CN107552368A - 一种基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统 - Google Patents

Abstract

一种基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统，属于超声振动加工技术领域。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，B信号通过功率放大器二、电信号匹配模块二作用于椭圆超声振动装置，椭圆超声振动装置将在刀具尖端产生椭圆振动轨迹，刀尖振动信号采集模块将刀尖振动信号传输至工业控制计算机，工业控制计算机通过输入参数控制电压、相位控制器的输出信号，电压、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。本发明用于实现高强度、高硬度金属材料、磁性材料、陶瓷材料、复合材料的超精密加工以及在铝合金、铜合金等金属表面进行微凹坑阵列和微通道的高效加工。

Description

一种基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统

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。

3、本发明提出的基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统可以通过改变两路激励信号电压值的大小和相位差来实现椭圆轨迹的调整。

综上，本发明提出一种基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统，该系统基于梁的弯曲振动模态和轴向振动模态简并的原理，在某一固定频率信号的激励下，超声振子的轴向谐振和弯曲谐振同时被激发，并结合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，在刀尖处可以实现长轴为12μm、短轴为6μm的椭圆轨迹。椭圆超声振动装置采用双激励信号分别作用于产生轴向振动的整环形压电陶瓷片和产生弯曲振动的半环形压电陶瓷片，可以通过改变两路激励信号电压值的大小和相位差来实现椭圆轨迹的调整。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。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，输出性能稳定。因此本发明提出的基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统工作性能稳定，能够实现对材料的高效率加工的同时保证零件的加工精度。

附图说明

图1为本发明的一种基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统的框架图；

图2为椭圆超声振动装置的结构图；

图3为椭圆超声振动装置接线及压电陶瓷片分布示意图；

图4为超声振子工作原理图；

图5为中心杆的主视图；

图6为图5的C-C剖视图；

图7为图5的D-D剖视图；

图8为一组压电陶瓷片的结构图。

附图中的零部件名称及标号如下：

信号发生器1、功率放大器一2、电信号匹配模块一3、椭圆超声振动装置4、功率放大器二5、电信号匹配模块二6、刀尖振动信号采集模块7、工业控制计算机8、电压控制器9、相位控制器10、底座架11、L型块12、中心杆13、刀具14、半波长指数型变幅杆15、螺纹块16、压电陶瓷片17、电极片18、法兰19、固定螺栓三20、固定螺栓二21、固定螺栓一22、整圆环形压电陶瓷片23、分体圆环压片陶瓷片24、夹持面25。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式披露了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1，所述的信号发生器1同时产生A和B两路信号，A信号通过功率放大器一2、电信号匹配模块一3作用于椭圆超声振动装置4的四个整圆环形压电陶瓷片23，B信号通过功率放大器二5、电信号匹配模块二6作用于所述的椭圆超声振动装置4的四组半圆环压片陶瓷片24，椭圆超声振动装置4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7，所述的刀尖振动信号采集模块7将振动信号传输至工业控制计算机8（工业控制计算机可以实现刀尖振幅的实时监测），所述的工业控制计算机8通过输入参数控制电压控制器9和相位控制器10的输出信号（通过调整电压控制器和相位控制器的参数来实现对两路信号电压值和两路信号之间的相位差值的控制），所述的电压控制器9和相位控制器10分别将电压控制信号和相位控制信号传输至信号发生器1，椭圆超声振动装置4为基于对称结构的夹心式椭圆超声振动装置。

具体实施方式二：如图2、图5-图7所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的基于对称结构的夹心式椭圆超声振动装置包括超声振子、底座架11及两个L型块12；所述的超声振子包括中心杆13、两个刀具14、两个半波长指数型变幅杆15、两个螺纹块16、八个压电陶瓷片17及十个电极片18；

所述的中心杆13水平设置，中心杆13的中部设有一个法兰19，中心杆13上位于法兰19的两侧对称设有八个环槽，所述的八个环槽内均加入绝缘胶后在每个环槽中间位置设置有一个电极片18，所述的八个压电陶瓷片17均固定在中心杆13上，中心杆13的两端各依次螺纹旋紧有螺纹块16和半波长指数型变幅杆15，每相邻两个压电陶瓷片17之间、压电陶瓷片17与中心杆13的法兰19之间以及压电陶瓷片17与螺纹块16之间均（通过粘接方式）固定有一个所述的电极片18，所述的法兰19的外圆周面设有两个小端面，所述的两个小端面均竖直设置并相对于中心杆13的中心线对称设置，所述的两个半波长指数型变幅杆15上面前端各设有一个装刀槽，每个所述的装刀槽内（通过固定螺栓三20）可拆卸固定有一个刀具14；超声振子和两个L型块12均放置在底座架11上面，所述的两个L型块12与法兰19的两个小端面对应设置，每个所述的L型块12的竖直板块均贴靠在法兰19对应的小端面上，所述的两个L型块12的竖直板块均与法兰19的小端面（通过固定螺栓二21）可拆卸连接，两个L型块12的水平板块均与底座架11（通过固定螺栓一22）可拆卸连接。

本实施方式中，在法兰19的两个小端面上上下对应各设有两个螺纹孔一，每个L型块12的竖直板块上上下对应设有两个连接孔一，每个L型块12的两个连接孔一与法兰19小端面上的两个螺纹孔一一一对应设置，用于连接固定螺栓二21。

