一种通用型频率匹配式纵‑扭复合超声振动铣、钻削装置的制作方法

本发明属于精密、超精密精加工技术领域，尤其涉及一种通用型频率匹配式纵-扭复合超声振动铣、钻削装置。

背景技术：

与普通加工相比，超声振动加工具有降低切削力、减少刀具磨损、提高工件表面加工精度和提高加工效率等优点。传统的超声加工多是单一振动模式，然而随着超声加工技术的发展及设备的不断改进，纵-扭、纵-弯以及扭-弯等复合振动模式也得到了广泛的关注。研究表明，超声纵-扭复合振动模式下的铣削可进一步减小切削的过程中的切削力，提高加工的效率与精度，增加振动系统的刚度与刀具的耐磨性。

当前，实现纵扭复合超声振动主要有两种方法，一是将压电陶瓷沿切向极化，但技术上很难实现，通常的方法是先将压电陶瓷片切分成若干扇形片，之后分别将各个扇形压电陶瓷片切向极化，再将各个扇形压电陶瓷片粘结起来，此种方法工艺复杂，废品率很高，还容易出现陶瓷片极化不完全、电击穿等问题，很难制造出理想的换能器；二是对变幅杆的结构进行特殊化设计，如斜槽式等，但实际应用中发现，但该方法扭振分量小，未能充分利用纵扭复合超声振动的优势，加工效率较低，使加工效果受到限制。

目前，由于加工条件和谐振频率的限制，纵-扭复合超声铣、钻削装置的通用性较差，对夹装的工具杆（铣刀、钻头等）的限制较为苛刻。夹装不同材料、直径的工具杆以及工具杆的伸出长度都会影响超声装置的谐振频率，超声振子在其他模态振动，超声振动的振形发生变化，对工件的加工造成较大的影响，所以一套纵-扭复合超声铣、钻削装置往往只局限于几种甚至是一种工具材料、直径，通用性较差。但实际加工中，需多种切削工具杆配合使用，故需多个纵-扭复合超声铣、钻削装置，极大的增加了加工成本，降低了加工效率。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种通用型频率匹配式纵-扭复合超声振动铣、钻削装置，该装置通过对带工具杆超声振子的质量的改变，对不同材料、直径的铣刀和钻头进行适量的频率补偿，使装置在要求频率下工作，装置的通用性大大地提高；该装置采用螺旋沟槽式超声振子，增大了纵向分量和扭转分量、效率高，工作稳定。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种通用型频率匹配式纵-扭复合超声振动铣、钻削装置，包括机床主轴、主轴外壳、超声波电源、超声无线电能传输系统、安装筒、套筒、纵向超声振动换能器、空心螺旋沟槽式变幅杆、弹性夹头、压紧螺母和刀具；

机床主轴的动力输出端垂直向下设置，机床主轴、安装筒、套筒、空心螺旋沟槽式变幅杆和和刀具具有同一条回转中心线，机床主轴下端与安装筒上端同轴向传动连接，安装筒下部伸出主轴外壳，套筒上部套在主轴外壳下部，套筒上部外侧通过抱箍与主轴外壳下部紧固连接，超声无线电能传输系统可拆卸连接在套筒下端和安装筒上部外侧之间，纵向超声振动换能器设置在安装筒内，空心螺旋沟槽式变幅杆上端通过双头螺栓与纵向超声振动换能器下端同轴向固定连接，空心螺旋沟槽式变幅杆上设有安装盘，安装盘通过安装螺栓固定连接在安装筒的下端面，刀具上端通用弹性夹头安装在空心螺旋沟槽式变幅杆下端部，压紧螺母套在刀具的刀杆外并与空心螺旋沟槽式变幅杆下端外部螺纹紧固连接；

