一种大振幅的超声振动平台及其操作工艺的制作方法

本发明属于超声加工技术领域，尤其涉及一种大振幅的超声振动平台及其操作工艺。

技术背景

相对于传统车、铣、磨、钻等机械加工技术，超声复合加工技术因具有切削力小、切削温度低、加工精度高、工具寿命长等一系列优点而被广泛应用，特别是针对一些硬脆材料，超声复合加工技术更显示了巨大的优势。超声加工一般会对工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工。超声加工的装置一般由超声发生器、换能器和变幅杆组成，其中变幅杆在加工过程中处于极其重要的地位，振幅放大比是变幅杆的重要性能参数，对于加工过程中的材料去除率有较大影响。杨志斌等的″大振幅超声变幅杆的优化设计″(《电加工与模具》2007第6期p44-49)一文对变幅杆的形状与谐振长度进行了优化，设计了满足许用应力条件下具有大振幅比的变幅杆。而对工件施加超声振动时，除了变幅杆本身，需要研制专用的振动平台。在一些需要超声大振幅的场合，就需要大功率的超声振动系统，这样往往会增加超声振动系统的空间体积，不便于应用。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种结构简单、体积小，应用于需要大振幅超声加工的超声振动平台及其操作工艺。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种大振幅的超声振动平台，包括压电陶瓷换能器、1级纵向振动变幅杆、弯曲振动变幅杆、2级纵向振动变幅杆、工作台、前支架、后支架和隔振底座。

1级纵向振动变幅杆通过法兰固定在前支架上，前端与压电陶瓷换能器连接，后端与弯曲振动变幅杆连接；弯曲振动变幅杆两侧末端与2级纵向振动变幅杆前端连接，工作台前端与2级纵向振动变幅杆后端连接，工作台中间节点位置通过螺栓固定在后支架上，前支架和后支架分别固定在隔振底座上。

所述1级纵向振动变幅杆是单一的变幅杆结构，或者是多段复合的变幅杆结构，法兰位于振动节点处，圆周方向均布有通孔。

所述弯曲振动变幅杆可以产生1级振动级数的弯曲振动，其轴向截面为矩形结构，杆的一侧中间位置有螺纹孔，杆的两端波腹位置处有通孔。

所述2级纵向振动变幅杆是单一的变幅杆结构，或者是多段复合的变幅杆结构，振动节点处无法兰。

所述工作台的纵向长度满足半个波长，工作台的前部开设有窄槽，振动节点位于工作台的中间。

本发明通过弯曲振动变幅杆的特殊结构把单激励超声纵向振动转换为两个波腹的弯曲振动，通过2级纵向振动变幅杆再将弯曲振动转换为纵向振动输出，同时将振幅再次放大，从而使工作台的末端产生大振幅纵向振动，适用于超声振动辅助加工过程需要大振幅的场合。

附图说明

图1是本发明大振幅的超声振动平台的整体结构示意图；

图2是图1中前支架3的结构示意图；

图3是图1中弯曲振动变幅杆5的剖面图；

图4是图1中2级纵向振动变幅杆6的结构示意图；

图5是图1中工作台8的结构示意图；

图6是实施例1所得超声振动效果图。

其中：隔振底座-1、压电陶瓷换能器-2、前支架-3、1级纵向振动变幅杆-4、弯曲振动变幅杆-5、2级纵向振动变幅杆-6、后支架-7、工作台-8。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图具体说明本发明的技术方案。

实施例1

图1是本发明大振幅的超声振动平台整体结构示意图，大振幅的超声振动平台，包括：隔振底座1、压电陶瓷换能器2、前支架3、1级纵向振动变幅杆4、弯曲振动变幅杆5、2级纵向振动变幅杆6、后支架7和工作台8。

图2是图1中前支架3的结构示意图，前支架3与后支架7固定在隔振底座1上，前支架3内设有凹台9。1级纵向振动变幅杆4通过法兰固定在前支架3的凹台9上，前端与压电陶瓷换能器2通过双头螺柱连接，后端与弯曲振动变幅杆5通过螺栓连接。弯曲振动变幅杆5两侧末端与2级纵向振动变幅杆6前端连接，工作台8前端与2级纵向振动变幅杆6后端连接，工作台8中间节点位置通过螺栓固定在后支架7上。

