CN105478332A - 纵扭共振超声振动装置 - Google Patents
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Abstract
纵扭共振超声振动装置，它涉及超声加工以及精密切削领域，以解决现有应用于铣削加工的扭转振动装置扭转振动时材料内部摩擦损耗大部分能量而造成扭转幅值较小，能量利用效率较低的问题，它包括阶梯式中空筒锥复合体、纵扭转换空心圆柱体、预紧螺栓、偶数个压电陶瓷片和多个电极片；阶梯式中空筒锥复合体主要由同轴依次设置且制成一体的轴向定位轴、圆柱形纵扭转换体、锥形扭转振动放大体和圆柱形纵向振动放大体组成；预紧螺栓将阶梯式中空筒锥复合体、纵扭转换空心圆柱体、偶数个压电陶瓷片和多个电极片连接在一起。本发明用于超声振动加工。
Description
技术领域
本发明涉及超声加工以及精密切削领域，尤其涉及超声振动铣削、钻削、磨削等旋转超声加工装置。
背景技术
近几年来，许多硬脆材料如硅基材料、陶瓷材料、复合材料、一些高强度金属以及一些弱刚度结构、深小孔结构等在机械领域使用越来越多，使用传统的加工非常困难、加工成本非常高或者无法加工，而超声振动加工能减小切削力和切削温度、减小刀具磨损以及加工零件或者刀具刚性强化使得其在这类材料以及结构的加工中应用非常广泛。目前的超声加工研究主要应用的是弯曲振动、纵向振动形式，但是这两种振动形式主要应用于车削、钻削等加工过程中，例如椭圆超声振动车削、超声振动钻削等等，而在铣削等以旋转方式进行去除材料的加工方式并不适合应用弯曲振动、纵向振动等超声振动。应用于铣削加工的扭转振动装置有通过在实心的前盖板上或者变幅杆上增加螺旋槽结构，但是均因结构扭转振动时材料内部摩擦损耗大部分能量而造成扭转幅值较小，能量利用效率较低等缺陷，由于前后扭转振动幅值不一致导致结构扭振振动节面与纵向振动节面不一致，对于装置应用时的如机床主轴等其它结构造成一定的影响。
发明内容
本发明为解决现有应用于铣削加工的扭转振动装置扭转振动时材料内部摩擦损耗大部分能量而造成扭转幅值较小，能量利用效率较低的问题，进而提供一种纵扭共振超声振动装置。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：纵扭共振超声振动装置，它包括阶梯式中空筒锥复合体、纵扭转换空心圆柱体、预紧螺栓、偶数个压电陶瓷片和多个电极片；阶梯式中空筒锥复合体主要由同轴依次设置且制成一体的轴向定位轴、圆柱形纵扭转换体、锥形扭转振动放大体和圆柱形纵向振动放大体组成；
锥形扭转振动放大体的大直径端与圆柱形纵扭转换体连接，锥形扭转振动放大体的小直径端与圆柱形纵向振动放大体连接；纵扭转换空心圆柱体的一端插装在轴向定位轴上；
轴向定位轴上套装有叠放设置的偶数个压电陶瓷片，相邻两个压电陶瓷片之间的轴向定位轴上套装有一个电极片；纵扭转换空心圆柱体与相邻的压电陶瓷片之间的轴向定位轴上套装有一个电极片，圆柱形纵扭转换体与相邻的压电陶瓷片之间的轴向定位轴上套装有一个电极片；
纵扭转换空心圆柱体的周侧面上开设有旋向相同的多条第二螺旋槽，圆柱形纵扭转换体的周侧面上开设有旋向相同的多条第一螺旋槽，第一螺旋槽和第二螺旋槽的数量和尺寸相同而旋向相反，预紧螺栓旋拧在阶梯式中空筒锥复合体和纵扭转换空心圆柱体的贯通的中心螺纹通孔内，预紧螺栓将阶梯式中空筒锥复合体、纵扭转换空心圆柱体、偶数个压电陶瓷片和多个电极片连接在一起。
本发明的有益效果是：本发明的纵扭共振超声振动装置在单一轴向激励下，结构上能产生纵向振动和扭转振动两种振动形式的复合振动，供电形式简单；激振源振动形式简单，产生方式容易；并且由于扭转振动所受结构内部阻力小，能量利用更加充分，使得扭转振动幅值较大，能量利用效率提高。