超声波电源通过电源线与超声无线电能传输系统连接。

超声无线电能传输系统包括均呈圆环形结构的固定感应盘和旋转感应盘，固定感应盘套在旋转感应盘外部，固定感应盘通过紧固螺栓固定设置在套筒下端面，旋转感应盘套在安装筒外部，旋转感应盘下端面设有连接套，连接套通过紧固螺钉与安装筒外壁连接，固定感应盘内圈开设有内侧敞口的外环形槽，旋转感应盘外圈开设有外侧敞口的内环形槽，外环形槽内设置有固定磁芯及线圈，内环形槽内设置有旋转磁芯及线圈，旋转磁芯及线圈和固定磁芯及线圈位于同一水平面且内外对应设置；

固定感应盘外侧设置有航空插头，超声波电源的电源线与航空插头连接；安装筒侧部开设有穿孔，旋转感应盘与纵向超声振动换能器之间通过穿过穿孔的导线连接。

纵向超声振动换能器包括换能器本体，换能器本体上自上而下依次设置有四层压电陶瓷片，换能器本体顶部通过预紧螺栓压紧四层压电陶瓷片，压电陶瓷片外侧连接有电极片，电极片与所述的导线连接，换能器本体下侧部开设有上扳手卡槽；

空心螺旋沟槽式变幅杆包括自上而下依次设置的上圆柱段、中圆锥段和下圆柱段，上圆柱段的外径等于中圆锥段上端的外径，中圆锥段下端的外径等于下圆柱段的外径，中圆锥段呈上粗下细的结构，上圆柱段侧部开设有下扳手卡槽，安装盘设置在上圆柱段的外部，中圆锥段沿圆周方向均匀开设四个可使纵振转换为扭转复合振动的螺旋槽，每个螺旋槽均沿轴向呈螺旋布置，螺旋槽槽深和槽宽分别为6mm和8mm。

中圆锥段和下圆柱段由下端向上沿轴线开设有直径为10mm、长度为44mm的圆柱槽，圆柱槽内注入有配重液体，圆柱槽内设置有封堵并密封配重液体的橡胶塞和密封圈；圆柱槽的下端口处为与弹性夹头配合的喇叭口结构。

采用上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

1、为保证连接可靠性，换刀方便，采用通用ER弹性夹头的方式夹装铣刀，压紧螺母采用细牙螺纹，保证连接的可靠性。

2、螺旋槽槽深和槽宽分别为6mm和8mm，扭转分量较大，圆柱槽在面积系数不变的情况下，增大了变幅杆放大系数，增强了纵向振动和扭转振动效果，更有利于纵-扭复合超声振动的应用。在圆柱槽里注入不同密度的配重液体（水、煤油等），利用橡胶塞和密封圈密封防漏。由于变幅杆夹装不同材料、直径的刀具杆以及刀具杆的伸出长度都会影响本装置的谐振频率。在夹装不同的刀具杆时，超声振子的质量发生改变，通过调整橡胶塞和密封圈的位置来改变圆柱槽内流体体积，或者更换流体的种类等，以改变纵-扭复合超声振子的质量，以补偿夹装不同刀具杆时的频率的损失或者增加，从而实现夹装不同刀具杆时，超声装置的谐振频率、振动模态及振形的一致性，大大提高了装置的通用性。

通过注入或者抽取圆柱槽内的配重液体，改变超声纵-扭复合振子的质量，使振子谐振频率发生变化。由于改变是配重液体的体积，振子的质量和谐振频率在一个范围内可进行“无极调整”，结合ANSYS有限元仿结果，可实现对超声装置的振动模态及振形的精确地可控化。

3、超声波电源发出脉冲电信号，电信号首先流入超声无线电能传输装置，致使无线传输装置固定感应盘和旋转感应盘发生电磁感应，旋转感应盘产生的电流经导线传至纵向超声振动换能器，纵向超声振动换能器发生逆压电效应将高频震荡的电信号转化为简谐振动的机械波，最后简谐机械波经变幅杆实现振幅放大并传至刀具。在中圆锥段圆周方向均匀布置螺旋槽，当纵波传到螺旋槽位置时，由于螺旋槽作用使纵波发生了转换。应力波在轴向和圆周方向产生振动分量，叠加的应力波传播至传变幅杆的输出端产生纵-扭复合振动。

