振源输出的刚性连接方式灵敏度差、缺少位移放大功能等缺陷与不足，提供一种采用超磁致伸缩材料作为驱动结构的双激励超声椭圆振动加工装置，采用双腔室平行对称布置两组超磁致伸缩换能器，并在双腔室内设置单向水冷系统，在振动输出端采用柔性铰链连接，具有输出功率大、负载力强、能量转换效率高、频带宽、结构紧凑合理等优点，广泛适用于各类超声椭圆振动加工工况。

[0007] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种双激励超声椭圆振动加工装置，包括前刀具、振动发生单元和后刀柄，其特征在于：所述振动发生单元包括两组平行布置的超磁致伸缩换能器，所述每组超磁致伸缩换能器包括由超磁致伸缩材料制成的超磁致伸缩棒。

[0008] 一种双激励超声椭圆振动加工装置，所述振动发生单元还包括上下开口的的外套筒，所述外套筒的内腔被竖向隔板分隔为两个相同的腔室，所述两组超磁致伸缩换能器分别设置在两个腔室内，所述每组超磁致伸缩换能器包括从外环向内环依次设置的偏置磁场发生器、励磁线圈、支撑套、超磁致伸缩棒，所述每组超磁致伸缩换能器还包括位于顶部的上轭铁和位于底部的下轭铁，所述上轭铁、下轭铁和偏置磁场发生器一起形成对励磁线圈、支撑套、超磁致伸缩棒的围护结构并构成闭合磁回路，所述下轭铁与后刀柄固定连接，所述每组超磁致伸缩换能器还包括位于上轭铁上部的输出杆，所述输出杆通过预紧装置与上轭铁挤压连接。

[0009] 一种双激励超声椭圆振动加工装置，所述预紧装置包括由下至上依次套接在输出杆上的碟簧、衬片和预紧螺母,所述预紧螺母的外螺纹与外套筒内壁的内螺纹相旋合，所述预紧螺母旋合后使输出杆与上轭铁挤压连接。

[0010] 一种双激励超声椭圆振动加工装置，所述偏置磁场发生器为永磁体或通入偏置电流的线圈。

[0011] 一种双激励超声椭圆振动加工装置，所述支撑套由尼龙材料制成。

[0012] 一种双激励超声椭圆振动加工装置，所述振动发生单元还包括冷却装置，所述冷却装置包括入水口、两个水冷腔、和出水口，所述入水口和出水口分别对称地位于外套筒的上部侧壁，所述每组超磁致伸缩换能器的支撑套与超磁致伸缩棒之间分别设有环状的水冷腔，所述每组超磁致伸缩换能器的上轭铁上分别设有L形、与水冷腔相连通的上连通孔，所述两个上连通孔分别与入水口、出水口相连通，所述每组超磁致伸缩换能器的下轭铁上分别设有L形、与水冷腔相连通的下连通孔，所述外套筒的竖向隔板下部设有连通腔，所述两个下连通孔通过连通腔相连通。

[0013] 一种双激励超声椭圆振动加工装置，所述前刀具包括柔性铰链、刀片和刀头，所述柔性铰链由主杆和两臂构成“人”字形结构，所述主杆与刀头固定连接，所述两臂分别与两组超磁致伸缩换能器的输出杆固定连接，所述主杆与两臂的连接处设置有单边或双边的弧形切口。

[0014] 与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于:

[0015] 1.本发明采用超磁致伸缩材料制成超磁致伸缩换能器，与现有技术采用压电材料的换能器相比，具有磁致伸缩应变大、输出功率高、响应速度快、负载能力强等显著优点。

[0016] 2.在超磁致伸缩换能器内部设置大面积、围护式水冷系统，可迅速带走工作热量，保持换能器内部较低的工作温度。

[0017] 3.双激励振源的输出端采用柔性铰链与刀头连接，便于将两组平行振动位移耦合并放大，与现有技术的刚性连接相比，具有灵敏度高、传递位移大、无机械摩擦、无间隙等优点，可满足系统在谐振和非谐振条件下工作，工作频带宽。

[0018] 4.双腔室对称平行布置，可有效减小装置体积，并方便安装和夹持在机床刀架上。

附图说明

[0019] 图1为本发明的一种双激励超声椭圆振动加工装置的立体图。

[0020] 图2为本发明的一种双激励超声椭圆振动加工装置的结构示意图。

[0021] 其中：100-前刀具、101-柔性铰链、102-刀片、103-刀头、200-振动发生单元、201-偏置磁场发生器、202-励磁线圈、203-支撑套、204-水冷腔、205-超磁致伸缩棒、
206-入水口、207-上轭铁、208-碟簧、209-预紧螺母、210-输出杆、211-衬片、212-出水口、
213-外套筒、214-连通腔、215-下轭铁、216-上连通孔、217-下连通孔、300-后刀柄。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

[0023] 本发明提供的一种双激励超声椭圆振动加工装置，包括前刀具100、振动发生单元200和后刀柄300，振动发生单元200包括两组平行布置的超磁致伸缩换能器，每组超磁致伸缩换能器包括由超磁致伸缩材料制成的超磁致伸缩棒205。本发明采用超磁致伸缩材料制成超磁致伸缩换能器，与现有技术采用压电材料的换能器相比，具有磁致伸缩应变大、输出功率高、响应速度快、负载能力强等显著优点。

