[发明专利]纵-扭-径复合空间体椭圆振动超声磨削装置设计方法

说明书

本发明公开了一种纵‑扭‑径复合空间体椭圆振动超声磨削装置设计方法，包括以下步骤：（1）设计整体结构和零件排布；（2）设计变幅器和螺旋槽结构；（3）设计砂轮盘结构；（4）优化各部分结构。装置整体长度应该满足半波长规律，固定螺栓依次将所述反射端、电极片、压电陶瓷片串联；变幅器上设有螺旋槽产生扭转振动，砂轮盘能够产生径向振动，最终纵‑扭‑径三向振动激励砂轮盘在空间中作椭圆运动。采用本发明设计的空间椭圆振动超声磨削装置复合振动效果好且能有效减小切削力，有利于超声磨削技术的推广。

技术领域：

本发明涉及一种超声振动加工设备，特别是涉及一种纵-扭-径复合空间体椭圆振动超声磨削装置设计方法。

背景技术：

伴随着航空航天、高速列车和高端制造业的快速发展，对高精度磨削加工的需求也在不断增长。但是传统的磨削加工由于磨削力较大不仅容易使加工表面温度过高出现烧伤，还存在材料去除率较低，加工效率不高的问题。然而空间椭圆超声振动磨削加工技术的出现为这一难题的解决提供了新的思路。砂轮盘在磨削加工时在空间中做椭圆振动，将砂轮与工件表面的接触状态从持续接触变为断续接触，能够有效减小磨削力，改善磨削区的润滑条件，不仅大幅提高加工效率，同时改善加工表面烧伤。对扩大磨削技术的应用范围意义非凡。

发明内容：

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、占用空间小、纵-扭-径复合振动效果好且有效减小切削力的新型单激励空间椭圆振动超声磨削装置设计方法。

本发明的技术方案是：

一种纵-扭-径复合空间体椭圆振动超声磨削装置设计方法，该超声磨削装置包括固定螺栓、反射端、电极片、压电陶瓷片、变幅器连接螺栓和砂轮，其设计过程包括以下步骤：（1）设计整体结构和零件排布；（2）设计变幅器和螺旋槽结构；（3）设计砂轮盘结构；（4）优化各部分结构。

在步骤（1）中，所述设计整体结构和零件排布的具体方法包括：所述整体长度应该满足半波长规律；所述固定螺栓依次将所述反射端、电极片、压电陶瓷片串联，所述固定螺栓通过螺纹旋合与所述变幅器连接；所述陶瓷片选择两片或者四片，电极片数量与陶瓷片一致，两者交错分布。

在步骤（2）中，所述设计变幅器和螺旋槽结构的具体方法包括：所述变幅器通过设计不同的变幅器两端半径控制放大系数；所述螺旋槽应设置于所述变幅器中部，在圆周方向均匀分布；所述陶瓷片产生的纵向振动遇到所述螺旋槽结构由于模态转换作用，一部分振动保持纵振不变，另一部分转换为扭转振动；调整所述螺旋槽的数量、旋向、角度、槽宽、槽深等参数在输出端得到纵-扭复合振动。

在步骤（3）中，所述设计砂轮盘结构的具体方法包括：所述砂轮盘应设置于所述变幅器的小端，通过所述固定螺栓与所述变幅器连接；经过所述变幅器放大和所述螺旋槽模态转换得到的纵-扭振动在通过砂轮盘时，能够在所述砂轮盘表面输出径向振动，根据薄板振动理论选择合适的所述砂轮盘厚度和半径能够控制径向振动的大小；最终纵-扭-径三向振动激励砂轮盘在空间中作椭圆运动。

在步骤（4）中，所述优化各部分结构的具体方法包括：按照所述的前四个步骤中设计得到的装置各部分结构，在三维建模软件中建立结构模型，导入仿真软件通过仿真得到所述结构单激励空间椭圆振动超声磨削装置振动模态，选取所述砂轮盘边缘一点输出随时间变化的空间运动轨迹；修改所述变幅器参数控制纵向振动，修改所述螺旋槽参数控制扭转振动，修改所述砂轮盘参数控制径向振动，根据仿真结果优化得到所述边缘一点在空间中做椭圆运动。

本发明的有益效果是：

1、通过在设计过程中运用半波长规律，采用单一换能器，同时将换能器与变幅器一体化大幅减少空间占用，可以在手持式设备等空间有限的场景中使用，从而拓宽适用范围。

2、陶瓷片在高频交变电流的激励下产生的纵向振动，先经过变幅器的放大，螺旋槽的纵-扭模态转换，后在砂轮盘上部分纵振转换为径向振动，最终输出纵-扭-径三向复合空间椭圆振动。