4、在中圆锥段和下圆柱段沿轴线开设有圆柱槽，通过ANSYS有限元仿真分析和试验验证，本装置中的变幅杆放大系数比相同形状形同材料制作的变幅杆的放大系数提高1.3~1.4倍，其纵向振动和扭转振动效果均有一定的增强，大大提高了工作效率，更好的发挥纵扭复合振动的优势。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中纵向超声振动换能器和空心螺旋沟槽式变幅杆的纵向剖视结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一种通用型频率匹配式纵-扭复合超声振动铣、钻削装置，包括机床主轴1、主轴外壳2、超声波电源3、超声无线电能传输系统、安装筒4、套筒5、纵向超声振动换能器6、空心螺旋沟槽式变幅杆7、弹性夹头8、压紧螺母9和刀具10（立铣刀）。

机床主轴1的动力输出端垂直向下设置，机床主轴1、安装筒4、套筒5、空心螺旋沟槽式变幅杆7和和刀具10具有同一条回转中心线，机床主轴1下端与安装筒4上端同轴向传动连接，安装筒4下部伸出主轴外壳2，套筒5上部套在主轴外壳2下部，套筒5上部外侧通过抱箍11与主轴外壳2下部紧固连接，超声无线电能传输系统可拆卸连接在套筒5下端和安装筒4上部外侧之间，纵向超声振动换能器6设置在安装筒4内，空心螺旋沟槽式变幅杆7上端通过双头螺栓12与纵向超声振动换能器6下端同轴向固定连接，空心螺旋沟槽式变幅杆7上设有安装盘13，安装盘13通过安装螺栓14固定连接在安装筒4的下端面，刀具10上端通用弹性夹头8安装在空心螺旋沟槽式变幅杆7下端部，压紧螺母9套在刀具10的刀杆外并与空心螺旋沟槽式变幅杆7下端外部螺纹紧固连接。

超声波电源3通过电源线15与超声无线电能传输系统连接。

超声无线电能传输系统包括均呈圆环形结构的固定感应盘16和旋转感应盘17，固定感应盘16套在旋转感应盘17外部，固定感应盘16通过紧固螺栓18固定设置在套筒5下端面，旋转感应盘17套在安装筒4外部，旋转感应盘17下端面设有连接套19，连接套19通过紧固螺钉20与安装筒4外壁连接，固定感应盘16内圈开设有内侧敞口的外环形槽，旋转感应盘17外圈开设有外侧敞口的内环形槽，外环形槽内设置有固定磁芯及线圈21，内环形槽内设置有旋转磁芯及线圈22，旋转磁芯及线圈22和固定磁芯及线圈21位于同一水平面且内外对应设置。

固定感应盘16外侧设置有航空插头23，超声波电源3的电源线15与航空插头23连接；安装筒4侧部开设有穿孔24，旋转感应盘17与纵向超声振动换能器6之间通过穿过穿孔24的导线25连接。

纵向超声振动换能器6包括换能器本体26，换能器本体26上自上而下依次设置有四层压电陶瓷片27，换能器本体26顶部通过预紧螺栓39压紧四层压电陶瓷片27，压电陶瓷片27外侧连接有电极片28，电极片28与所述的导线25连接，换能器本体26下侧部开设有上扳手卡槽29。

空心螺旋沟槽式变幅杆7包括自上而下依次设置的上圆柱段30、中圆锥段31和下圆柱段32，上圆柱段30的外径等于中圆锥段31上端的外径，中圆锥段31下端的外径等于下圆柱段32的外径，中圆锥段31呈上粗下细的结构，上圆柱段30侧部开设有下扳手卡槽33，安装盘13设置在上圆柱段30的外部，中圆锥段31沿圆周方向均匀开设四个可使纵振转换为扭转复合振动的螺旋槽34，每个螺旋槽34均沿轴向呈螺旋布置，螺旋槽34槽深和槽宽分别为6mm和8mm。

