一种单激励超声椭圆振动车削装置

摘要

本发明提供了一种新型的单激励超声椭圆振动车削装置，包括壳体单元、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刀具；所述的壳体单元包括外套筒、顶板和底板，支撑板通过焊接或者螺钉连接设置在外套筒上，用于和车床刀架连接；所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，包括上盖板、压电陶瓷片、电极片和下盖板，电极片连接超声电源，通过螺栓将上盖板、压电陶瓷片、电极片和下盖板连接压紧，构成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，上盖板上表面连接椭圆振动模态转换器。

权利要求

1.一种单激励超声椭圆振动车削装置，包括超声振动换能器、椭圆振动模态转换器，刀具安装在椭圆振动模态转换器前端，超声振动换能器整体呈圆柱体，包括上盖板、压电陶瓷片、电极片和下盖板，电极片连接超声电源，通过螺栓将上盖板、压电陶瓷片、电极片和下盖板连接压紧，上盖板上表面连接椭圆振动模态转换器，其特征在于：椭圆振动模态转换器包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁纵轴线与超声振动换能器的纵轴线重合，直梁的一端与超声换能器的上盖板连接，另一端安装刀具，斜梁的一端连接直梁中部，另一端连接在上盖板，斜梁与直梁所成夹角为锐角, 直梁横截面和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形;超声振动换能器的上盖板周向设有固定盘，超声振动换能器通过固定盘架空安装在壳体单元内，壳体单元包括一个外套筒，外套筒上端安装顶板，下端安装底板，外套筒内壁面上部设有凹止口，固定盘架设在凹止口内，顶板压紧安装在固定盘上，外套筒外壁面安装横向支撑板，支撑板连接车床刀架。

2.根据权利要求1所述的一种单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：壳体单元底板具有线孔，超声电源置于壳体单元外部，电极片连线穿过线孔与超声电源连接。

3.根据权利要求1所述的一种单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：支撑板通过焊接或螺钉设置在外套筒上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：所述直梁横截面和斜梁垂直于其中心轴线的截面尺寸为：12X12mm，直梁长72mm，直梁与斜梁夹角30度，直梁与上盖板连接处至斜梁与上盖板连接处的距离为25mm。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：直梁和斜梁分别与上盖板圆弧过渡连接，圆弧半径5mm。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：椭圆动模态转换器和上盖板制作成一个整体。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：椭圆振动模态转换器焊接设置在上盖板前端。

8.根据权利要求1-3任一项所述的一种单激励超声椭圆振动车削装置，其特征在于：刀具通过焊接或螺钉或压板机构设置在椭圆振动模态转换器的前端。

说明书

一种单激励超声椭圆振动车削装置

技术领域

[0001] 本发明涉及利用压电陶瓷逆压电效应的超声振动加工领域，尤其是涉及一种利用单激励超声椭圆振动进行辅助加工的精密车削装置。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 为了克服上述超声椭圆振动换能器技术中的不足《，北京航空航天大学学报》2005年2月第31卷第2期上论文“基于有限元分析的椭圆振动切削换能器”，提出了一种单一电信号激励的结构不对称的超声椭圆振动切削换能器，并对该换能器进行了有限元动力学分析和实验研究，取得了较好的实验效果，但是进一步提高单激励超声椭圆振动系统纵向振动到弯曲振动的转换效率，提高椭圆振动轨迹短轴与长轴的比值，改善切削效果，仅依靠在变幅杆前端一侧添加质量块和刀具的方式是不够理想的，并且从变幅杆到附加质量块以及从附加质量块到刀具需要两次物理连接，导致从压电换能器到刀具的超声振动能量损失较大，影响了超声椭圆振动切削效果。

[0004] CN 103406250 A公开了一种单激励超声椭圆振动换能器，卧式布置，包括超声振动换能器和椭圆振动模态转换器，椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，为斜楔形结构，斜楔形结构椭圆振动模态转换器原整体为长方体，沿超声振动换能器轴线方向其一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构，形成斜楔形的两个侧面中，未被切割的一侧面平行于超声振动换能器轴线，被切割过的另一侧面与超声振动换能器轴线成3-30度夹角。相比现有文献介绍的单激励超声椭圆振动换能器，本发明中的单激励超声椭圆振动换能器具有功率容量大、能量转换效率高、结构简单，结构刚度大、制造容易、成本低、控制驱动系统简单和振动性能稳定等优点。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种新型的单激励超声椭圆振动车削装置，包括壳体单元、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刀具；所述的壳体单元包括外套筒、顶板和底板，支撑板通过焊接或者螺钉连接设置在外套筒上，用于和车床刀架连接；所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，包括上盖板、压电陶瓷片、电极片和下盖板，电极片连接超声电源，通过螺栓将上盖板、压电陶瓷片、电极片和下盖板连接压紧，构成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，上盖板上表面连接椭圆振动模态转换器。

[0006] 椭圆振动模态转换器包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁纵轴线与超声振动换能器的纵轴线重合，直梁的一端与超声换能器的上盖板连接，另一端安装刀具，斜梁的一端连接直梁中部，另一端连接在上盖板，斜梁与直梁所成夹角为锐角。

[0007] 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激励超声椭圆振动换能器，椭圆振动模态转换器为直梁和斜梁复合结构的目的是为了改变单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；由于斜梁结构的存在，超声振动换能器产生的纵向超声振动在传递到斜梁后，在斜梁根部分解为一部分纵向振动分量和一部分弯曲振动分量，当斜梁分解的纵向振动分量和弯曲振动分量传递到直梁后，和直梁上传播的纵向振动相复合，最终在直梁末端形成具有一定相位差的纵向振动分量和弯曲振动分量复合的超声椭圆振动。