本发明整个装置采用中空结构，有利于扭转振动幅值的放大，扭转振动节面与纵向振动节面重合，阶梯式中空筒锥复合体和纵扭转换空心圆柱体扭转动量相平衡。
扭转振幅比现有技术有大幅增大，相比申请号为201410157974.0的一种纵扭复合超声振动加工装置，在尺寸参数大致相似的情况下，扭转振动幅值能提高3-6倍以上；相比申请号为201410240342.0的一种纵扭复合超声振动切削装置和申请号为：201420691917.6的纵扭复合振动超声加工换能器，在尺寸参数大致相似的情况下，扭转振动幅值能提高2-3倍以上。
本发明的纵扭共振超声振动装置可以直接安装在机床主轴上通过集流环供电后即可作为机床主轴的一部分，使用简易方便，互换性较好。
本发明的纵扭共振超声振动装置具有通用刀具安装结构，可以实现快速换刀，因而在实际应用中非常简便易行。
附图说明
图1是本发明纵扭共振超声振动装置的立体图，图2是本发明纵扭共振超声振动装置的半剖图，图3是本发明纵扭共振超声振动装置的阶梯式中空筒锥复合体和主轴安装板连接结构立体图，图4是本发明纵扭共振超声振动装置的纵扭转换空心圆柱体立体图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图4说明，本实施方式的纵扭共振超声振动装置，它包括阶梯式中空筒锥复合体、纵扭转换空心圆柱体2、预紧螺栓1、偶数个压电陶瓷片9和多个电极片10；阶梯式中空筒锥复合体主要由同轴依次设置且制成一体的轴向定位轴14、圆柱形纵扭转换体5、锥形扭转振动放大体12和圆柱形纵向振动放大体6组成；
锥形扭转振动放大体12的大直径端与圆柱形纵扭转换体5连接，锥形扭转振动放大体12的小直径端与圆柱形纵向振动放大体6连接；纵扭转换空心圆柱体2的一端插装在轴向定位轴14上；
轴向定位轴14上套装有叠放设置的偶数个压电陶瓷片9，相邻两个压电陶瓷片9之间的轴向定位轴14上套装有一个电极片10；纵扭转换空心圆柱体2与相邻的压电陶瓷片9之间的轴向定位轴14上套装有一个电极片10，圆柱形纵扭转换体5与相邻的压电陶瓷片9之间的轴向定位轴14上套装有一个电极片10；
纵扭转换空心圆柱体2的周侧面上开设有旋向相同的多条第二螺旋槽2-1，圆柱形纵扭转换体5的周侧面上开设有旋向相同的多条第一螺旋槽5-1，第一螺旋槽5-1和第二螺旋槽2-1的数量和尺寸相同而旋向相反，预紧螺栓1旋拧在阶梯式中空筒锥复合体和纵扭转换空心圆柱体2的贯通的中心螺纹通孔16内，预紧螺栓1将阶梯式中空筒锥复合体、纵扭转换空心圆柱体2、偶数个压电陶瓷片9和多个电极片10连接在一起。
本实施方式装置的阶梯式中空筒锥复合体和纵扭转换空心圆柱体2采用空心结构有利于提高结构对扭转振动的放大倍数，也用于减小结构扭转振动过程中结构材料内部摩擦造成的能量损失。螺旋槽结构能实现纵振转化成扭转振动，第一螺旋槽5-1与第二螺旋槽2-1旋向相反，有利于使得纵扭转换空心圆柱体上产生与阶梯式中空筒锥复合体方向相反的扭转振动，从而可以以较低的能量激振起装置的扭转振动。纵扭转换空心圆柱体和圆柱形纵扭转换体的反向设置使纵扭转换结构减小扭转振动的阻力，使得该装置在相同振动能量时实现高效率扭转振动。第一螺旋槽5-1和第二螺旋槽2-1可为通孔状螺旋槽，第一螺旋槽5-1和第二螺旋槽2-1的长度、螺距、宽度等参数相同，可以通过控制第一螺旋槽5-1和第二螺旋槽2-1的长度、螺距、宽度等参数改变纵扭转换的效率。贯通的中心螺纹通孔16结构是指轴向定位轴14、圆柱形纵扭转换体5、锥形扭转振动放大体12、圆柱形纵向振动放大体6以及纵扭转换空心圆柱体共同开设的中心螺纹通孔，以安装预紧螺栓1，可以通过控制中心螺纹通孔16的直径来改变结构的频率以及扭转振动放大倍数。