中圆锥段31和下圆柱段32由下端向上沿轴线开设有直径为10mm、长度为44mm的圆柱槽35，圆柱槽35内注入有配重液体36，圆柱槽35内设置有封堵并密封配重液体36的橡胶塞37和密封圈38；圆柱槽35的下端口处为与弹性夹头8配合的喇叭口结构。

超声波电源3发出脉冲电信号，电信号首先流入超声无线电能传输系统，致使超声无线电能传输系统的固定感应盘16和旋转感应盘17发生电磁感应，旋转感应盘17产生的电流经导线25传至纵向超声振动换能器6，纵向超声振动换能器6发生逆压电效应将高频震荡的电信号转化为简谐振动的机械波，最后简谐机械波经空心螺旋沟槽式变幅杆7实现振幅放大并传至刀具10。

为方便夹装，在空心螺旋沟槽式变幅杆7和纵向超声振动换能器6上分别开设有下扳手卡槽33和上扳手卡槽29；旋转感应盘17与电极片28连接，通电后，由预紧螺栓压紧的四片压电陶瓷片27由于逆压电效应的作用，会产生一定频率的纵向伸缩振动，变幅杆本体与换能器本体26通过双头螺栓12连接，将纵向振动传递到变幅杆本体末端，产生的振动沿变幅杆继续传播，由于螺旋槽34作用使纵波发生了转换。应力波在轴向和圆周方向产生振动分量，叠加的应力波传播至传变幅杆本体的输出端产生纵-扭复合振动，从而在夹装的刀具10上输出纵-扭复合振动。

在需要固定超声振动频率和振形的加工要求下：更换工具杆时，若工具杆夹装伸长量不变，测量两种刀具杆的质量之差，通过注入或者抽取相同质量的圆柱槽35内的液体，以匹配超声振子的质量的改变，使更换刀具杆前后装置的谐振频率不变，保证更换前后超声振子在同一模态下振动，其振形保持一致；若更换刀具杆后，刀具杆夹装长度发生改变，测量两种刀具杆的伸长量及质量之差，参考变幅杆设计理论，按照“伸长量差值→谐振频率差值→质量差值”的换算顺序，将伸长量的差值对谐振频率的影响等量换算成质量差值，结合两个质量差值，改变圆柱槽35的液体的质量，匹配纵-扭复合超声振子的谐振频率，使其在相同的谐振频率模态下振动，得到与更换刀具杆前相同的超声纵-扭振动振形。为快速匹配装置频率，结合变幅杆设计理论及ANSYS有限元仿真结果，对于常用的铣刀、钻头等制作“不同刀具杆及伸出量频率匹配参数表”，如表1所示。

表1不同刀具杆及伸出量频率匹配参数表

在需要特定超声振动频率和振形的加工要求下：在不更换刀具杆的情况下，由于加工条件或刀具杆材料及长度的限制，刀具杆伸长量无法进一步变化。调整橡胶塞37和密封圈38的位置，通过注入或者抽取圆柱槽35内的配重液体36，结合变幅杆设计理论及ANSYS有限元仿真结果，改变超声纵-扭复合振子的质量，使振子谐振频率发生变化，以得到不同超声装置的振动振形。由于改变是液体的体积，振子的质量和谐振频率在一个范围内可进行“无极调整”，可实现对超声装置的振动模态及振形的精确地可控化。在实际加工中，对于常用的铣刀、钻头等，结合变幅杆设计理论及ANSYS有限元仿真结果，可制作相应的“同一刀具杆不同模态参数表”，实现在更换不同刀具杆时，谐振频率的快速匹配。

同一刀具杆不同模态参数表

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。