[0024] 参见图2，本发明提供的一种双激励超声椭圆振动加工装置的结构示意图。振动发生单元200包括上下开口的矩形的外套筒213，其内腔被竖向隔板分隔为两个相同的腔室，两组超磁致伸缩换能器分别设置在两个腔室内。每组超磁致伸缩换能器包括从外环向内环依次设置的偏置磁场发生器201、励磁线圈202、支撑套203、超磁致伸缩棒205。每组超磁致伸缩换能器的顶部设有上轭铁207，底部设有下轭铁215，上轭铁207、下轭铁215和偏置磁场发生器201一起形成对励磁线圈202、支撑套203、超磁致伸缩棒205的围护结构并形成闭合磁回路，能够很好地防止磁漏。每个上轭铁207的上部设有输出杆210，输出杆210通过预紧装置与上轭铁207挤压连接，下轭铁215与后刀柄300固定连接，从而使前刀具100、振动发生单元200和后刀柄300连接成整体。下轭铁215与后刀柄300的连接一般采用螺栓连接。

[0025] 本发明提供的双激励超声椭圆振动加工装置，每组超磁致伸缩换能器的预紧装置可以包括由下至上依次套接在输出杆210上的碟簧208、衬片211和预紧螺母209，预紧螺母209的外螺纹与外套筒213的内螺纹相旋合，旋转预紧螺母209可以使输出杆210与上轭铁207挤压连接，并进一步挤压超磁致伸缩棒205而施加合适的预紧力，保证其正常工作。

[0026] 本发明提供的双激励超声椭圆振动加工装置，偏置磁场发生器201为超磁致伸缩棒205提供偏置磁场，避免出现倍频现象，确保超磁致伸缩棒在线性区工作。偏置磁场发生器201可以是永磁体或通入偏置电流的线圈，优选永磁体，因为永磁体的体积小、结构紧凑。

[0027] 本发明提供的双激励超声椭圆振动加工装置，支撑套203由尼龙材料制成。尼龙材料具有很好的隔热性和支撑性，阻止励磁线圈的工作热量向芯部的超磁致伸缩棒的传递，并能很好地支撑励磁线圈。

[0028] 本发明提供的双激励超声椭圆振动加工装置，振动发生单元200还包括冷却装置，包括入水口206、两个水冷腔204、和出水口212。其中，入水口206和出水口212分别对称地位于外套筒213的上部侧壁。每组超磁致伸缩换能器的支撑套203与超磁致伸缩棒205之间分别设有环状的水冷腔204；每组换能器的上轭铁207上分别设有L形、与水冷腔
204相连通的上连通孔216，两个上连通孔216分别与入水口206、出水口212相连通；每组换能器的下轭铁215上分别设有L形、与水冷腔204相连通的下连通孔217，外套筒213的竖向隔板下部设有连通腔214，两个下连通孔217通过连通腔214相连通。从而，形成了入水口206、两个水冷腔204、出水口212的水冷通道，通入适当压力的水流即可形成单向水循环冷却系统。本发明提供的双激励超声椭圆振动加工装置，利用支撑套203和超磁致伸缩棒205之间的环状间隙形成水冷腔体，冷却水包围在超磁致伸缩棒205全部侧壁，能迅速带走超磁致伸缩棒205产生的热量，并同时带走励磁线圈202产生的热量，保持换能器内部较低的温度，使超磁致伸缩棒正常工作。本发明提供的双激励超声椭圆振动加工装置采用的水冷装置，冷却面积大、冷却效果好，并且巧妙利用结构间隙作为冷却腔体，结构简单、成本低廉。

[0029] 本发明提供的双激励超声椭圆振动加工装置，前刀具100包括柔性铰链101、刀片102和刀头103。柔性铰链101由主杆和两臂构成“人”字形结构，主杆与刀头103固定连接，两臂分别与两组超磁致伸缩换能器的输出杆210固定连接，并且两臂与主杆的连接处设置有单边或双边的弧形切口。振源的输出端采用柔性铰链与刀头连接，便于将两组平行振动位移耦合并放大，与现有技术的刚性连接相比，具有灵敏度高、传递位移大、无机械摩擦、无间隙等优点，可满足系统在谐振和非谐振条件下工作，工作频带宽。

[0030] 本发明提供的双激励超声椭圆振动加工装置的安装与操作流程如下：

[0031] 1、将刀柄301与外套筒213通过螺栓固定联接；

[0032] 2、分别安装每组超磁致伸缩换能器，将下轭铁215放入外套筒213内，并使下连通孔217的两端分别对齐水冷腔204和连通腔214；在外套筒213的每个腔室内由外环向内环依次放入偏置磁场发生器201、励磁线圈202、支撑套203、超磁致伸缩棒205；再放上入轭铁207，并使上连通孔216的两端分别对齐水冷腔204、入水口206或出水口212；再放入输出杆210、碟簧208、衬片211，并旋上预紧螺母209；

[0033] 3、将前刀具100的柔性铰链101的两臂分别与两个输出杆210焊接；

[0034] 4、将刀柄301夹持在刀架上，完成安装；

[0035] 5、将外部水冷系统驱动打开，向入水口注入适当压力的水流，启动水冷装置；

[0036] 6、输入交变电压使励磁线圈202内产生交变电流，进而在其内部产生交变磁场，使超磁致伸缩棒205在磁致伸缩效应下交变伸缩，产生振动，并通过柔性铰链在刀头合成椭圆振动轨迹。需要时，还可以通过调节两个激励信号的幅值、频率和相位来调节椭圆振动轨迹。