一种单激励超声椭圆振动砂轮修整装置的制作方法

本发明涉及到金刚石砂轮和CBN砂轮等密实型超硬砂轮的精密高效修整装置，尤其是涉及一种利用单激励超声椭圆振动的砂轮修整装置。

背景技术：
高强度、高硬度密实型砂轮采用传统的修整方法很难达到理想的砂轮表面质量和修整效率。采用普通修整方法，修整刀具和砂轮磨损快，修整效率低，砂轮表面质量无法保证，修整成本高。针对各种硬脆材料加工对象开发的密实型金刚石砂轮修整技术，虽然在一定程度上解决了砂轮的修整问题，但仍存在着修整精度和修整效率低或修整设备昂贵、使用维护不便等局限性。超声椭圆振动在超声振动切削、超声焊接、超声研磨、超声抛光、直线超声电机和旋转超声电机等领域具有较广泛的应用。目前研究人员大多采用纵向振动、扭转振动、弯曲振动和径向振动中的两种振动形式进行复合来产生超声椭圆振动，需要采用两组或两组以上的压电陶瓷片来激发产生具有一定相位差的两个或多个振动模态，还必须为每组压电陶瓷片配备一路超声驱动电源信号，且需要控制各路超声驱动电源信号之间的相位差，超声振动系统和控制系统结构复杂，制造难度大、控制难度高、生产成本高、不易实现微型化、工作性能不够稳定，这些问题制约了超声椭圆振动换能器在工业生产中的应用与推广。为了克服现有普通修整技术中存在的不足，并充分发挥单激励超声椭圆振动的优势，公开号为CN102120302A的专利文献公开了“一种单激励椭圆超声振动修整装置”，提出了一种由圆柱端、矩形连接部分和有斜坡结构振动变换端三段构成的复合型椭圆振动变幅杆。该装置在一定程度上能够提高砂轮修整的效果，但是由于该装置弯曲振动幅值较小，其修整效果提高不够明显，为了进一步提高单激励超声椭圆振动修整效果，充分发挥单激励超声椭圆振动的优势，本发明研究了一种新型的单激励超声椭圆振动砂轮修整装置。