[0008] 进一步的，所述的椭圆振动模态转换器与上盖板制作成一个整体或者将椭圆振动模态转换器焊接设置在上盖板的前端。直梁横截面和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形：12X12mm，直梁长72mm，直梁与斜梁夹角30度，直梁与上盖板连接处至斜梁与上盖板连接处的距离为25mm。直梁和斜梁分别与上盖板圆弧过渡连接，圆弧半径5mm。超声电源的稳定输出电压为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精密车削要求。

[0009] 刀具通过焊接、连接螺钉或压板机构连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；并驱动刀具和椭圆振动模态转换器末端一起做超声椭圆振动。

[0010] 超声振动换能器的上盖板周向设有固定盘，超声振动换能器通过固定盘架空安装在壳体单元内，壳体单元包括一个外套筒，外套筒上端安装顶板，下端安装底板，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，壳体单元底板具有线孔，超声电源置于壳体单元外部，电极片连线穿过线孔与超声电源连接。外套筒内壁面上部设有凹止口，固定盘架设在凹止口内，顶板压紧安装在固定盘上，外套筒外壁面安装横向支撑板，支撑板连接车床刀架。

[0011] 相比现有文献介绍的单激励超声椭圆振动切削系统，该单激励超声椭圆振动切削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切削性能稳定稳定等优点。

[0012] 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。

[0013] 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。

[0014] 更进一步，所述的超声振动换能器的工作频率范围为18kHz-40kHz。

[0015] 本发明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分解为直梁的纵向振动、斜梁的纵向振动和弯曲振动分量，最终在直梁末端合成为纵弯复合超声椭圆振动，简化了单激励超声椭圆振动切削系统的整体结构，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；另外该发明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。

[0016] 本发明克服了现有单激励超声椭圆振动切削装置中存在的不足、提高了单激励超声椭圆振动换能器中纵向振动到弯曲振动的转换效率，提高了椭圆振动轨迹短轴与长轴的比值，改善切削效果，降低了超声椭圆振动车削装置的生产成本，提高了超声椭圆振动车削系统的工作稳定性。

附图说明

[0017] 图1是本发明的结构示意图；

[0018] 图2是本发明结构示意图的左视图；

[0019] 图3是本发明的具体实施例结构示意图。

[0020] 图中：1-螺栓，2-下盖板，3-压电陶瓷片，4-电极片，5-上盖板，6-法兰盘，7-椭圆振动模态转换器，8-刀具，9-顶板，10-支撑板，11-外套筒，12-底板，13-超声电源。

具体实施方式

[0021] 结合图1、2，一种单激励超声椭圆振动车削装置包括壳体单元、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前端的刀具8；壳体单元包括顶板9、外套筒11和底板12，支撑板10一端焊接在外套筒11外圆上，另一端固定在车床刀架上与机床连接；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上的下盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和上盖板5，上盖板5上设置有与壳体单元连接用的固定盘，固定盘为法兰盘6，下盖板2和上盖板5通过螺栓1将下盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和上盖板5连接压紧，构成了超声振动换能器的能量转换部分，将超声电源13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。

[0022] 椭圆振动模态转换器7和上盖板5制作成一个整体零件设置在上盖板5的前端，椭圆振动模态转换器7为直梁和斜梁的复合结构，直梁和斜梁的截面均为矩形，直梁的几何中心轴线和超声振动换能器的轴线重合，直梁的一端与超声换能器的上盖板5连接，另一端悬伸，截面边长为12×12mm，长72mm；斜梁的一端和超声换能器的上盖板5偏离轴线的一侧连接，斜梁中心轴线和上盖板5的连接处距离上盖板5的轴线距离为25mm，另一端和直梁的中间部位连接，截面边长为12×12mm。斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线成30夹角，在直梁和斜梁与超声换能器上盖板5的连接处均设有过渡圆弧，圆弧半径为5mm。刀具8通过连接螺钉连接设置在椭圆振动模态转换器7的前端。

[0023] 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设置于外套筒11的凹止口内，顶板9通过螺钉和外套筒11连接在一起，压紧在法兰盘6的另一侧，对整个超声振动换能器起固定作用，底板12通过螺钉连接在外套筒11的下侧。

[0024] 超声振动换能器和椭圆振动模态转换器7连接后的固有频率为19.84KHz，阻抗为83欧姆，动态电阻为19欧姆，超声电源13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13在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。

[0025] 运行时，结合图3所示，超声振动换能器的电极片4与超声电源13相连，当超声振动换能器的电极片4接入超声电源13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13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；并驱动刀具8和椭圆振动模态转换器7末端一起做超声椭圆振动。

[0026] 当加载电压运行10分钟后，单激励超声椭圆振动车削装置达到稳定振动状态，此时超声电源13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精密车削要求。

[0027] 本发明适合安装在精密或超精密车床上进行使用，首先通过支撑板10将该单激励超声椭圆振动车削装置安装在车床刀架上，进行正常对刀，调整其到最终安装位置。然后打开超声电源13，根据切削工艺的需要，调整工作频率，使刀具8处在最佳的超声椭圆振动状态，根据工艺要求，设定切削参数，如切削速度、切深、进给量，即可开始进行精密和超精密切削加工。另外，超声电源13具有自动频率跟踪功能，在实际切削工作过程中，如果由于切削阻力变化等原因，超声椭圆振动切削系统的固有频率发生了变化，超声电源13的输出频率会随之变化并保持和切削装置的固有频率一致，以便保证单激励超声椭圆振动切削装置始终处于最佳工作状态。