專利名稱：一種單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)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(dòng)領(lǐng)域，尤其是涉及一種單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置。
背景技術(shù)：
超聲橢圓振動(dòng)在超聲振動(dòng)切削、超聲焊接、超聲研磨、超聲拋光、直線超聲電機(jī)和旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)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(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、彎曲振動(dòng)和徑向振動(dòng)中的兩種振動(dòng)形式進(jìn)行復(fù)合來(lái)產(chǎn)生超聲橢圓振動(dòng)，需要采用兩組或兩組以上的壓電陶瓷片來(lái)激發(fā)產(chǎn)生具有一定相位差的兩個(gè)或多個(gè)振動(dòng)模態(tài)，還必須為每組壓電陶瓷片配備一路超聲驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)，且需要控制各路超聲驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)之間的相位差，超聲振動(dòng)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(shí)現(xiàn)微型化、工作性能不夠穩(wěn)定，這些問(wèn)題制約了超聲橢圓振動(dòng)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(dòng)換能器技術(shù)中的不足，《北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)》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(dòng)切削換能器”，提出了一種單一電信號(hào)激勵(lì)的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的超聲橢圓振動(dòng)切削換能器，并對(duì)該換能器進(jìn)行了有限元?jiǎng)恿W(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果，但是要進(jìn)一步提高縱向振動(dòng)到彎曲振動(dòng)的轉(zhuǎn)換，提高橢圓振動(dòng)軌跡短軸與長(zhǎng)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(dòng)能量損失較大，影響了超聲橢圓振動(dòng)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(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置，目的是為了克服現(xiàn)有單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)切削裝置中存在的不足、降低超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置的生產(chǎn)成本和提高超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置的工作穩(wěn)定性。一種單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置，包括殼體單元、置于殼體單元內(nèi)的超聲振動(dòng)換能器、橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器和設(shè)置在橢圓振動(dòng)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(chē)床刀架聯(lián)接；所述的超聲振動(dòng)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(guò)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(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器的能量轉(zhuǎn)換部分，將超聲電源輸出的超聲電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲換能器的縱向超聲振動(dòng)。

所述的橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器與前蓋板制作成一個(gè)整體設(shè)置在前蓋板的前端，或者利用一個(gè)附加的聯(lián)接螺柱將橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器聯(lián)接設(shè)置在前蓋板的前端。橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器整體為圓柱形，左右兩側(cè)開(kāi)設(shè)有三個(gè)錯(cuò)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(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器的振動(dòng)模態(tài)，使其縱向振動(dòng)模態(tài)頻率和彎曲振動(dòng)模態(tài)頻率接近或相等；刀具通過(guò)焊接、聯(lián)接螺釘或壓板機(jī)構(gòu)聯(lián)接設(shè)置在橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端；當(dāng)超聲振動(dòng)能量從超聲振動(dòng)換能器傳遞到橢圓振動(dòng)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(dòng)和彎曲振動(dòng)復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)；并驅(qū)動(dòng)刀具和橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端一起做超聲橢圓振動(dòng)。超聲振動(dòng)換能器置于殼體單元內(nèi)，超聲振動(dòng)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(duì)整個(gè)單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)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(jìn)入到殼體單元內(nèi)，影響單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器工作性能；相比現(xiàn)有文獻(xiàn)介紹的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器，該單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器具有功率容量大、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易、成本低、結(jié)構(gòu)剛度大、控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單和振動(dòng)切削性能穩(wěn)定穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。更進(jìn)一步，所述的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器只有一組縱向振動(dòng)壓電陶瓷片。更進(jìn)一步，所述的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器只需要一路超聲電信號(hào)激勵(lì)，
更進(jìn)一步，所述的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器的工作頻率范圍為18kHz-40kHz。本發(fā)明采用了機(jī)械振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)理把超聲換能器的縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)，簡(jiǎn)化了單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器的整體結(jié)構(gòu)，大大降低了振動(dòng)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(gè)單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，有利于微型化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)；另外該發(fā)明僅需要一路控制電路及超聲電源進(jìn)行激勵(lì)，控制難度低，避免了兩相或多相超聲振動(dòng)復(fù)合形成橢圓振動(dòng)換能器的復(fù)雜超聲電源開(kāi)發(fā)費(fèi)用，簡(jiǎn)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(shí)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(shí)例示意圖。圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)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(dòng)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(shí)施例方式結(jié)合圖1、2所示，一種單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置，包括殼體單元、置于殼體單兀內(nèi)的超聲振動(dòng)換能器、橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器6和設(shè)置在橢圓振動(dòng)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(chē)床刀架上與機(jī)床聯(lián)接；所述的超聲振動(dòng)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(guò)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(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器6和前蓋板5制作成一個(gè)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(kāi)設(shè)有三個(gè)錯(cuò)位分布的矩形缺口 7，三個(gè)矩形缺口 7寬度為6mm，深度為3mm,三個(gè)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(guò)聯(lián)接螺釘聯(lián)接設(shè)置在橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器6的前端。超聲振動(dòng)換能器置于殼體單元內(nèi)，超聲振動(dòng)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(guò)螺釘和外套筒11聯(lián)接在一起，壓緊在法蘭的另一側(cè)，對(duì)整個(gè)單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器起固定作用，下蓋板12通過(guò)螺釘聯(lián)接在外套筒11的下側(cè)。單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器只有一組縱向振動(dòng)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(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器固有頻率為25.32KHz,阻抗為96歐姆，動(dòng)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(dòng)頻率跟蹤功能。。結(jié)合圖2所示，運(yùn)行時(shí)，單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器的電極片4與超聲電源13相連，當(dāng)單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器的電極片4接入超聲電源13輸出的電信號(hào)后，由于壓電陶瓷片3的逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片3將會(huì)產(chǎn)生縱向超聲振動(dòng)，即超聲振動(dòng)換能器將超聲電源13輸出的電能轉(zhuǎn)換為縱向超聲振動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)整個(gè)超聲換能器系統(tǒng)進(jìn)行縱向超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)能量從超聲振動(dòng)換能器傳遞到橢圓振動(dòng)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(dòng)和彎曲振動(dòng)復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器6末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)；并驅(qū)動(dòng)刀具8和橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器6末端一起做超聲橢圓振動(dòng)。當(dāng)加載電壓運(yùn)行10分鐘后，單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置達(dá)到穩(wěn)定振動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)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(cè)振儀測(cè)得超聲橢圓振動(dòng)長(zhǎng)短半軸振幅分別為10.3微米和4.2微米，并通過(guò)具有李沙育圖形運(yùn)算功能的雙蹤示波器對(duì)激光多普勒測(cè)振儀測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行圖形運(yùn)算，可以得到長(zhǎng)短軸比為2.45的超聲橢圓振動(dòng)軌跡，完全滿足超聲橢圓振動(dòng)精密車(chē)削要求。本發(fā)明適合安裝在精密或超精密車(chē)床上進(jìn)行使用，首先通過(guò)支撐板10將該單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置安裝在車(chē)床刀架上，進(jìn)行正常對(duì)刀，調(diào)整其到最終安裝位置。然后打開(kāi)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(dòng)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(jìn)給量，即可開(kāi)始進(jìn)行精密和超精密切削加工。另外，超聲電源13具有自動(dòng)頻率跟蹤功能，在實(shí)際切削工作過(guò)程中，如果由于切削阻力變化等原因，超聲橢圓振動(dòng)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(huì)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(lì)超聲橢圓振動(dòng)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(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置，其特征在于:該振動(dòng)車(chē)削裝置包括殼體單元、置于殼體單元內(nèi)的超聲振動(dòng)換能器、橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器和設(shè)置在橢圓振動(dòng)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(chē)床刀架聯(lián)接；所述的超聲振動(dòng)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(guò)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(dòng)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(kāi)設(shè)有三個(gè)錯(cuò)位分布的矩形缺口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置，其特征在于:所述的橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器和前蓋板制作成一個(gè)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(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置，其特征在于:還包括一個(gè)聯(lián)接螺柱，用于將橢圓振動(dòng)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(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置，其特征在于:所述的刀具通過(guò)焊接設(shè)置在橢圓振動(dòng)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(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)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(dòng)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(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置，其特征在于:還包括壓板機(jī)構(gòu)，所述的刀具通過(guò)壓板機(jī)構(gòu)聯(lián)接在橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削裝置，包括殼體單元、置于殼體單元內(nèi)的超聲振動(dòng)換能器、橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器和設(shè)置在橢圓振動(dòng)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(dòng)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(guò)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(dòng)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(kāi)設(shè)有三個(gè)錯(cuò)位分布的矩形缺口。
文檔編號(hào)B23B21/00GK103192097SQ20131016456
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)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(qiáng) 申請(qǐng)人:蘇州科技學(xué)院