技术实现要素：
本发明提供了一种新型的单激励超声椭圆振动砂轮修整装置，目的是为了克服现有普通修整技术和现有单激励超声椭圆振动修整装置中存在的不足、降低密实型超硬砂轮的修整成本、提高超声椭圆振动砂轮修整装置的工作效率和修整效果。一种单激励超声椭圆振动砂轮修整装置，包括壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器、设置在椭圆振动模态转换器前端的金刚石笔、与壳体单元联接的支撑架和设置在支撑架上的高度调节装置；所述的壳体单元包括前挡板、外套筒和后挡板；所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有与壳体单元联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧，构成了超声振动换能器的能量转换部分，可将超声电源输出的超声电信号转换为超声振动换能器的纵向超声振动。所述的椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端，或者将椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板的前端。椭圆振动模态转换器包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形，直梁的中心轴线和超声振动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声换能器的前盖板联接，另一端悬伸；斜梁的一端和超声换能器的前盖板偏离中心轴线的一侧联接，另一端和直梁的中间部位联接，斜梁的中心轴线和直梁的中心轴线成0-90度夹角，直梁和斜梁与超声换能器前盖板的联接处均为圆弧过渡联接，斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线所形成的平面与待修整砂轮的轴线在同一平面内。椭圆振动模态转换器设置在超声振动换能器前端后构成的组合件称为单激励超声椭圆振动换能器，椭圆振动模态转换器为直梁和斜梁复合结构的目的是为了改变单激励超声椭圆振动换能器的振动模态，使其纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等；由于斜梁结构的存在，超声振动换能器产生的纵向超声振动在传递到斜梁后，在斜梁根部分解为一部分纵向振动分量和一部分弯曲振动分量，当斜梁分解的纵向振动分量和弯曲振动分量传递到直梁后，和直梁上传播的纵向振动相复合，最终在直梁末端形成具有一定相位差的纵向振动分量和弯曲振动分量复合的超声椭圆振动。金刚石笔通过焊接或通过一个联接螺钉联接设置在椭圆振动模态转换器的前端；当超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器末端的纵弯复合超声椭圆振动，并驱动金刚石笔和椭圆振动模态转换器末端一起做超声椭圆振动，由于斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线所形成的平面与待修整砂轮的轴线在同一平面上，金刚石笔尖的超声椭圆振动轨迹也在斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线所形成的平面内。超声振动换能器置于壳体单元内，超声振动换能器的法兰盘设置于外套筒的上凹止口内，前挡板设置在法兰盘的另一侧，对整个超声振动换能器起固定作用，后挡板设置在外套筒的后侧，防止灰尘、铁屑等杂物进入到壳体单元内，影响超声振动换能器工作性能；相比现有文献介绍的单激励超声椭圆振动修整装置，该单激励超声椭圆振动修整装置具有功率容量大、能量转换效率高、弯曲振动幅值大、结构简单，制造容易、成本低、结构刚度大、控制驱动系统简单和振动切削性能稳定稳定等优点。另外该发明变普通金刚石笔尖的螺旋线修整为沿砂轮轴向的高频超声椭圆振动轨迹与螺旋线的复合修整，在单位时间内，超声椭圆振动大幅度提高了金刚石笔尖的运动路径，并大幅度加宽了单次砂轮修整的宽度，因此可大幅度提高修整效率和砂轮修整质量。更进一步，所述的超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片。更进一步，所述的超声振动换能器只需要一路超声电信号激励。更进一步，所述的超声振动换能器的工作频率范围为18kHz-40kHz。本发明采用了机械振动模态转换机理把超声振动换能器的纵向振动转换分解为直梁的纵向振动、斜梁的纵向振动和弯曲振动分量，最终在直梁末端合成为纵弯复合超声椭圆振动，简化了单激励超声椭圆振动修整系统的整体结构，大大降低了振动系统的复杂程度，降低了制造、装配难度和生产成本；另外该发明仅需要一路控制电路及超声电源进行激励，控制难度低，避免了两相或多相超声振动复合形成椭圆振动换能器的复杂超声电源开发费用，简化了控制电路及超声电源结构，降低了控制电路及超声电源成本，易于实现控制电路及超声电源的集成化，提高了系统工作可靠性，工作性能稳定，应用前景广阔。附图说明图1是本发明结构示意图的前视图。图2是本发明结构示意图的俯视图。图3是本发明中单激励超声椭圆振动换能器的前视图。图4是本发明中单激励超声椭圆振动换能器的俯视图。图5是本发明的应用实例示意图。图中标号说明：1.螺栓，2.后盖板，3.压电陶瓷片，4.电极片，5.前盖板，6.法兰盘，7.椭圆振动模态转换器，8.金刚石笔，9.前挡板，10.外套筒，11.后挡板，12.高度调节装置，13.支撑架，14.超声电源，15.工件。具体实施方式结合图1、2、3、4所示，一种单激励超声椭圆振动砂轮修整装置包括壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器7、设置在椭圆振动模态转换器7前端的金刚石笔8、与壳体单元联接的支撑架13和设置在支撑架13上的高度调节装置12；壳体单元包括前挡板9、外套筒10和后挡板11；超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓1及依次套设在螺栓1上的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5，前盖板5上设置有与壳体单元联接用的法兰盘6，后盖板2和前盖板5通过螺栓1将后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5联接压紧，构成了超声振动换能器的能量转换部分，将超声电源14输出的超声电信号转换为超声振动换能器的纵向超声振动。超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片3，压电陶瓷换能器段直径30mm，压电陶瓷片3为PZT-8，尺寸为：Ф30×Ф15×5，压电陶瓷片3的片数为2。椭圆振动模态转换器7和前盖板5制作成一个整体零件设置在前盖板5的前端，椭圆振动模态转换器7包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形，直梁的中心轴线和超声振动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声换能器的前盖板5联接，另一端悬伸，截面边长为12×12mm，长72mm；斜梁的一端和超声换能器的前盖板5偏离中心轴线的一侧联接，斜梁中心轴线和前盖板5的联接处距离前盖板5的中心轴线距离为25mm，另一端和直梁的中间部位联接，截面边长为12×12mm。斜梁的中心轴线和直梁的中心轴线成30夹角，直梁和斜梁与超声换能器前盖板5的联接处均为圆弧过渡联接，过渡圆弧半径为5mm。金刚石笔8通过焊接设置在椭圆振动模态转换器7的前端，斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线所形成的平面与待修整的砂轮轴线在同一平面内。超声振动换能器置于壳体单元内，超声振动换能器的法兰盘6设置于外套筒10的上凹止口内，前挡板9通过螺钉和外套筒10联接在一起，压紧在法兰盘6的另一侧，对整个超声振动换能器起固定作用，后挡板11通过螺钉联接在外套筒10的后侧。超声振动换能器和椭圆振动模态转换器7联接后的固有频率为19.84KHz，阻抗为83欧姆，动态电阻为19欧姆，超声电源14输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为19.84±0.01KHz，且超声电源14在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。运行时，结合图5所示，超声振动换能器的电极片4与超声电源14相连，当超声振动换能器的电极片4接入超声电源14输出的电信号后，由于压电陶瓷片3的逆压电效应，压电陶瓷片3将会产生纵向超声振动，即超声振动换能器将超声电源14输出的电能转换为纵向超声振动，并驱动整个超声振动换能器系统进行纵向超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器7末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器7末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动金刚石笔8和椭圆振动模态转换器7末端一起做超声椭圆振动。当加载电压运行10分钟后，单激励超声椭圆振动砂轮修整装置达到稳定振动状态，此时超声电源14的稳定输出电压为220V，电流为1.35A，使用激光多普勒测振仪测得超声椭圆振动长短半轴振幅分别为14.3微米和5.2微米，并通过具有李沙育图形运算功能的双踪示波器对激光多普勒测振仪测得的信号进行图形运算，可以得到长短轴比为2.73的超声椭圆振动轨迹，完全满足超声椭圆振动砂轮精密修整的要求。本发明适合安装在精密或超精密磨床上进行使用，首先通过支撑架13上的螺钉孔将该单激励超声椭圆振动砂轮修整装置安装在磨床修整器，通过高度调节装置12调整其至合适高度，进行正确对刀。然后打开超声电源14，调整工作频率，使金刚石笔8处在最佳的超声椭圆振动状态，根据砂轮修整工艺的需要，设定修整参数，即可开始进行精密和超精密砂轮修整。另外，超声电源14具有自动频率跟踪功能，在实际修整工作过程中，如果由于修整切削阻力变化等原因，超声椭圆振动切削系统的固有频率发生了变化，超声电源14的输出频率会随之变化并保持和修整装置的固有频率一致，以便保证单激励超声椭圆振动修整装置始终处于最佳工作状态。