预紧螺栓阶梯式中空筒锥复合体、纵扭转换空心圆柱体2、偶数个压电陶瓷片9和多个电极片10连接在一起，并给压电陶瓷片提供压应力使压电陶瓷处于被压缩状态，从而抑制住压电陶瓷因受与极化方向相同的电场时产生拉力而造成的材料破坏。所述轴向定位轴用于对压电陶瓷片和纵扭转换空心圆柱体进行轴心定位，并保证纵向振动激励方向始终与装置轴心线重合。圆柱形纵向振动放大体6结构为细长部分，可以通过改变这段结构的直径和长度控制纵振振幅的放大倍数。锥形扭转振动放大体12为过渡圆台结构。锥形扭转振动放大体12和圆柱形纵向振动放大体6有利于加工时减少剪切力和加水量。本发明纵扭共振超声振动装置的共振频率为20KHz以上。
具体实施方式二：结合图1和图3说明，本实施方式的多条第一螺旋槽5-1对应的圆心角之和为360°。如此设置，使得纵扭转化效率达到最大，使扭转振动节面与纵向振动节面重合，阶梯式中空筒锥复合体和纵扭转换空心圆柱体扭转动量相平衡；在端节面处进行安装，结构的扭转振动对安装结构(如机床主轴)不产生影响；在端节面处安装，使得安装方式不会影响结构的扭转振动，能够更有效率地利用结构的扭转振型。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图4说明，本实施方式的多条第二螺旋槽2-1对应的圆心角之和为360°。如此设置，使得纵扭转化效率达到最大，使扭转振动节面与纵向振动节面重合，阶梯式中空筒锥复合体和纵扭转换空心圆柱体扭转动量相平衡；在端节面处进行安装，结构的扭转振动对安装结构(如机床主轴)不产生影响；在端节面处安装，使得安装方式不会影响结构的扭转振动，能够更有效率地利用结构的扭转振型。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1和图4说明，本实施方式的阶梯式中空筒锥复合体和纵扭转换空心圆柱体2采用相同的材料制成。阶梯式中空筒锥复合体和纵扭转换空心圆柱体2可为38CrMoAl或不锈钢或钛合金等材料。使用方便，取材容易。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1和图2说明，本实施方式的电极片10为铜电极片。相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反，且所有压电陶瓷正极均不与阶梯式中空筒锥复合体、纵扭转换空心圆柱体2接触。并且电极片10将压电陶瓷片所有正极、所有负极分别连接在一起，负极与阶梯式中空筒锥复合体、纵扭转换空心圆柱体相连并接地。其它与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：结合图3说明，本实施方式所述装置还包括主轴安装板15，主轴安装板15设置在与轴向定位轴14相邻的圆柱形纵扭转换体5的一端，主轴安装板15的靠近轴向定位轴14一侧的安装面15-1与靠近轴向定位轴14的圆柱形纵扭转换体5的端节面5-2之间圆弧过渡。本实施方式的主轴安装板15用于本发明纵扭共振超声振动装置与机床主轴的连接，其安装面15-1与端节面15-1之间有一定厚度，并采取二次曲线逐渐圆弧过渡的结构，使得整个装置的安装在不影响超声振动的同时具有较高的可靠性。其它与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图2和图3说明，本实施方式的圆柱形纵向振动放大体6的末端内腔7为圆锥形结构。本实施方式的内腔7结构前端具有锥形孔结构，可以与锥形刀柄或者弹簧夹头合用而实现快速换刀。其它与具体实施方式一、二、四或六相同。
