專利名稱：一種單激勵超聲橢圓振動車削裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)的超聲振動領(lǐng)域，尤其是涉及一種單激勵超聲橢圓振動車削裝置。
背景技術(shù)：
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(zhuǎn)超聲電機等領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用。目前研究人員大多采用縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動、彎曲振動和徑向振動中的兩種振動形式進行復(fù)合來產(chǎn)生超聲橢圓振動，需要采用兩組或兩組以上的壓電陶瓷片來激發(fā)產(chǎn)生具有一定相位差的兩個或多個振動模態(tài)，還必須為每組壓電陶瓷片配備一路超聲驅(qū)動電源信號，且需要控制各路超聲驅(qū)動電源信號之間的相位差，超聲振動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大、控制難度高、生產(chǎn)成本高、不易實現(xiàn)微型化、工作性能不夠穩(wěn)定，這些問題制約了超聲橢圓振動換能器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣。為了克服上述超聲橢圓振動換能器技術(shù)中的不足，《北京航空航天大學(xué)學(xué)報》2005年2月第31卷第2期上論文“基于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(jié)構(gòu)不對稱的超聲橢圓振動切削換能器，并對該換能器進行了有限元動力學(xué)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(zhuǎn)換，提高橢圓振動軌跡短軸與長軸的比值，提高切削效果，僅依靠在變幅桿前端一側(cè)添加質(zhì)量塊和刀具的方式是不夠理想的，并且從變幅桿到附加質(zhì)量塊以及從附加質(zhì)量塊到刀具需要兩次物理聯(lián)接，導(dǎo)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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(xiàn)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(chǎn)成本和提高超聲橢圓振動車削裝置的工作穩(wěn)定性。一種單激勵超聲橢圓振動車削裝置，包括殼體單元、置于殼體單元內(nèi)的超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)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(shè)置在外套筒外圓上，用于和車床刀架聯(lián)接；所述的超聲振動換能器包括螺栓及依次套設(shè)在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板和螺栓通過螺紋聯(lián)接將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板壓緊固定，構(gòu)成了單激勵超聲橢圓振動換能器的能量轉(zhuǎn)換部分，將超聲電源輸出的超聲電信號轉(zhuǎn)換為超聲換能器的縱向超聲振動。

所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器與前蓋板制作成一個整體設(shè)置在前蓋板的前端，或者利用一個附加的聯(lián)接螺柱將橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器聯(lián)接設(shè)置在前蓋板的前端。橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器整體為圓柱形，左右兩側(cè)開設(shè)有三個錯位分布的矩形缺口，設(shè)置矩形缺口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(tài)，使其縱向振動模態(tài)頻率和彎曲振動模態(tài)頻率接近或相等；刀具通過焊接、聯(lián)接螺釘或壓板機構(gòu)聯(lián)接設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端；當(dāng)超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動；并驅(qū)動刀具和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端一起做超聲橢圓振動。超聲振動換能器置于殼體單元內(nèi)，超聲振動換能器的法蘭設(shè)置于外套筒的上凹止口內(nèi)，上蓋板設(shè)置在法蘭的另一側(cè)，對整個單激勵超聲橢圓振動換能器起固定作用，下蓋板設(shè)置在外套筒的下側(cè)，防止灰塵等雜物進入到殼體單元內(nèi)，影響單激勵超聲橢圓振動換能器工作性能；相比現(xiàn)有文獻介紹的單激勵超聲橢圓振動換能器，該單激勵超聲橢圓振動換能器具有功率容量大、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單，制造容易、成本低、結(jié)構(gòu)剛度大、控制驅(qū)動系統(tǒng)簡單和振動切削性能穩(wěn)定穩(wěn)定等優(yōu)點。更進一步，所述的單激勵超聲橢圓振動換能器只有一組縱向振動壓電陶瓷片。更進一步，所述的單激勵超聲橢圓振動換能器只需要一路超聲電信號激勵，
更進一步，所述的單激勵超聲橢圓振動換能器的工作頻率范圍為18kHz-40kHz。本發(fā)明采用了機械振動模態(tài)轉(zhuǎn)換機理把超聲換能器的縱向振動轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，簡化了單激勵超聲橢圓振動換能器的整體結(jié)構(gòu)，大大降低了振動系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了制造、裝配難度和生產(chǎn)成本，整個單激勵超聲橢圓振動換能器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，有利于微型化目標(biāo)的實現(xiàn)；另外該發(fā)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復(fù)合形成橢圓振動換能器的復(fù)雜超聲電源開發(fā)費用，簡化了控制電路及超聲電源結(jié)構(gòu)，降低了控制電路及超聲電源成本，減小了控制電路及超聲電源體積，易于實現(xiàn)控制電路及超聲電源的微型化，集成化，提高了系統(tǒng)工作可靠性，工作性能穩(wěn)定，應(yīng)用前景廣闊。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的應(yīng)用實例示意圖。圖中標(biāo)號說明:1.螺栓，2.后蓋板，3.壓電陶瓷片，4.電極片，5.前蓋板，6.橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器，7.矩形缺口，8.刀具，9.上蓋板，10.支撐板，11.外套筒，12.下蓋板，13.超聲電源
