单激励纵扭复合二维超声切削装置

1.本发明涉及硬脆材料加工技术领域，特别是涉及一种单激励纵扭复合二维超声切削装置。


背景技术：

2.伴随着制造业的发展，硬脆材料的应用领域不断扩大。由于硬脆材料硬度高、脆性大，硬脆材料的加工成为一个难题。近年来，超声辅助加工技术不断发展，为解决硬脆材料的加工提供了新的解决方案。超声辅助加工是在普通切削、铣削、磨削等加工方法的基础上对刀具或工件施加高频振动的加工技术。回转类零件在制造业中占有较大的比例，超声切削作为加工回转类零件的重要加工方法，现有的超声切削方法只能实现单方向的纵向振动或是同时在不同方向施加超声振动，前者加工中有局限性，刀具在切削过程中受到不断变化的拉压应力，易出现崩刃，在零件的加工质量方面并不能取得很大提高；后者通常需要两套超声设备，结构复杂，对两套设备的相位差要求严格，安装精度要求高，调试复杂。而单激励二维切削就有效地减小了切削力，提高了加工精度，结构简单，方便安装和调试。


技术实现要素：

3.本发明的目的是在于针对现有技术的不足，提供了一种单激励纵扭复合二维超声切削装置，将高频超声电信号转换为纵向振动和沿周向的扭转振动，纵向振动和扭转振动复合运动轨迹为二维平面椭圆。
4.一种单激励纵扭复合二维超声切削装置，包括超声电源、超声换能器、超声变幅杆、车刀片、旋转主轴、支撑夹具、底座、工件，所述超声换能器包括前端盖、压电陶瓷片、电极片、后端盖，所述支撑夹具包括上支撑座、下支撑座、盖板，所述超声换能器与超声电源用导线连接，所述超声电源产生超声电信号通过导线传递给超声换能器，所述超声换能器将超声波电信号转化为超声振动并将超声振动传递给超声变幅杆，所述超声变幅杆将一维超声振动转换为二维超声椭圆振动，所述超声变幅杆运动的波节点设置有法兰盘，法兰盘通过支撑夹具固定于底座，底座下端固定于工作台。
5.进一步的技术方案中，所述超声电源产生超声电信号。
6.进一步的技术方案中，所述超声换能器的前端盖通过双头螺柱与所述超声变幅杆固定，且超声换能器的前端盖的直径与超声变幅杆固定端直径一致，超声变幅杆的另一端设置有刀具头。
7.进一步的技术方案中，所述刀具头设置有菱形槽与螺纹孔，用于将所述车刀片固定于刀具头。
8.进一步的技术方案中，所述超声变幅杆设置为阶梯状，超声变幅杆的圆柱面设置有矩形螺旋槽。
9.进一步的技术方案中，所述超声变幅杆的矩形螺旋槽将振动模态进行转化，使传入的纵向振动转化为纵向振动和周向扭转振动，最终复合形成二维超声椭圆振动。
10.进一步的技术方案中，所述法兰盘设置有半圆形凹槽，与所述支撑夹具的半圆形凹槽相配合。
11.进一步的技术方案中，所述支撑夹具下底面固定于底座。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
13.1.整套装置只需要一套超声波发生器和超声换能器，结构简单，制造方便，制造成本低。
14.2.该装置通过变幅杆的扭转振动和纵向振动复合而成的二维平面椭圆运动。
15.3.刀具头与变幅杆一体式设置，降低了超声振动在传递过程中的损耗，提高了振动的传递效率。设置有半圆弧过渡面，增加了刀具头的刚度。设置有菱形槽和螺纹孔，方便车刀片的安装。
附图说明
16.图1是本发明的整体结构示意图；
17.图2是本发明超声换能器的结构示意图；
18.图3是本发明超声变幅杆的结构示意图；
19.图4是本发明支撑夹具的爆炸图；
20.示意图中的标号说明：
21.1、超声电源；2、超声换能器；3、超声变幅杆；4、车刀片；5、旋转主轴6、支撑夹具；7、底座；8、工件；9、前端盖；10、压电陶瓷片；11、电极片；12、后端盖；13、上支撑板；14、下支撑板；15、盖板。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明进一步说明具体的实施方法：
23.参照图1到图4本发明提供了一种单激励纵扭复合二维超声切削装置，该装置由超声电源(1)、超声换能器(2)、超声变幅杆(3)、车刀片(4)、旋转主轴(5)、支撑夹具(6)、底座(7)、工件(8)组成，超声换能器(2)由前端盖(9)、压电陶瓷片(10)、电极片(11)、后端盖(12)组成，支撑夹具(6)由上支撑座(13)、下支撑座(14)、盖板(15)组成，其中，超声电源(1)与超声换能器(2)通过导线连接，超声换能器(2)与超声变幅杆(3)通过双头螺柱连接，超声变幅杆(3)的刀具头设置有与车刀片(4)形状相同的菱形槽和螺纹孔，车刀片(4)与超声变幅杆(3)通过螺钉连接，支撑夹具(6)将变幅杆(3)的法兰盘夹紧，支撑夹具(6)的下端与底座(7)的上端通过螺钉连接，底座(7)的下端连接于工作台。
24.所述超声换能器(2)由前端盖(9)、四组压电陶瓷片(10)与电极片(11)的同轴排列组合、后端盖(12)依次排列，通过螺钉连接。
25.所述支撑夹具(6)的上支撑座(13)设置于下支撑座(14)上端，上支撑座(13)与下支撑座(14)设置有肋板，肋板处通过螺纹连接，上支撑座(13)与下支撑座(14)连接的右端面设置有与超声变幅杆(3)的法兰盘形状相同的圆形凹槽，圆形凹槽内设置有半圆形突起。
26.本发明的工作原理是：
27.超声电源(1)产生超声电信号，通过导线将超声电信号传递给超声换能器(2)，利用压电陶瓷片(10)的压电效应将超声电信号转换为超声振动，超声换能器(2)将超声振动
传递给超声变幅杆(3)，超声变幅杆(3)将超声振动进行放大，超声变幅杆(3)圆柱表面开设有矩形螺旋槽，当振动沿超声变幅杆(3)的轴线传播时，靠近轴线部分的振动模态不变，沿表面传播的超声振动遇到矩形螺旋槽时产生纵向作用力分量和剪切作用力分量，纵向作用力的方向是沿轴线方向，剪切作用分量的方向垂直于超声变幅杆(3)的半径方向，从而实现模态转换产生扭转运动，在输出端得到纵扭复合的二维平面椭圆轨迹。超声变幅杆(3)带动车刀片(4)产生二维椭圆轨迹，用于切削旋转主轴(5)带动的工件(8)。
28.支撑夹具(6)的上支撑座(13)与下支撑座(14)的圆形凹槽与超声变幅杆(3)法兰盘的形状相同，用于安装支撑超声变幅杆(3)，圆形凹槽内的半圆形突起用于对超声变幅杆(3)进行周向定位，盖板(15)采用螺钉安装于圆形凹槽与法兰盘的一端，对超声变幅杆(3)进行轴向定位。
29.底座(7)上端凸台为上端整体提供水平方向的支撑，下端用螺钉连接于工作台。


