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一種超聲橢圓振動切削裝置的設(shè)計方法與流程

文檔序號:12439593閱讀:1705來源:國知局
一種超聲橢圓振動切削裝置的設(shè)計方法與流程

本發(fā)明屬于精密機械加工技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種超聲橢圓振動切削裝置的設(shè)計方法。



背景技術(shù):

超聲橢圓振動切削由日本學(xué)者社本英二等人提出。當(dāng)金剛石刀具以常規(guī)方式切削硬脆材料和黑色金屬時,刀具磨損非常嚴(yán)重;但對金剛石刀具施加超聲橢圓振動后切削上述材料,刀具磨損顯著降低,延長金剛石刀具的使用壽命,提高了零件的表面加工質(zhì)量。

目前已有的橢圓振動切削裝置專利有許多,包括:專利(CN 103611947A)發(fā)明了一種鉸鏈并聯(lián)式橢圓振動切削柔性裝置實現(xiàn)金剛石刀具產(chǎn)生橢圓軌跡。但是該裝置為非共振型橢圓振動,無法產(chǎn)生超聲橢圓振動,并且沒有說明如何設(shè)計、制造出橢圓振動切削裝置。實用新型(CN 204235246U)提供了一種換能器加變幅桿方式的超聲振動切削機構(gòu),但同樣沒有提出詳細(xì)的設(shè)計方法。專利(CN 101804575A)發(fā)明了一種共振式的橢圓超聲振動輔助切削裝置,并且也采用半圓片狀的壓電陶瓷。但是其壓電陶瓷片為非對稱式布置,且同樣沒有說明設(shè)計步驟。

綜上所述,目前沒有一種超聲橢圓振動切削裝置的設(shè)計方法,完整地介紹超聲橢圓振動切削裝置的設(shè)計步驟。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明提出了一種超聲橢圓振動切削裝置的設(shè)計方法,用于設(shè)計、制造超聲橢圓振動切削裝置。

如圖1所示,本發(fā)明提出的超聲橢圓振動切削裝置的設(shè)計方法,包括如下步驟:

(1)確定橢圓振動切削裝置參數(shù);

(2)計算換能器長度;

(3)計算換能器彎曲振動時,波腹和波節(jié)的位置;

(4)插入壓電陶瓷片,修正換能器長度;

(5)計算各級變幅桿長度;

(6)根據(jù)刀具形狀,在末級變幅桿的末端銑平面。

上述方法中,所述步驟(1)確定的橢圓振動切削裝置參數(shù)包括:裝置的工作頻率f、換能器直徑dT,換能器和變幅桿材料密度ρT 、楊氏模量ET 、泊松比υT ,各級變幅桿的直徑d1、d2 ,壓電陶瓷片的厚度lC,壓電陶瓷片材料密度ρC 、楊氏模量EC 、泊松比υC;

上述方法中,所述步驟(2)計算換能器長度的方法如下:

(1)

其中

ω: 角頻率 (Hz)

A: 橫截面積 (m2)

ρ: 密度 (kg/m3)

E: 楊氏模量 (Pa)

I: 慣性矩 (m4)

k'G: 有效剪切模量

υ: 泊松比。

上述方法中,所述步驟(3)中計算換能器彎曲振動時,波腹和波節(jié)的位置的方法如下:

(2)

其中Y為彎曲振動波振幅的位置,X為換能器軸線上任意一點與起始點的距離,所求出Y=max和Y=0時的X值即為換能器上波腹和波節(jié)的位置;φ1、φ2、n1、n2與權(quán)利要求2中計算φ1、φ2、n1、n2的方法相同;此外需要求出換能器中兩處波腹位置,各插入一組(4片)半圓環(huán)形狀的壓電陶瓷。

上述方法中,所述步驟(4)中插入壓電陶瓷片,修正換能器長度的方法如下:

(3)

在換能器上的波腹位置插入壓電陶瓷,并且每插入2片半圓環(huán)厚度lC的壓電陶瓷,將換能器的長度減小lM;在兩處波腹插入的壓電陶瓷其振動方向有90度相位差。

上述方法中,所述步驟(5)中計算各級變幅桿長度l1、l2的方法如下:

計算中間級變幅桿長度l1的方法如下:

(4)

計算末級變幅桿長度l2的方法同式(1):

其中φ1、φ2、n1、n2與權(quán)利要求2中計算φ1、φ2、n1、n2的方法相同,但對應(yīng)橫截面積A、慣性矩I應(yīng)替換成變幅桿的尺寸參數(shù)。

本發(fā)明用數(shù)學(xué)語言描述了一種超聲橢圓振動切削裝置的設(shè)計方法。本發(fā)明的有益效果是:按照發(fā)明所提設(shè)計步驟,可逐步計算出超聲橢圓振動切削裝置的各項設(shè)計參數(shù),制造出一種超聲橢圓振動切削裝置用于切削加工。

附圖說明

圖1為超聲橢圓振動切削裝置設(shè)計方法的流程圖。

圖2為實施例整體裝配圖。

圖3為兩處波腹位置,各放置一組壓電陶瓷的相對位置關(guān)系。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明,但并不局限于此;凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或等同替換,而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍,均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。

橢圓振動切削裝置,包括:換能器1,中間級變幅桿2,末級變幅桿3,第一組(4片)半圓環(huán)壓電陶瓷4,第二組(4片)半圓環(huán)壓電陶瓷5,在末級變幅桿的末端銑平面6。

(1)確定裝置的工作頻率f =20KHz、換能器直徑dT=42mm,換能器和變幅桿材料密度ρT =、楊氏模量ET =、泊松比υT =0.3,各級變幅桿的直徑d1=36 mm、d2 =30 mm,壓電陶瓷片的厚度lC=5mm,壓電陶瓷片材料密度ρC =、楊氏模量EC =、泊松比υC =0.3。

(2)根據(jù)式(1)求解換能器長度lT。滿足式(1)成立的lT有無窮多個,由于換能器中至少應(yīng)有兩處波腹,因此當(dāng)式(1)的解lT按由小到大排列時,應(yīng)選擇第三個或其以上的任意一個解。為使得該裝置結(jié)構(gòu)緊湊,故本實施例選擇第三個解,lT=144.2mm。

(3)根據(jù)式(2)計算換能器彎曲振動時波腹和波節(jié)的位置。Y=max和Y=0時對應(yīng)的X值即為換能器上波腹和波節(jié)的位置。波腹位置為X=41.6mm,X=91.2mm。

(4)在X=41.6mm,X=91.2mm插入壓電陶瓷片,按照圖3的方式進(jìn)行放置,根據(jù)式(3)修正換能器長度,求得lM=9.6mm。即,每插入2片半圓環(huán)厚度為5mm的壓電陶瓷片,換能器長度減小9.6mm。

(5)計算各級變幅桿長度:

中間級變幅桿長度l1根據(jù)式(4)求出,為使得該裝置結(jié)構(gòu)緊湊,故本實施例選擇i=1情況下的值,l1=50mm;

末級變幅桿長度l2根據(jù)式(1)求出,為使得該裝置結(jié)構(gòu)緊湊,故本實施例選擇當(dāng)式(1)的解l2由小到大排列時的第一個解,l2=35.6mm。

(6)根據(jù)刀具形狀,在末級變幅桿的末端銑平面6,如圖2所示。

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