[发明专利]一种纵弯复合振动模式的超声椭圆振动切削装置

说明书

本发明提供一种纵弯复合振动模式的超声椭圆振动切削装置。由两个纵向振动超声振子组合而成，包括预紧螺栓、纵向振动后盖板、圆环形压电陶瓷、电极片、纵向振动前盖板及刀具等。第一纵向振动超声振子布置在第二纵向超声振子的径向方向，用于激励装置的弯曲超声振动，与第二纵向超声振子所激发的纵向超声振动一并使装置呈现出超声纵弯复合振动模式，从而在安装在装置末端的刀具上输出椭圆振动轨迹。本发明在硬脆难加工材料的高完整性加工中效果显著，能够有效减小切削力及切削热，提高工件的形状精度，显著降低刀具磨损，实现脆性材料的塑性去除。

技术领域

本发明涉及超声振动加工技术领域，尤其涉及一种纵弯复合振动模式的超声椭圆振动切削装置。

背景技术

超声椭圆振动切削是在刀具上施加二维超声振动，使其呈现“椭圆运动轨迹”的切削方式，由日本学者社本英二和森肋俊道提出。相较一维超声振动切削，其切削过程具有“摩擦力反转”、“变角度切削”、更加彻底的“刀-工完全分离”特性，从而具有延长刀具寿命、提高表面光洁度和形状精度、提高切削稳定性以及抑制毛刺和再生颤振等优势，在难加工材料的超精密切削中具有广泛的应用。

为实现超声椭圆振动切削中的“完全分离型切削”，最大限度的发挥超声椭圆振动切削技术的优势，刀具的振动速度应大于相对切削速度，而刀具的振动速度与其振动频率和切削速度方向的振幅成正比。

现有的超声椭圆振动切削装置多是采用纵向振动、扭转振动、弯曲振动和径向振动中的两种振动形式耦合而成，且弯曲振动多是由半圆环形压电进行激励，其制造工艺及装配精度不高，造成压电陶瓷的电-声转化率较低，导致装置发热严重，限制了超声椭圆振动切削技术的应用。

发明内容

为得到硬脆难加工材料工件的高完整性表面，本发明提供了一种纵弯复合振动模式的超声椭圆振动切削装置，可输出不同形状的椭圆轨迹，且具有较高的输出功率。本发明采用的技术手段如下：

一种纵弯复合振动模式的超声椭圆振动切削装置，由两个纵向振动超声振子组合而成，包括预紧螺栓、纵向振动后盖板、圆环形压电陶瓷、电极片、纵向振动前盖板及刀具等。第一纵向振动超声振子布置在第二纵向超声振子的径向方向，用于激励装置的弯曲超声振动，与第二纵向超声振子所激发的纵向超声振动一并使装置呈现出超声纵弯复合振动模式，从而在安装在装置末端的刀具上输出椭圆振动轨迹。

进一步地，第一纵向振动超声振子由预紧螺栓和套接在其上的纵向振动后盖板、圆环形压电陶瓷、电极片及前盖板组成，且压电陶瓷处于纵向振动的波峰处。

进一步地，第一纵向振动超声振子布置在第二纵向超声振子的径向方向，利用预紧螺栓将其连接在第二纵向超声振子的弯曲振动的波峰处用于激励装置的弯曲超声振动。

进一步地，第二纵向振动超声振子由预紧螺栓和套接在其上的弯曲振动后盖板、圆环形压电陶瓷、电极片、带有法兰的弯曲振动前盖板、紧定螺钉及刀具组成，其总长度等于等于相同频率下的纵向振动的两个波长和弯曲振动的四个波长，压电陶瓷处于纵向振动的波峰处，用于激励装置的纵向超声振动。

进一步地，两个纵向振动超声振子均采用型号为PZT-4的圆环形压电陶瓷，利用压电陶瓷较高工作效率的的d33工作模式。

进一步地，通过两相具有一定相位差的超声电信号激励，第一纵向振动超声振子激励出的弯曲振动和第二纵向超声振子激励出的纵向超声振动使装置处于超声纵弯复合振动模态，从而在安装在装置末端的刀具上输出椭圆振动轨迹。

进一步地，利用超声电源分别调节两相激励的激励电压和相位差，从而实现对装置输出的椭圆振动轨迹的调整。

本发明具有以下优点：