图3是弯曲振动变幅杆5的剖面图，弯曲振动变幅杆5可以产生1级振动级数的弯曲振动，其轴向截面为矩形结构，中间位置有螺纹孔10，两端波腹对应位置开设通孔11。

图4是2级纵向振动变幅杆6的结构示意图，中间为圆锥12，两端为圆柱，振动节点无法兰。

图5是工作台的结构示意图，工作台的纵向长度(l)满足半个波长c/2f，其中c是材料的声速，f是超声频率。工作台的前部沿着纵向轴线方向开设有窄槽13，振动节点位于工作台纵向方向的中间，节点位置有三个螺纹孔14，后端15用来固定工件。

在超声振动辅助加工试验中，工件固定在工作台8的后端15，开启超声波电源，1级纵向振动变幅杆4的纵向振动通过弯曲振动变幅杆5转换为多波腹弯曲振动，通过2级纵向振动变幅杆6将弯曲振动转换为工作台8的纵向振动，并将振幅放大，进而使工件进行振动并获得较大的振幅，如图6所示。

为了保证平台的性能，1级纵向振动变幅杆4、弯曲振动变幅杆5、2级纵向振动变幅杆6和工作台8应处于同一谐振频率，同时1级纵向振动变幅杆4和弯曲振动变幅杆5的长度与工作台8的纵向长度l一致，满足半波长。一般弯曲振动变幅杆5的波腹呈对称分布，波腹的个数和位置应根据谐振频率计算可得。

应保证1级纵向振动变幅杆4和弯曲振动变幅杆5的接触面，弯曲振动变幅杆5和2级纵向振动变幅杆6的接触面，2级纵向振动变幅杆5和工作台8的接触面等三个接触面紧密配合，无缝隙，从而减少振动能量的损失。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：

1.一种大振幅的超声振动平台，其特征在于：包括压电陶瓷换能器、1级纵向振动变幅杆、弯曲振动变幅杆、2级纵向振动变幅杆、工作台、前支架、后支架和隔振底座；

1级纵向振动变幅杆通过法兰固定在前支架上，前端与压电陶瓷换能器连接，后端与弯曲振动变幅杆连接；弯曲振动变幅杆两侧末端与2级纵向振动变幅杆前端连接，工作台前端与2级纵向振动变幅杆后端连接，工作台中间节点位置通过螺栓固定在后支架上，前支架和后支架分别固定在隔振底座上；

1级纵向振动变幅杆（4）、弯曲振动变幅杆（5）、2级纵向振动变幅杆（6）和工作台（8）处于同一谐振频率。

2.根据权利要求1所述的一种大振幅的超声振动平台，其特征在于：1级纵向振动变幅杆是单一的变幅杆结构，或者是多段复合的变幅杆结构，法兰位于振动节点处，圆周方向均布有通孔。

3.根据权利要求1所述的一种大振幅的超声振动平台，其特征在于：弯曲振动变幅杆产生1级振动级数的弯曲振动，其轴向截面为矩形结构，中间位置有螺纹孔，两端波腹位置处有通孔，波腹呈对称分布。

4.根据权利要求1所述的一种大振幅的超声振动平台，其特征在于：2级纵向振动变幅杆是单一的变幅杆结构，或者是多段复合的变幅杆结构，振动节点处无法兰。

5.根据权利要求1所述的一种大振幅的超声振动平台，其特征在于：工作台的纵向长度满足半个波长，工作台的前部开设有窄槽，振动节点位于工作台的中间；1级纵向振动变幅杆4和2级纵向振动变幅杆6的长度与工作台8的纵向长度l一致，满足半波长。

6.权利要求1所述的大振幅的超声振动平台的操作工艺，其特征在于：

开启超声波电源后，1级纵向振动变幅杆（4）产生纵向振动；

弯曲振动变幅杆把单激励超声纵向振动转换为两个波腹的弯曲振动；

通过2级纵向振动变幅杆再将弯曲振动转换为纵向振动输出，同时将振幅再次放大，从而使工作台的末端产生大振幅纵向振动。

技术总结
本发明涉及一种大振幅的超声振动平台及其操作工艺，该平台的压电陶瓷换能器在外界激励电压作用下产生纵向超声振动，并将纵向超声振动通过纵向振动变幅杆放大，经过放大的超声振动传递至弯曲振动变幅杆，使得弯曲振动变幅杆两侧末端产生弯曲振动，2级纵向振动变幅杆将弯曲振动转换为纵向振动，并将振幅放大，最终纵向振动传递至工作台的后端，使得工作台后端有较大的振幅。本发明结构简单，便于控制，可用于超声振动辅助加工中需要大振幅的场合。

技术研发人员：丁文锋;吴帮福;徐九华;傅玉灿;苏宏华;陈燕;杨长勇;赵正彩;张全利
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2020.04.15
技术公布日：2020.09.01