技术特征：
1.一种单激励纵扭复合二维超声切削装置，其特征在于：所述装置包括超声电源(1)、超声换能器(2)、超声变幅杆(3)、车刀片(4)、旋转主轴(5)、支撑夹具(6)、底座(7)、工件(8)，所述超声换能器(2)包括前端盖(9)、压电陶瓷片(10)、电极片(11)、后端盖(12)，所述支撑夹具(6)包括上支撑座(13)、下支撑座(14)、盖板(15)，所述超声换能器(2)与超声电源(1)用导线连接，所述超声电源(1)产生超声电信号通过导线传递给超声换能器(2)，所述超声换能器(2)将超声波电信号转化为超声振动并将超声振动传递给超声变幅杆(3)，所述超声变幅杆(3)将一维超声振动转换为二维超声椭圆振动，所述超声变幅杆(3)运动的波节点设置有法兰盘，法兰盘通过支撑夹具(6)固定于底座(7)，底座(7)下端固定于机床。2.根据权利要求1所述的单激励纵扭复合二维超声切削装置，其特征在于：所述超声电源(1)产生超声电信号。3.根据权利要求1所述的单激励纵扭复合二维超声切削装置，其特征在于：所述超声换能器(2)的前端盖(9)通过双头螺柱与所述超声变幅杆(3)固定，且超声换能器(2)的前端盖(9)的直径与超声变幅杆(3)固定端直径一致，超声变幅杆(3)的另一端设置有刀具头。4.根据权利要求3所述的单激励纵扭复合二维超声切削装置，其特征在于：所述刀具头设置有菱形槽与螺纹孔，用于将所述车刀片(4)固定于刀具头。5.根据权利要求1所述的单激励纵扭复合二维超声切削装置，其特征在于：所述超声变幅杆(3)设置为阶梯状，超声变幅杆(3)的圆柱面设置有矩形螺旋槽。6.根据权利要求5所述的单激励纵扭复合二维超声切削装置，其特征在于：所述超声变幅杆(3)的矩形螺旋槽将振动模态进行转化，使传入的纵向振动转化为纵向振动和周向扭转振动，最终复合形成二维超声椭圆振动。7.根据权利要求1所述的单激励纵扭复合二维超声切削装置，其特征在于：所述法兰盘设置有半圆形凹槽，与所述支撑夹具(6)的半圆形凹槽相配合。8.根据权利要求1所述的单激励纵扭复合二维超声切削装置，其特征在于：所述支撑夹具(6)下底面固定于底座(7)。

技术总结
本发明公开了一种单激励纵扭复合二维超声切削装置，包括超声电源、超声换能器、超声变幅杆、车刀片、支撑夹具、底座、旋转主轴、工件。超声换能器用导线与超声电源相连接并将超声电源产生的超声电信号转化为超声振动，超声换能器将超声振动传递给超声变幅杆，超声变幅杆将一维超声振动转换为二维超声椭圆振动，超声变幅杆运动的波节点设置有法兰盘，法兰盘通过支撑夹具固定于底座，底座下端固定于机床。其优点是结构简单，能够明显提高硬脆材料的加工效率，进一步提高了切削质量，降低了切削力和切削温度。切削温度。


技术研发人员：张卫锋 徐国庆 王蕾 王晖
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：2022.03.31
技术公布日：2022/5/25