本發(fā)明屬于精密、超精密精加工
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種通用型頻率匹配式縱-扭復(fù)合超聲振動(dòng)銑、鉆削裝置。
背景技術(shù)：
：與普通加工相比，超聲振動(dòng)加工具有降低切削力、減少刀具磨損、提高工件表面加工精度和提高加工效率等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的超聲加工多是單一振動(dòng)模式，然而隨著超聲加工技術(shù)的發(fā)展及設(shè)備的不斷改進(jìn)，縱-扭、縱-彎以及扭-彎等復(fù)合振動(dòng)模式也得到了廣泛的關(guān)注。研究表明，超聲縱-扭復(fù)合振動(dòng)模式下的銑削可進(jìn)一步減小切削的過程中的切削力，提高加工的效率與精度，增加振動(dòng)系統(tǒng)的剛度與刀具的耐磨性。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)主要有兩種方法，一是將壓電陶瓷沿切向極化，但技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)，通常的方法是先將壓電陶瓷片切分成若干扇形片，之后分別將各個(gè)扇形壓電陶瓷片切向極化，再將各個(gè)扇形壓電陶瓷片粘結(jié)起來，此種方法工藝復(fù)雜，廢品率很高，還容易出現(xiàn)陶瓷片極化不完全、電擊穿等問題，很難制造出理想的換能器；二是對變幅桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊化設(shè)計(jì)，如斜槽式等，但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，但該方法扭振分量小，未能充分利用縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)的優(yōu)勢，加工效率較低，使加工效果受到限制。目前，由于加工條件和諧振頻率的限制，縱-扭復(fù)合超聲銑、鉆削裝置的通用性較差，對夾裝的工具桿（銑刀、鉆頭等）的限制較為苛刻。夾裝不同材料、直徑的工具桿以及工具桿的伸出長度都會(huì)影響超聲裝置的諧振頻率，超聲振子在其他模態(tài)振動(dòng)，超聲振動(dòng)的振形發(fā)生變化，對工件的加工造成較大的影響，所以一套縱-扭復(fù)合超聲銑、鉆削裝置往往只局限于幾種甚至是一種工具材料、直徑，通用性較差。但實(shí)際加工中，需多種切削工具桿配合使用，故需多個(gè)縱-扭復(fù)合超聲銑、鉆削裝置，極大的增加了加工成本，降低了加工效率。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種通用型頻率匹配式縱-扭復(fù)合超聲振動(dòng)銑、鉆削裝置，該裝置通過對帶工具桿超聲振子的質(zhì)量的改變，對不同材料、直徑的銑刀和鉆頭進(jìn)行適量的頻率補(bǔ)償，使裝置在要求頻率下工作，裝置的通用性大大地提高；該裝置采用螺旋溝槽式超聲振子，增大了縱向分量和扭轉(zhuǎn)分量、效率高，工作穩(wěn)定。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種通用型頻率匹配式縱-扭復(fù)合超聲振動(dòng)銑、鉆削裝置，包括機(jī)床主軸、主軸外殼、超聲波電源、超聲無線電能傳輸系統(tǒng)、安裝筒、套筒、縱向超聲振動(dòng)換能器、空心螺旋溝槽式變幅桿、彈性夾頭、壓緊螺母和刀具；機(jī)床主軸的動(dòng)力輸出端垂直向下設(shè)置，機(jī)床主軸、安裝筒、套筒、空心螺旋溝槽式變幅桿和和刀具具有同一條回轉(zhuǎn)中心線，機(jī)床主軸下端與安裝筒上端同軸向傳動(dòng)連接，安裝筒下部伸出主軸外殼，套筒上部套在主軸外殼下部，套筒上部外側(cè)通過抱箍與主軸外殼下部緊固連接，超聲無線電能傳輸系統(tǒng)可拆卸連接在套筒下端和安裝筒上部外側(cè)之間，縱向超聲振動(dòng)換能器設(shè)置在安裝筒內(nèi)，空心螺旋溝槽式變幅桿上端通過雙頭螺栓與縱向超聲振動(dòng)換能器下端同軸向固定連接，空心螺旋溝槽式變幅桿上設(shè)有安裝盤，安裝盤通過安裝螺栓固定連接在安裝筒的下端面，刀具上端通用彈性夾頭安裝在空心螺旋溝槽式變幅桿下端部，壓緊螺母套在刀具的刀桿外并與空心螺旋溝槽式變幅桿下端外部螺紋緊固連接；超聲波電源通過電源線與超聲無線電能傳輸系統(tǒng)連接。