[实用新型]单激励超声椭圆振动车削装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及利用压电陶瓷逆压电效应的超声振动领域，尤其是涉及单激励超声椭圆振动车削装置。

背景技术

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。

为了克服上述超声椭圆振动换能器技术中的不足，《北京航空航天大学学报》2005年2月第31卷第2期上论文“基于有限元分析的椭圆振动切削换能器”，提出了一种单一电信号激励的结构不对称的超声椭圆振动切削换能器，并对该换能器进行了有限元动力学分析和实验研究，取得了较好的实验效果，但是要进一步提高纵向振动到弯曲振动的转换，提高椭圆振动轨迹短轴与长轴的比值，提高切削效果，仅依靠在变幅杆前端一侧添加质量块和刀具的方式是不够理想的，并且从变幅杆到附加质量块以及从附加质量块到刀具需要两次物理联接，导致从压电换能器到刀具的超声振动能量损失较大，影响了超声椭圆振动切削效果。

发明内容

本实用新型提供了一种新型的单激励超声椭圆振动车削装置，目的是为了克服现有单激励超声椭圆振动切削装置中存在的不足、降低超声椭圆振动车削装置的生产成本和提高超声椭圆振动车削装置的工作稳定性。

单激励超声椭圆振动车削装置，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和设置在椭圆振动模态转换器前端的刀具；所述的壳体单元包括上盖板、支撑板、外套筒和下盖板，支撑板通过焊接或者螺钉联接设置在外套筒上，用于和车床刀架联接；所述的超声振动换能器外轮廓为圆柱形，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与前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端，或者利用一个附加的联接螺柱将椭圆振动模态转换器联接设置在前盖板的前端。椭圆振动模态转换器整体为斜楔形结构，斜楔形结构椭圆振动模态转换器原整体为长方体，沿超声振动换能器轴线方向其一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构，形成斜楔形的两个侧面中，未被切割的一侧面平行于超声振动换能器轴线，被切割过的另一侧面与超声振动换能器轴线成3-30度夹角。

使椭圆振动模态转换器形成斜楔形结构的目的是为了改变超声振动换能器和椭圆振动模态转换器结合体的振动模态，使其纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等；由于斜楔形结构椭圆振动模态转换器的存在，超声振动换能器产生的纵向超声振动在传递到斜楔形结构椭圆振动模态转换器后，在斜楔形结构椭圆振动模态转换器的末端分解为一部分纵向振动分量和一部分弯曲振动分量，且两振动分量具有一定的相位差，进而在斜楔形结构椭圆振动模态转换器的末端复合形成椭圆轨迹振动。

刀具通过焊接、联接螺钉或压板机构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；并驱动刀具和椭圆振动模态转换器末端一起做超声椭圆振动。

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，上盖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，下盖板设置在外套筒的下侧，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切削系统，该单激励超声椭圆振动切削装置具有功率容量大、能量转换效率高、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。

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。