新型弯-扭复合振动超声切削方法及装置与流程

技术领域：

本发明涉及一种超声振动加工设备，特别是涉及一种新型弯-扭复合振动超声切削方法及装置。

背景技术：

伴随着航空航天工业的飞速发展，硬脆材料的应用领域也不断扩大。但是由于硬脆材料自身的性质，硬脆材料的精密超精密加工一直是一个难题。近年来，随着超声辅助加工技术的迅速发展，为这一难题的解决提供了新的思路。然而单一方向的振动在实际加工中有局限性，刀具后刀面与工件已加工表面之间存在高频摩擦及刀具在切削过程中受到不断变化的交变拉压应力，刀具容易疲劳崩刃。而复合振动加工技术就能将刀具前刀面与切屑之间有害的摩擦力变为有利的切削力，降低了切削温度及切削力，提高了加工精度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设计合理、减小占用空间、弯-扭复合振动效果好且有效减小切削力的新型弯-扭复合振动超声切削方法及装置。

本发明的技术方案是：

一种新型弯-扭复合振动超声切削方法，包括以下步骤：

a、将变幅器设计为一个小端和两个大端，其中，第一大端和第二大端沿变幅器径向分布且互相垂直，在第一、第二大端上分别设置一组反射端、压电陶瓷片和铜电极；

b、将所述小端作为发射端，并且在其外端部中心设置刀具，两组陶瓷片分别在超声波发生器高频电信号的激励下产生互相垂直的纵向振动，经变幅器特殊结构将第一大端和第二大端处两组振动复合，其中水平方向大小相等方向相反的振动相互抵消，竖直方向的振动叠加，在输出端得到弯曲振动；

c、变幅器前端锥体表面开有螺旋槽或斜槽，当振动沿变幅器主体的水平方向传播时，靠近中心的部分振动模态不变，沿表面传播的部分在遇到螺旋槽或斜槽时，振动产生的惯性力f被分解成两部分纵向作用力分量fl及剪切作用力分量ft，其中纵向作用力分量fl沿着变幅杆轴线方向；而截面上任一点的剪切作用力分量ft垂直于变幅杆半径的方向，纵向力保持振动模态不变，而剪切作用力将驱使变幅器产生扭转振动；

d、设置一个框架，在框架上设置两个侧板，在每个侧板上分别设置一个肋板，将两个大端分别固定在两个肋板上；

e、根据加工要求不同，分别控制两组输入压电陶瓷片的激励信号，从而控制以扭振或者弯-扭复合振动状态工作。

第一大端和第二大端的参数包括高度、直径和倾角，通过调整上述参数可以控制弯曲振幅。螺旋槽或斜槽的参数包括槽宽、槽深、螺旋角、旋向和线数，通过调整以上参数可以控制扭转振幅。

变幅器的前端结构是锥形、柱形或悬链线形；车刀固定在发射端根据加工需要可以修改刀具接口替换为镗刀，进行超声镗孔。

在每个大端上均设置一个法兰盘，并且，每一法兰盘的中心设置一个螺纹孔，两个法兰盘分别与固结在侧板上的肋板通过螺栓连接，侧板又通过螺栓与框架连接，顶部留有穿线孔方便与电源连接。

一种新型弯-扭复合振动超声切削装置，包括反射端、压电陶瓷片、铜电极和变幅器，所述变幅器设置一个小端和两个大端，其中，第一大端和第二大端沿变幅器径向分布且互相垂直，所述两个大端上分别设置一组反射端、压电陶瓷片和铜电极；所述小端作为发射端，并且在其外端部中心设置刀具，两组陶瓷片分别在超声波发生器高频电信号的激励下产生互相垂直的纵向振动，经变幅器特殊结构将第二大端和第三大端处两组振动复合，其中水平方向大小相等方向相反的振动相互抵消，竖直方向的振动叠加，得到弯曲振动；变幅器前端锥体表面开有螺旋槽或斜槽，沿表面传播的部分在遇到螺旋槽或斜槽时产生纵向惯性力f，纵向惯性力f将分解成两部分：纵向作用力分量fl及剪切作用力分量ft，其中纵向作用力分量fl沿着变幅器轴线方向；而剪切作用力分量ft，在截面上任一点的剪切作用力分量ft垂直于变幅器半径的方向，由剪切作用力分量产生的总力矩是所有剪切作用力在整个截面上扭矩的积分，从而实现模态转换，在输出端得到弯-扭复合振动；两个大端分别固定在肋板上，所述肋板设置在框架上。

所述第一大端和第二大端的端面上分别设置一个法兰盘，并且，所述第一大端和第二大端的端面中心设置有螺纹孔，两组所述反射端、压电陶瓷片和铜电极分别通过连接螺栓串接在一起，并且，所述连接螺栓的内端与所述螺纹孔旋合连接。

每组所述反射端、压电陶瓷片和铜电极中包括四个压电陶瓷片和四个铜电极，或者两个压电陶瓷片和两个铜电极，二者间隔交错分布，相邻所述压电陶瓷片纵向极化方向相反，所述压电陶瓷片净化后采用专业粘合剂粘合，并进行老化处理；各接触面、圆周面进行精磨，达到粗糙度及跳动要求。