超聲無線電能傳輸系統(tǒng)包括均呈圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的固定感應(yīng)盤和旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤，固定感應(yīng)盤套在旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤外部，固定感應(yīng)盤通過緊固螺栓固定設(shè)置在套筒下端面，旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤套在安裝筒外部，旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤下端面設(shè)有連接套，連接套通過緊固螺釘與安裝筒外壁連接，固定感應(yīng)盤內(nèi)圈開設(shè)有內(nèi)側(cè)敞口的外環(huán)形槽，旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤外圈開設(shè)有外側(cè)敞口的內(nèi)環(huán)形槽，外環(huán)形槽內(nèi)設(shè)置有固定磁芯及線圈，內(nèi)環(huán)形槽內(nèi)設(shè)置有旋轉(zhuǎn)磁芯及線圈，旋轉(zhuǎn)磁芯及線圈和固定磁芯及線圈位于同一水平面且內(nèi)外對應(yīng)設(shè)置；固定感應(yīng)盤外側(cè)設(shè)置有航空插頭，超聲波電源的電源線與航空插頭連接；安裝筒側(cè)部開設(shè)有穿孔，旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤與縱向超聲振動(dòng)換能器之間通過穿過穿孔的導(dǎo)線連接。縱向超聲振動(dòng)換能器包括換能器本體，換能器本體上自上而下依次設(shè)置有四層壓電陶瓷片，換能器本體頂部通過預(yù)緊螺栓壓緊四層壓電陶瓷片，壓電陶瓷片外側(cè)連接有電極片，電極片與所述的導(dǎo)線連接，換能器本體下側(cè)部開設(shè)有上扳手卡槽；空心螺旋溝槽式變幅桿包括自上而下依次設(shè)置的上圓柱段、中圓錐段和下圓柱段，上圓柱段的外徑等于中圓錐段上端的外徑，中圓錐段下端的外徑等于下圓柱段的外徑，中圓錐段呈上粗下細(xì)的結(jié)構(gòu)，上圓柱段側(cè)部開設(shè)有下扳手卡槽，安裝盤設(shè)置在上圓柱段的外部，中圓錐段沿圓周方向均勻開設(shè)四個(gè)可使縱振轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動(dòng)的螺旋槽，每個(gè)螺旋槽均沿軸向呈螺旋布置，螺旋槽槽深和槽寬分別為6mm和8mm。中圓錐段和下圓柱段由下端向上沿軸線開設(shè)有直徑為10mm、長度為44mm的圓柱槽，圓柱槽內(nèi)注入有配重液體，圓柱槽內(nèi)設(shè)置有封堵并密封配重液體的橡膠塞和密封圈；圓柱槽的下端口處為與彈性夾頭配合的喇叭口結(jié)構(gòu)。采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：1、為保證連接可靠性，換刀方便，采用通用ER彈性夾頭的方式夾裝銑刀，壓緊螺母采用細(xì)牙螺紋，保證連接的可靠性。2、螺旋槽槽深和槽寬分別為6mm和8mm，扭轉(zhuǎn)分量較大，圓柱槽在面積系數(shù)不變的情況下，增大了變幅桿放大系數(shù)，增強(qiáng)了縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效果，更有利于縱-扭復(fù)合超聲振動(dòng)的應(yīng)用。