具体实施方式八：结合图2和图3说明，本实施方式的圆柱形纵向振动放大体6的末端加工有刀具固紧螺纹13。如此设置，有利于固定刀具，可以实现快速换刀，因而在实际应用中非常简便易行。其它与具体实施方式七相同。
本发明纵扭共振超声振动装置的实例进行有限元分析可得到该装置的共振频率为25415Hz，共振时扭转振幅与纵向振动幅值之比为0.48μrad/μm，阶梯式中空筒锥复合体末端***扭转振动线速度是纵向振动速度的6.9倍。
以上所述纵扭共振超声振动装置仅为本发明的一种实例，并不对本发明进行限制，凡是与本发明具有相同设计原则的类似装置均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.纵扭共振超声振动装置，其特征在于：它包括阶梯式中空筒锥复合体、纵扭转换空心圆柱体(2)、预紧螺栓(1)、偶数个压电陶瓷片(9)和多个电极片(10)；阶梯式中空筒锥复合体主要由同轴依次设置且制成一体的轴向定位轴(14)、圆柱形纵扭转换体(5)、锥形扭转振动放大体(12)和圆柱形纵向振动放大体(6)组成；锥形扭转振动放大体(12)的大直径端与圆柱形纵扭转换体(5)连接，锥形扭转振动放大体(12)的小直径端与圆柱形纵向振动放大体(6)连接；纵扭转换空心圆柱体(2)的一端插装在轴向定位轴(14)上；
轴向定位轴(14)上套装有叠放设置的偶数个压电陶瓷片(9)，相邻两个压电陶瓷片(9)之间的轴向定位轴(14)上套装有一个电极片(10)；纵扭转换空心圆柱体(2)与相邻的压电陶瓷片(9)之间的轴向定位轴(14)上套装有一个电极片(10)，圆柱形纵扭转换体(5)与相邻的压电陶瓷片(9)之间的轴向定位轴(14)上套装有一个电极片(10)；纵扭转换空心圆柱体(2)的周侧面上开设有旋向相同的多条第二螺旋槽(2-1)，圆柱形纵扭转换体(5)的周侧面上开设有旋向相同的多条第一螺旋槽(5-1)，第一螺旋槽(5-1)和第二螺旋槽(2-1)的数量和尺寸相同而旋向相反，预紧螺栓(1)旋拧在阶梯式中空筒锥复合体和纵扭转换空心圆柱体(2)的贯通的中心螺纹通孔(16)内，预紧螺栓(1)将阶梯式中空筒锥复合体、纵扭转换空心圆柱体(2)、偶数个压电陶瓷片(9)和多个电极片(10)连接在一起。
2.根据权利要求1所述的纵扭共振超声振动装置，其特征在于：多条第一螺旋槽(5-1)对应的圆心角之和为360°。
3.根据权利要求1或2所述的纵扭共振超声振动装置，其特征在于：多条第二螺旋槽(2-1)对应的圆心角之和为360°。
4.根据权利要求1所述的纵扭共振超声振动装置，其特征在于：阶梯式中空筒锥复合体和纵扭转换空心圆柱体(2)采用相同的材料制成。
5.根据权利要求1、2或4所述的纵扭共振超声振动装置，其特征在于：电极片(10)为铜电极片。
6.根据权利要求5所述的纵扭共振超声振动装置，其特征在于：所述装置还包括主轴安装板(15)，主轴安装板(15)设置在与轴向定位轴(14)相邻的圆柱形纵扭转换体(5)的一端，主轴安装板(15)的靠近轴向定位轴(14)一侧的安装面(15-1)与靠近轴向定位轴(14)的圆柱形纵扭转换体(5)的端节面(5-2)之间圆弧过渡。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的纵扭共振超声振动装置，其特征在于：圆柱形纵向振动放大体(6)的末端内腔(7)为圆锥形结构。
8.根据权利要求7所述的纵扭共振超声振动装置，其特征在于：圆柱形纵向振动放大体(6)的末端加工有刀具固紧螺纹(13)。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160413 |