[发明专利]一种单激励超声椭圆振动车削装置

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。