在圓柱槽里注入不同密度的配重液體（水、煤油等），利用橡膠塞和密封圈密封防漏。由于變幅桿夾裝不同材料、直徑的刀具桿以及刀具桿的伸出長度都會(huì)影響本裝置的諧振頻率。在夾裝不同的刀具桿時(shí)，超聲振子的質(zhì)量發(fā)生改變，通過調(diào)整橡膠塞和密封圈的位置來改變圓柱槽內(nèi)流體體積，或者更換流體的種類等，以改變縱-扭復(fù)合超聲振子的質(zhì)量，以補(bǔ)償夾裝不同刀具桿時(shí)的頻率的損失或者增加，從而實(shí)現(xiàn)夾裝不同刀具桿時(shí)，超聲裝置的諧振頻率、振動(dòng)模態(tài)及振形的一致性，大大提高了裝置的通用性。通過注入或者抽取圓柱槽內(nèi)的配重液體，改變超聲縱-扭復(fù)合振子的質(zhì)量，使振子諧振頻率發(fā)生變化。由于改變是配重液體的體積，振子的質(zhì)量和諧振頻率在一個(gè)范圍內(nèi)可進(jìn)行“無極調(diào)整”，結(jié)合ANSYS有限元仿結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)對超聲裝置的振動(dòng)模態(tài)及振形的精確地可控化。3、超聲波電源發(fā)出脈沖電信號，電信號首先流入超聲無線電能傳輸裝置，致使無線傳輸裝置固定感應(yīng)盤和旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤發(fā)生電磁感應(yīng)，旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤產(chǎn)生的電流經(jīng)導(dǎo)線傳至縱向超聲振動(dòng)換能器，縱向超聲振動(dòng)換能器發(fā)生逆壓電效應(yīng)將高頻震蕩的電信號轉(zhuǎn)化為簡諧振動(dòng)的機(jī)械波，最后簡諧機(jī)械波經(jīng)變幅桿實(shí)現(xiàn)振幅放大并傳至刀具。在中圓錐段圓周方向均勻布置螺旋槽，當(dāng)縱波傳到螺旋槽位置時(shí)，由于螺旋槽作用使縱波發(fā)生了轉(zhuǎn)換。應(yīng)力波在軸向和圓周方向產(chǎn)生振動(dòng)分量，疊加的應(yīng)力波傳播至傳變幅桿的輸出端產(chǎn)生縱-扭復(fù)合振動(dòng)。4、在中圓錐段和下圓柱段沿軸線開設(shè)有圓柱槽，通過ANSYS有限元仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，本裝置中的變幅桿放大系數(shù)比相同形狀形同材料制作的變幅桿的放大系數(shù)提高1.3~1.4倍，其縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效果均有一定的增強(qiáng)，大大提高了工作效率，更好的發(fā)揮縱扭復(fù)合振動(dòng)的優(yōu)勢。附圖說明圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中縱向超聲振動(dòng)換能器和空心螺旋溝槽式變幅桿的縱向剖視結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種通用型頻率匹配式縱-扭復(fù)合超聲振動(dòng)銑、鉆削裝置，包括機(jī)床主軸1、主軸外殼2、超聲波電源3、超聲無線電能傳輸系統(tǒng)、安裝筒4、套筒5、縱向超聲振動(dòng)換能器6、空心螺旋溝槽式變幅桿7、彈性夾頭8、壓緊螺母9和刀具10（立銑刀）。機(jī)床主軸1的動(dòng)力輸出端垂直向下設(shè)置，機(jī)床主軸1、安裝筒4、套筒5、空心螺旋溝槽式變幅桿7和和刀具10具有同一條回轉(zhuǎn)中心線，機(jī)床主軸1下端與安裝筒4上端同軸向傳動(dòng)連接，安裝筒4下部伸出主軸外殼2，套筒5上部套在主軸外殼2下部，套筒5上部外側(cè)通過抱箍11與主軸外殼2下部緊固連接，超聲無線電能傳輸系統(tǒng)可拆卸連接在套筒5下端和安裝筒4上部外側(cè)之間，縱向超聲振動(dòng)換能器6設(shè)置在安裝筒4內(nèi)，空心螺旋溝槽式變幅桿7上端通過雙頭螺栓12與縱向超聲振動(dòng)換能器6下端同軸向固定連接，空心螺旋溝槽式變幅桿7上設(shè)有安裝盤13，安裝盤13通過安裝螺栓14固定連接在安裝筒4的下端面，刀具10上端通用彈性夾頭8安裝在空心螺旋溝槽式變幅桿7下端部，壓緊螺母9套在刀具10的刀桿外并與空心螺旋溝槽式變幅桿7下端外部螺紋緊固連接。