根据不同的加工要求，所述刀具为车刀或者镗刀；两个所述法兰盘分别与固结在侧板上的肋板通过螺栓连接，侧板又通过螺栓与框架连接，顶部留有穿线孔方便与电源连接；调整螺旋槽与直径方向之间的夹角θ可以改变入射角度，进而影响纵向作用力分量fl与剪切作用力分量ft之间的夹角α，最终改变输出扭转振动分量m。

所述压电陶瓷片预应力为3000-3500n/cm²，根据压电陶瓷片的面积和连接螺栓的横截面积计算预紧力，并通过测力矩扳手施加预紧力，进一步保证接触面间紧密贴合。

本发明的有益效果是：

1、本发明两组陶瓷片分别在超声波发生器高频电信号的激励下产生互相垂直的纵向振动，经变幅器特殊结构将第一、第二大端处两组纵向振动力f1、f2复合，其中水平方向的力f1x、f2x大小相等方向相反相互抵消，竖直方向的振动方向相同复合得到力fy，得到弯曲振动。当振动沿变幅器主体的水平方向传播时，靠近中心的部分振动形式不变，沿表面传播的部分在遇到螺旋槽或斜槽时，在螺旋槽的模态转换作用下产生扭振。

2、本发明对换能器部分进行一体式设计，在保证良好的模态转换效果的情况下可减少超声波传递、叠加过程中的损失，确保在发射端获得理想的弯-扭复合振动。

3、本发明变幅器通过法兰分别与固结在侧板上的肋板连接，侧板又通过螺栓与框架连接。侧板与框架组合成的箱体可以将陶瓷片、电极片等带电部分与加工区域分隔开，确保装置能稳定运行。

4.本发明两组压电陶瓷片同时工作，确保输出的弯曲振动有足够的能量，可以用于对输出功率要求较高的加工场合。

5、本发明设计合理，特殊的变幅器结构能够在输出端得到弯-扭复合的超声振动，有利于减小切削过程中的切削力，减少切削热，从而提高加工质量，具有输出振幅大、适用大功率加工等优点，易于推广实施，具有良好的经济效益。

附图说明：

图1为新型弯-扭复合振动超声切削装置的结构图；

图2为新型弯-扭复合振动超声切削装置的左视图；

图3为新型弯-扭复合振动超声切削装置中肋板结构示意图；

图4为新型弯-扭复合振动超声切削装置产生弯振的受力示意图；

图5为新型弯-扭复合振动超声切削装置产生扭振的受力示意图。

具体实施方式：

实施例：参见图1-图5，图中，1-连接螺栓，2-反射端，3-电极片，4-压电陶瓷片，5-法兰盘，6-固定螺栓，7-肋板，8-螺栓孔，9-框架，10-变幅器，11-螺旋槽，12-车刀，13-车刀固定螺栓，14-第一大端，15-穿线孔，16-第二大端，17-侧板。

新型弯-扭复合振动超声切削装置，主要由连接螺栓1、反射端2、电极片3、压电陶瓷片4和变幅器10等部分组成。其中：变幅器10有两个大端，第一大端14第二大端16沿变幅器10径向分布且互相垂直。在第一、第二大端处分别利用连接螺栓1将反射端2、电极片3、压电陶瓷片4及变幅器10连接在一起。两组陶瓷片分别在超声波发生器高频电信号的激励下产生互相垂直的纵向振动，经变幅器10特殊结构将第一大端14和第二大端16处两组振动力f1、f2复合。其中水平方向大小相等方向相反的振动力f1x、f2x相互抵消，竖直方向的振动力方向相同叠加得到合力fy，得到弯曲振动。

变幅器10前端锥体表面开有螺旋槽11，当振动沿变幅器10主体的水平方向传播时，靠近中心的部分振动模态不变。沿表面传播的部分在遇到螺旋槽11时产生纵向惯性力f，纵向惯性力f将分解成两部分：纵向作用力分量fl及剪切作用力分量ft，其中纵向作用力分量fl沿着变幅器10轴线方向；而剪切作用力分量ft，在截面上任一点的剪切作用力分量ft垂直于变幅器10半径的方向，由剪切作用力分量产生的总力矩是所有剪切作用力在整个截面上扭矩的积分。从而实现模态转换，在输出端得到弯-扭复合振动。调整螺旋槽11与直径方向之间的夹角θ可以改变入射角度，进而影响反射后纵向作用力分量fl与剪切作用力分量ft之间的夹角α，最终改变输出扭转振动分量m。

刀具1装在发射端的中心位置（图1所示），在刀尖处可以获得弯-扭振动。根据不同的加工要求刀具可以是车刀或者镗刀。两个法兰盘5分别与固结在侧板17上的肋板7通过固定螺栓6连接，侧板7又通过螺栓与框架9连接，顶部留有穿线孔15方便与超声电源连接。

变幅器10前端结构可以是锥形、柱形、悬链线形等多种形式，第一大端14和第二大端16的参数包括高度、直径、倾角等，通过调整上述参数可以得到合适的弯曲振动振幅。螺旋槽11的参数包括槽宽、槽深、螺旋角、旋向和线数，通过调整以上参数可以控制扭转振动振幅。

压电陶瓷片4预应力为3000-3500n/cm²，根据压电陶瓷片4的面积和连接螺栓1的横截面积计算预紧力，并通过测力矩扳手施加预紧力，进一步保证接触面间紧密贴合。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明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，均仍属于本发明技术方案的范围内。