[发明专利]基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置及钻削方法

说明书

本发明涉及一种基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置及钻削方法，包括机床本体、安进给单元、夹具单元，夹具单元包括底座、安装在底座上的振动工作台、安装在振动工作台上的夹具，振动工作台旁侧设置有超声椭圆振动组件，超声椭圆振动组件包括超声波发生器、横向纵振换能器、安纵向纵振换能器，超声波发生器分别经导波带连接横向纵振换能器、纵向纵振换能器，超声波发生器分别给横向纵振换能器、纵向纵振换能器输入频率相同存在相位差的高频正弦激励，使得横向纵振换能器、纵向纵振换能器产生纵向振动，本发装置于工件上施加椭圆振动，并通过控制超声波发生器控制振幅以及频率等实现对振动轨迹的精确控制，进而改善钻孔的加工质量。

技术领域

本发明属于钻削设备技术领域，涉及一种基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置及钻削方法。

背景技术

20世纪90年代，日本学者社本英而提出了超声椭圆振动切削技术。与普通切削相比不同的是超声椭圆振动是在切削平面做椭圆形状的二维振动，并产生了一系列优良的切削效果。大量研究表明：与普通的切削相比，刀具的超声椭圆振动通过减小实际切屑厚度、摩擦力反向效应以及变切削角度/速度特性，可以明显的减小加工缺陷、切削力并提高脆性材料的塑脆转变深度，同时将可加工材料的固有特性对加工性能的影响降到最低从而显著提高加工效率和表面加工质量完整性，并提高刀具的使用寿命以及加工系统的稳定性。

由于二维超声振动在加工难加工材料上所表现的优良特性，不少学者开始探索将超声椭圆振动与其他的加工方式相结合。超声椭圆振动钻削的加工方式也得到了广泛的研究，同时超声椭圆振动钻削中轨迹对加工质量的影响也得到了重视。研究表明，超声椭圆振动钻削相比于单一的超声振动钻削（纵向振动、扭转振动钻削），对钻削性能改善的更为明显。但对于超声椭圆振动钻削的研究中，主要是通过变幅杆的设计来改变钻削的轨迹，这一方法的缺点在于生成的轨迹局限于所设计的变幅杆，不能精确控制生成的轨迹。

发明内容

本发明提出一种基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置。

本发明解决技术问题所采用的方案是，一种基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置，包括机床本体、安装在机床本体上用于驱动刀具的进给单元、用于固定工件的夹具单元，所述夹具单元包括底座、安装在底座上的振动工作台、安装在振动工作台上的夹具，所述振动工作台旁侧设置有超声椭圆振动组件，所述超声椭圆振动组件包括超声波发生器、安装在振动工作台左侧或右侧的横向纵振换能器、安装在振动工作台前侧或后侧的纵向纵振换能器，超声波发生器分别经导波带连接横向纵振换能器、纵向纵振换能器，超声波发生器分别给横向纵振换能器、纵向纵振换能器输入频率相同存在相位差的高频正弦激励，使得横向纵振换能器、纵向纵振换能器产生纵向振动。

进一步的，所述横向纵振换能器、纵向纵振换能器均为全波长纵振换能器。

进一步的，所述全波长纵振换能器中间隔分布着若干铜电极与压电陶瓷片，压电陶瓷相邻两端面的极性相同，横向纵振换能器、纵向纵振换能器经导波带连接振动工作台，由于其逆压电效应，将超声波发生器的电信号转换为机械振动，并利用导波带传输振动给振动工作台。

进一步的，所述进给单元通过锥柄与机床主轴锥孔配合，锥柄通过拉钉的牵引作用将进给单元安装在机床主轴上，锥柄的下方固定安装有与其同轴心的转轴，转轴下端安装有转轴弹簧夹头、螺母，刀具上端通用弹性夹头安装在转轴下端，螺母套设在刀具上并通过螺母锁固，压紧螺母与转轴下端外部螺纹紧固连。

一种超声椭圆振动钻削方法：进给单元带动其上的刀具对振动工作台上的工件进行加工，通过超声波发生器分别给横向纵振换能器、纵向纵振换能器输入频率相同存在相位差的高频正弦激励，使得横向纵振换能器、纵向纵振换能器产生纵向振动，纵向纵振换能器激励振动工作台纵振模态，横向纵振换能器激励振动工作台产生同频率的弯振模态，且两个方向的振动耦合到夹具上形成椭圆轨迹。

进一步的，通过改变超声波发生器发出的两个方向的相位差改变椭圆轨迹。