[发明专利]具有二级放大超声换能器的超声振动辅助切削装置及二级放大超声换能器设计方法

权利要求书

1.超声振动辅助切削装置中二级放大超声换能器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)建立二级放大超声换能器(5)的仿真模型，所述仿真模型的截面包括第一等截面、圆锥过渡的变截面、第二等截面和第三等截面；

2)建立圆锥过渡梯形变幅杆(504)的横截面积函数S_n(x_n)，即：

式中，R₁、R₂、R₃分别表示圆锥过渡梯形变幅杆(504)圆锥部分的输入端半径、输出端半径、刀具头(507)的横截面半径；l₁、l₂、l₃、l₄、l₅、l₆分别表示沉头式后盖板(502)横截面长度、压电陶瓷组(503)横截面长度、圆锥过渡梯形变幅杆(504)圆柱面长度、圆锥过渡梯形变幅杆(504)圆锥部分的输入端横截面长度、圆锥过渡梯形变幅杆(504)圆锥部分的输出端横截面长度、刀具头(507)的横截面长度；x_n为质点；

3)变截面超声换能器纵振波动方程为：

式中，μ_n(x_n)为质点位移函数；S_n(x_n)为圆锥过渡梯形变幅杆的横截面积函数；圆波数ω_n为圆频率；为纵波在不同介质中的传播速度；E_n为不同材料的杨氏模量；ρ_n为不同介质材料的密度；

4)在圆锥过渡梯形变幅杆(504)的圆锥面输入端设计节面，节面左侧包括第一等截面，右侧包括圆锥过渡的变截面、第二等截面和第三等截面；

对公式(2)进行化简，得到：

5)根据式(3)，解得通式：

式中，F_n(x_n)为纵向弹性力；Z_n＝ρ_nc_nS(x)为二级放大超声换能器(5)各个部分的声阻抗；A_n、B_n为系数；

6)建立圆锥过渡梯形变幅杆(504)等圆柱截面部分的振速和力的边界条件，即：

式中,v_f为沉头式后盖板(502)输出端表面振速；μ₁(0)、μ₁(l₁)、μ₂(0)、μ₂(l₂)、μ₃(0)、μ₃(l₃)、F₁(0)、F₂(0)、F₁(l₁)、F₂(l₂)、F₃(0)表示边界参数；

7)联立式(4)和式(5)，建立圆锥过渡梯形变幅杆(504)等圆柱截面部分的频率方程，即：

式中，Z₁、Z₂为阻抗；

8)建立圆锥过渡的变截面的纵振波动方程，即：

式中，参数R₁、R₂和l₄分别为圆锥形部分的输入端半径、输出端半径和圆锥形结构长度；

9)根据式(7)，解得通式：

式中，v_n(x_n)为圆锥过渡的变截面振速，F_n(x_n)为圆锥过渡的变截面的纵向弹性力；C_n、D_n为系数；

10)建立圆锥过渡的变截面、第二等截面和第三等截面的振速和力的边界条件，即：

式中，v_e为二级放大超声换能器(5)输出端振速，v₀为圆锥过渡梯形变幅杆(504)输入端振速；μ₄(0)、μ₄(l₄)、μ₅(0)、μ₅(l₅)、F₄(0)、F₄(l₄)、F₅(0)、F₅(l₅)、F₆(0)、F₆(l₆)表示边界参数；Z₃为阻抗；

11)联立式(4)、式(8)和式(9)方程，求解得到节面右侧圆锥形和等圆柱截面部分频率方程，即：

式中，圆波数k＝k₄＝k₅；

12)计算二级放大超声换能器(5)的振幅放大系数M，即：

13)根据预设的圆锥过渡梯形变幅杆(504)圆锥部分的输入端半径R₁、输出端半径R₂、刀具头(507)的横截面半径R₃、压电陶瓷组(503)横截面长度l₂以及由材料属性计算得到的圆波数k_n和声阻抗Z_n，确定二级放大超声换能器的尺寸参数，包括沉头式后盖板(502)横截面长度l₁、圆锥过渡梯形变幅杆(504)圆柱面长度l₃、圆锥过渡梯形变幅杆(504)圆锥部分的输入端横截面长度l₄、圆锥过渡梯形变幅杆(504)圆锥部分的输出端横截面长度l₅、刀具头(507)的横截面长度l₆和振幅放大系数M；

14)确定压电陶瓷组(503)的外径尺寸；所述压电陶瓷组(503)的外径尺寸不大于

其中，超声波在压电陶瓷材料中波长λ如下所示：

式中，c为压电陶瓷材料中的声速，f为超声频率，为压电陶瓷材料弹性特性参数；

超声振动辅助切削装置包括拉钉(1)、止转体(2)、刀柄壳(3)、输电系统(4)、二级放大超声换能器(5)和超声波发生器(6)；

所述拉钉(1)与刀柄壳(3)连接；

所述止转体(2)与输电系统(4)的定子连接，从而将输电系统(4)的定子固定；

所述刀柄壳(3)与输电系统(4)的转子连接；

所述刀柄壳(3)与二级放大超声换能器(5)连接；

所述超声波发生器(6)向二级放大超声换能器(5)输出超声信号；

所述止转体(2)包括止转环(201)、若干紧定螺钉(202)和若干止转棒(203)；

所述止转环(201)上开设有若干第一螺纹孔(201a)和若干第二螺纹孔(201b)；

所述紧定螺钉(202)通过第二螺纹孔(201b)将止转环(201)固定于加工中心主轴；

所述止转棒(203)通过第一螺纹孔(201a)将止转体(2)与输电系统(4)的定子连接；

所述止转环(201)为圆环，其中，圆环的上表面开设有若干第一螺纹孔(201a)，侧壁开设有若干第二螺纹孔(201b)；

所述输电系统(4)包括电机和止转片(401)；

所述止转片(401)通过止转体(2)的止转棒(203)固定在电机定子上；

所述二级放大超声换能器(5)包括预紧螺栓(501)、沉头式后盖板(502)、压电陶瓷组(503)、圆锥过渡梯形变幅杆(504)、压帽(505)、卡簧(506)和刀具头(507)；

所述沉头式后盖板(502)、压电陶瓷组(503)和圆锥过渡梯形变幅杆(504)通过预紧螺栓(501)依次连接；

所述预紧螺栓(501)为压电陶瓷组(503)提供预紧力；

所述卡簧(506)位于圆锥过渡梯形变幅杆(504)输出端的凹槽里，并通过压帽(505)将刀具头(507)与圆锥过渡梯形变幅杆(504)连接固定；

所述圆锥过渡梯形变幅杆(504)的输入端与压电陶瓷组(503)连接，输出端与刀具头(507)连接；

超声振动辅助切削装置工作时，所述超声波发生器(6)向二级放大超声换能器(5)输出高频超声信号；

所述二级放大超声换能器(5)将高频超声信号转换成相应频率的机械振动，通过圆锥过渡梯形变幅杆(504)将机械振动的幅度增大，并传递到刀具头尖端，使其产生超声振动，实现超声辅助切削加工。