具體實施例方式結(jié)合圖1、2所示，一種單激勵超聲橢圓振動車削裝置，包括殼體單元、置于殼體單兀內(nèi)的超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6和設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6前端的刀具8。所述的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，支撐板10另一端固定在車床刀架上與機床聯(lián)接；所述的超聲振動換能器包括螺栓I及依次套設(shè)在螺栓I上的后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5，前蓋板5和螺栓I通過螺紋聯(lián)接將后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5壓緊固定，橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6和前蓋板5制作成一個整體設(shè)置在前蓋板5的前端，其整體為圓柱形，直徑15mm，上下兩側(cè)開設(shè)有三個錯位分布的矩形缺口 7，三個矩形缺口 7寬度為6mm，深度為3mm,三個矩形缺口 7的中心距前端面的距離分別為15mm, 25mm, 35mm。刀具8通過聯(lián)接螺釘聯(lián)接設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6的前端。超聲振動換能器置于殼體單元內(nèi)，超聲振動換能器的法蘭設(shè)置于外套筒11的上凹止口內(nèi)，上蓋板9通過螺釘和外套筒11聯(lián)接在一起，壓緊在法蘭的另一側(cè)，對整個單激勵超聲橢圓振動換能器起固定作用，下蓋板12通過螺釘聯(lián)接在外套筒11的下側(cè)。單激勵超聲橢圓振動換能器只有一組縱向振動壓電陶瓷片3，壓電陶瓷段后蓋板2及前蓋板5直徑為30mm，壓電陶瓷片3材料為PZT-8，尺寸為..Φ30 X Φ15 X 5，六'1% 2。單激勵超聲橢圓振動換能器固有頻率為25.32KHz,阻抗為96歐姆，動態(tài)電阻為17歐姆，超聲電源13輸出電壓范圍為0-400V，電流范圍為0-4A，輸出頻率為25.32±0.0lKHz，且超聲電源13在指定頻率范圍內(nèi)具有自動頻率跟蹤功能。。結(jié)合圖2所示，運行時，單激勵超聲橢圓振動換能器的電極片4與超聲電源13相連，當(dāng)單激勵超聲橢圓振動換能器的電極片4接入超聲電源13輸出的電信號后，由于壓電陶瓷片3的逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片3將會產(chǎn)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(zhuǎn)換為縱向超聲振動，并驅(qū)動整個超聲換能器系統(tǒng)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(tài)轉(zhuǎn)換器6末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動；并驅(qū)動刀具8和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6末端一起做超聲橢圓振動。當(dāng)加載電壓運行10分鐘后，單激勵超聲橢圓振動車削裝置達到穩(wěn)定振動狀態(tài)，此時超聲電源13的穩(wěn)定輸出電壓為240V，電流為1.45A，使用激光多普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，并通過具有李沙育圖形運算功能的雙蹤示波器對激光多普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。本發(fā)明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(diào)整其到最終安裝位置。然后打開超聲電源13，根據(jù)切削工藝的需要，調(diào)整工作頻率，使刀具8處在最佳的超聲橢圓振動狀態(tài)，根據(jù)工藝要求，設(shè)定切削參數(shù)，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，如果由于切削阻力變化等原因，超聲橢圓振動切削系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生了變化，超聲電源13的輸出頻率會隨之變化并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于最佳工作狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種單激勵超聲橢圓振動車削裝置，其特征在于:該振動車削裝置包括殼體單元、置于殼體單元內(nèi)的超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)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(shè)置在外套筒上，用于和車床刀架聯(lián)接；所述的超聲振動換能器包括螺栓及依次套設(shè)在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板和螺栓通過螺紋聯(lián)接將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板壓緊固定；橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)置在前蓋板的前端，其整體為圓柱形，左右兩側(cè)開設(shè)有三個錯位分布的矩形缺口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單激勵超聲橢圓振動車削裝置，其特征在于:所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和前蓋板制作成一個整體設(shè)置在前蓋板的前端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單激勵超聲橢圓振動車削裝置，其特征在于:還包括一個聯(lián)接螺柱，用于將橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器聯(lián)接在前蓋板的前端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單激勵超聲橢圓振動車削裝置，其特征在于:所述的刀具通過焊接設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單激勵超聲橢圓振動車削裝置，其特征在于:還包括聯(lián)接螺釘，用于將刀具聯(lián)接在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單激勵超聲橢圓振動車削裝置，其特征在于:還包括壓板機構(gòu)，所述的刀具通過壓板機構(gòu)聯(lián)接在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單激勵超聲橢圓振動車削裝置，包括殼體單元、置于殼體單元內(nèi)的超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)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(shè)在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板和螺栓通過螺紋聯(lián)接將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板壓緊固定；橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)置在前蓋板的前端，其整體為圓柱形，左右兩側(cè)開設(shè)有三個錯位分布的矩形缺口。
文檔編號B23B21/00GK103192097SQ20131016456
公開日2013年7月10日 申請日期2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月8日
發(fā)明者殷振, 李華, 曹自洋, 李艷, 汪幫富, 謝鷗, 任坤, 陳玉榮, 張峰, 呂自強 申請人:蘇州科技學(xué)院