超聲波電源3通過電源線15與超聲無線電能傳輸系統(tǒng)連接。超聲無線電能傳輸系統(tǒng)包括均呈圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的固定感應(yīng)盤16和旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤17，固定感應(yīng)盤16套在旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤17外部，固定感應(yīng)盤16通過緊固螺栓18固定設(shè)置在套筒5下端面，旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤17套在安裝筒4外部，旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤17下端面設(shè)有連接套19，連接套19通過緊固螺釘20與安裝筒4外壁連接，固定感應(yīng)盤16內(nèi)圈開設(shè)有內(nèi)側(cè)敞口的外環(huán)形槽，旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤17外圈開設(shè)有外側(cè)敞口的內(nèi)環(huán)形槽，外環(huán)形槽內(nèi)設(shè)置有固定磁芯及線圈21，內(nèi)環(huán)形槽內(nèi)設(shè)置有旋轉(zhuǎn)磁芯及線圈22，旋轉(zhuǎn)磁芯及線圈22和固定磁芯及線圈21位于同一水平面且內(nèi)外對應(yīng)設(shè)置。固定感應(yīng)盤16外側(cè)設(shè)置有航空插頭23，超聲波電源3的電源線15與航空插頭23連接；安裝筒4側(cè)部開設(shè)有穿孔24，旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤17與縱向超聲振動(dòng)換能器6之間通過穿過穿孔24的導(dǎo)線25連接?？v向超聲振動(dòng)換能器6包括換能器本體26，換能器本體26上自上而下依次設(shè)置有四層壓電陶瓷片27，換能器本體26頂部通過預(yù)緊螺栓39壓緊四層壓電陶瓷片27，壓電陶瓷片27外側(cè)連接有電極片28，電極片28與所述的導(dǎo)線25連接，換能器本體26下側(cè)部開設(shè)有上扳手卡槽29。空心螺旋溝槽式變幅桿7包括自上而下依次設(shè)置的上圓柱段30、中圓錐段31和下圓柱段32，上圓柱段30的外徑等于中圓錐段31上端的外徑，中圓錐段31下端的外徑等于下圓柱段32的外徑，中圓錐段31呈上粗下細(xì)的結(jié)構(gòu)，上圓柱段30側(cè)部開設(shè)有下扳手卡槽33，安裝盤13設(shè)置在上圓柱段30的外部，中圓錐段31沿圓周方向均勻開設(shè)四個(gè)可使縱振轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動(dòng)的螺旋槽34，每個(gè)螺旋槽34均沿軸向呈螺旋布置，螺旋槽34槽深和槽寬分別為6mm和8mm。中圓錐段31和下圓柱段32由下端向上沿軸線開設(shè)有直徑為10mm、長度為44mm的圓柱槽35，圓柱槽35內(nèi)注入有配重液體36，圓柱槽35內(nèi)設(shè)置有封堵并密封配重液體36的橡膠塞37和密封圈38；圓柱槽35的下端口處為與彈性夾頭8配合的喇叭口結(jié)構(gòu)。