[发明专利]一种基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种夹心式椭圆超声振动系统，属于超声振动加工技术领域。

背景技术

近年来随着科学技术的飞速进步，为满足航空航天、航海工程、生物工程以及精密机械等领域的发展，一些新型的高强度、高硬度金属材料、磁性材料、陶瓷材料、复合材料等新型材料的应用日益广泛。但这些特种材料大多难以用普通的切削方法进行加工。如何实现材料的高效率加工的同时保证零件的精度及其性能已经成为新材料应用必须要突破的关键技术。

超声波振动车削技术是日本学者隈部淳一郎于20世纪50年代提出的。超声波振动切削是把有规律的超声波振动加载到刀具上或工件上，使刀具或工件进行有规律的周期性振动，它是把普通切削技术和超声波技术相结合的新技术。该技术已经在硬脆材料加工、深小孔、弱刚度结构加工中表现出优越的性能。椭圆超声振动切削继承了一维超声振动辅助加工的优势，并且尽可能的避免了一维超声振动辅助加工时刀具后刀面与已加工表面的摩擦与撞击，使得切削力显著减小，切削产生的热量明显降低，切削表面质量也有显著提高，从理论上提高了工件表面粗糙度和刀具使用寿命。因此更加广泛的应用于各种超硬金属、陶瓷、玻璃、复合高纤维等材料的加工，特别是实现了天然刀具对于黑色金属的椭圆超声振动辅助切削，对铁基材料的超精密加工研究起到了极大的推动作用。

由于椭圆超声振动辅助切削技术是一种新兴的加工技术，其中很多技术还处于实验室研究阶段。椭圆超声振动装置是实现椭圆超声振动辅助切削加工技术的重要基础。因此，椭圆超声振动装置的研制一直都是国内外学者的研究重点。目前，有多种用于实验室研究的椭圆超声振动装置，这些装置大都是基于模态耦合的原理，具有各自的工作模式。例如，基于两向弯曲谐振耦合的椭圆超声振动切削装置，该装置在换能器的四个表面分别粘贴压电片，通过压电片有规律的伸长和收缩激起换能器某个共振模态，导致换能器在图示两个垂直方向上有规律地周期性弯曲，当两个方向通入的正弦信号相位差为90°时，可以在刀尖处合成长短轴为几微米的椭圆轨迹。但是贴片式的设计使得该装置的压电陶瓷很容易受到损害而脱落，并且极大的限制了压电陶瓷输出能力。双向弯曲的振动方式不可避免的会在轴向存在一个量级相当的位移，从而使得椭圆振动轨迹杂乱。基于2阶纵向振动和5阶弯曲振动耦合的椭圆超声振动装置，该装置为圆柱阶梯变幅杆型，其提供纵向振动的压电陶瓷和提供弯曲振动的压电陶瓷均位于变幅杆中间处，前段为带刀具安装结构的阶梯圆柱杆，后端为与压电陶瓷直径大小一样的圆柱形盖板。通过压电陶瓷有规律的伸缩激励起换能器的轴向振动和弯曲振动模态，则在换能器的刀具尖处合成椭圆轨迹。但由于换能器本身的设计使得该装置输出的最大椭圆轨迹的长短轴均只有4μm，这极大的限制了该装置的加工效率和加工能力。基于对称激励和非对称激励耦合的椭圆振动装置。但是该装置的椭圆振型相对固定，难以通过改变激励信号的电压值和相位差来实现椭圆轨迹的调整。不利于一些特定结构的加工，因此具有局限性。综上，现有的椭圆超声振动装置均有其各自的缺点，难以满足超声振动辅助加工技术的进一步发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种振动模态易于调整，振幅大，振动轨迹可调整且压电陶瓷片工作性能稳定的基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统，所述的系统包括信号发生器，所述的信号发生器同时产生A和B两路信号，A信号通过功率放大器一、电信号匹配模块一作用于椭圆超声振动装置的四个整圆环形压电陶瓷片，B信号通过功率放大器二、电信号匹配模块二作用于所述的椭圆超声振动装置的四组半圆环压片陶瓷片，椭圆超声振动装置将在刀具尖端产生超声频率的椭圆振动，并将振动信号传输至刀尖振动信号采集模块，所述的刀尖振动信号采集模块将振动信号传输至工业控制计算机，所述的工业控制计算机通过输入参数控制电压控制器和相位控制器的输出信号，所述的电压控制器和相位控制器分别将电压控制信号和相位控制信号传输至信号发生器，椭圆超声振动装置为基于对称结构的夹心式椭圆超声振动装置。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、本发明提出的基于对称结构的夹心式椭圆超声振动装置，结合了半波长指数型变幅杆对弯曲振动和纵向振动的振幅同时进行放大，在刀尖处可以实现较大尺寸的椭圆轨迹。

2、本发明提出的基于对称结构的夹心式椭圆超声振动装置的对称夹心式结构能够快速、稳定的调整纵、弯振动模态，实现模态的简并。同时对称夹心式的结构特性使得压电陶瓷片一直工作在受压状态，使得椭圆超声振动装置工作性能稳定。