超聲波電源3發(fā)出脈沖電信號，電信號首先流入超聲無線電能傳輸系統(tǒng)，致使超聲無線電能傳輸系統(tǒng)的固定感應(yīng)盤16和旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤17發(fā)生電磁感應(yīng)，旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤17產(chǎn)生的電流經(jīng)導(dǎo)線25傳至縱向超聲振動(dòng)換能器6，縱向超聲振動(dòng)換能器6發(fā)生逆壓電效應(yīng)將高頻震蕩的電信號轉(zhuǎn)化為簡諧振動(dòng)的機(jī)械波，最后簡諧機(jī)械波經(jīng)空心螺旋溝槽式變幅桿7實(shí)現(xiàn)振幅放大并傳至刀具10。為方便夾裝，在空心螺旋溝槽式變幅桿7和縱向超聲振動(dòng)換能器6上分別開設(shè)有下扳手卡槽33和上扳手卡槽29；旋轉(zhuǎn)感應(yīng)盤17與電極片28連接，通電后，由預(yù)緊螺栓壓緊的四片壓電陶瓷片27由于逆壓電效應(yīng)的作用，會(huì)產(chǎn)生一定頻率的縱向伸縮振動(dòng)，變幅桿本體與換能器本體26通過雙頭螺栓12連接，將縱向振動(dòng)傳遞到變幅桿本體末端，產(chǎn)生的振動(dòng)沿變幅桿繼續(xù)傳播，由于螺旋槽34作用使縱波發(fā)生了轉(zhuǎn)換。應(yīng)力波在軸向和圓周方向產(chǎn)生振動(dòng)分量，疊加的應(yīng)力波傳播至傳變幅桿本體的輸出端產(chǎn)生縱-扭復(fù)合振動(dòng)，從而在夾裝的刀具10上輸出縱-扭復(fù)合振動(dòng)。在需要固定超聲振動(dòng)頻率和振形的加工要求下：更換工具桿時(shí)，若工具桿夾裝伸長量不變，測量兩種刀具桿的質(zhì)量之差，通過注入或者抽取相同質(zhì)量的圓柱槽35內(nèi)的液體，以匹配超聲振子的質(zhì)量的改變，使更換刀具桿前后裝置的諧振頻率不變，保證更換前后超聲振子在同一模態(tài)下振動(dòng)，其振形保持一致；若更換刀具桿后，刀具桿夾裝長度發(fā)生改變，測量兩種刀具桿的伸長量及質(zhì)量之差，參考變幅桿設(shè)計(jì)理論，按照“伸長量差值→諧振頻率差值→質(zhì)量差值”的換算順序，將伸長量的差值對諧振頻率的影響等量換算成質(zhì)量差值，結(jié)合兩個(gè)質(zhì)量差值，改變圓柱槽35的液體的質(zhì)量，匹配縱-扭復(fù)合超聲振子的諧振頻率，使其在相同的諧振頻率模態(tài)下振動(dòng)，得到與更換刀具桿前相同的超聲縱-扭振動(dòng)振形。為快速匹配裝置頻率，結(jié)合變幅桿設(shè)計(jì)理論及ANSYS有限元仿真結(jié)果，對于常用的銑刀、鉆頭等制作“不同刀具桿及伸出量頻率匹配參數(shù)表”，如表1所示。表1不同刀具桿及伸出量頻率匹配參數(shù)表原刀具桿型號現(xiàn)刀桿型號伸長量差值質(zhì)量差值質(zhì)量總差值ф6硬質(zhì)合金銑刀ф6高速鋼銑刀2mm2.64g7.84gф6高速鋼銑刀Ф8高速鋼銑刀2mm1.85g1.85g在需要特定超聲振動(dòng)頻率和振形的加工要求下：在不更換刀具桿的情況下，由于加工條件或刀具桿材料及長度的限制，刀具桿伸長量無法進(jìn)一步變化。調(diào)整橡膠塞37和密封圈38的位置，通過注入或者抽取圓柱槽35內(nèi)的配重液體36，結(jié)合變幅桿設(shè)計(jì)理論及ANSYS有限元仿真結(jié)果，改變超聲縱-扭復(fù)合振子的質(zhì)量，使振子諧振頻率發(fā)生變化，以得到不同超聲裝置的振動(dòng)振形。由于改變是液體的體積，振子的質(zhì)量和諧振頻率在一個(gè)范圍內(nèi)可進(jìn)行“無極調(diào)整”，可實(shí)現(xiàn)對超聲裝置的振動(dòng)模態(tài)及振形的精確地可控化。在實(shí)際加工中，對于常用的銑刀、鉆頭等，結(jié)合變幅桿設(shè)計(jì)理論及ANSYS有限元仿真結(jié)果，可制作相應(yīng)的“同一刀具桿不同模態(tài)參數(shù)表”，實(shí)現(xiàn)在更換不同刀具桿時(shí)，諧振頻率的快速匹配。同一刀具桿不同模態(tài)參數(shù)表本實(shí)施例并非對本發(fā)明的形狀、材料、結(jié)構(gòu)等作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3