每个L型块12的水平板块上设有两个连接孔二，底座架11上面与每个L型块12的水平板块的两个连接孔二相对应位置分别设有两个螺纹孔二，用于连接固定螺栓一22。

具体实施方式三：如图3、图8所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述的八个压电陶瓷片17包括四个整圆环形压电陶瓷片23和四组半圆环压片陶瓷片24，每组半圆环形压电陶瓷片24均由两个半圆环压电陶瓷片组合而成，所述的四个整圆环形压电陶瓷片23设置在所述的八个环槽中位于中部的四个环槽的外边缘处，所述的四组半圆环压片陶瓷片设置在八个环槽中位于两侧的四个环槽的外边缘处，所述的半圆环压片陶瓷片内环面与中心杆13胶接。

具体实施方式四：如图5、图7所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述的中心杆13两端外侧壁上各设有一段与螺纹块16及半波长指数型变幅杆16螺纹连接的外螺纹。

具体实施方式五：如图2所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述的两个螺纹块16中部均设有螺纹通孔，螺纹块16的外侧面设有两个夹持面25，所述的两个夹持面25相对应螺纹块16的中心线对称设置。

椭圆超声振动装置4的超声振子工作原理如图2、图4所示，整个超声振子可以简化成梁结构，通过对超声振子的各部分的结构设计使得超声振子的第三阶轴向共振模态和第六阶弯曲振动模态实现简并，并且两种模态的振动节点在超声振子的法兰19中心处实现重合。因此可以在超声振子中心处的法兰19上设定固定螺纹孔，其不会对超声振子的共振产生影响。通过压电陶瓷片17分别激励出超声振子的轴向振动模态和弯曲振动模态，则刀尖在ZOX平面形成椭圆振动轨迹。

椭圆超声振动装置4结构示意图如图2所示，整个装置为夹心式对称结构。椭圆超声振动装置4的安装过程如下：

步骤1、将中心杆13竖直放置，夹紧中心杆13的法兰19的两个小端面，保证中心杆13轴线方向与水平面垂直；

步骤2、将环氧树脂和固化剂按1:1的比例调和，并搅拌均匀成混合胶。

步骤3、先将八个压电陶瓷片17中的四个压电陶瓷片17和十个电极片18中的五个电极片18正反面均匀的涂抹上混合胶；

步骤4、依次将涂抹好混合胶的五个电极片18、两个整圆环形压电陶瓷片23和两组半圆环压片陶瓷片24排布好，将法兰19上方的四个环槽内均加入绝缘胶后在每个环槽中间位置设置有一个电极片18，将螺纹块16旋入中心杆13，并且在每相邻两个压电陶瓷片17之间、压电陶瓷片17与中心杆13的法兰19之间以及压电陶瓷片17与螺纹块16之间均粘接固定有一个所述的电极片18，如图3、图8所示；

步骤5、将螺纹块16拧紧压紧压电陶瓷片17。使用恒力矩扳手对压电陶瓷片施加100N.M的预紧力，同时通过精细调整靠近螺纹块16的电极片18的厚度保证螺纹块16的夹持面25和中心杆13的法兰19的两个小端面平行；

步骤6、将半波长指数型变幅杆15旋入中心杆13，通过精细调整螺纹块16与所述的半波长指数型变幅杆15之间垫片的厚度，保证半波长指数型变幅杆15旋紧的同时，半波长指数型变幅杆15带装刀槽的平面与中心杆13的法兰19的两个小端面成90°夹角；

步骤7、将刀具14装入半波长指数型变幅杆15的装刀槽内，并通过固定螺栓三20将刀具14固定在半波长指数型变幅杆15上，完成中心杆13一端的装配；

步骤8、将中心杆13翻转180竖直设置，再将余下的四个压电陶瓷片17和五个电极片18正反面均匀的涂抹上混合胶；之后依次执行步骤4至步骤7，完成中心杆13另一端的装配；

步骤9、将装配好的超声振子放置于室温48小时，使环氧树脂胶完全固化；

步骤10、底座架11固定在光学实验平台上，并完成L型块12的固定（底座架11为长方形板，中心杆13的中心线与底座架11的宽边平行），将超声振子安装在L型块12上，并且调整L型块12的位置，使得中心杆13的法兰19的两个小端面和两个L型块12完全接触，接触面之间无缝隙。并且保证所述的两个小端面上的螺纹孔一与两个L型块12的连接孔一一一对应，锁紧固定螺栓二21的同时不断调整L型块12的位置，以保证中心杆13的法兰19的小端面一直与L型块12接触面不分离；固定L型块12，完成椭圆超声振动装置4装配；

步骤11、接线：如图3、图8所示，与法兰19相邻的两个电极片18（铜极片）接负极，即整个装置的其他金属部分均为负极。用于激励纵向振动模态的整圆环形压电陶瓷片23接电路A，用于激励弯曲振动模态的半圆环压片陶瓷片24接电路B，并且两路信号的地线连接在一起，为实现两者之间相位的调整提供基础；

步骤12、如图1所示，完成其他模块的连接，最终完成基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统的搭建。分别通过电压控制器9和相位控制器10控制A、B两路信号的电压值大小以及信号之间的相位差值，实现椭圆超声振动装置4刀尖轨迹的调整。

本发明的一种基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统的工作原理是：信号发生器1同时产生A和B两路信号，并分别通过功率放大器对其功率进行放大，然后分别作用于椭圆超声振动装置4中的用于激励纵向振动模态的整圆环形压电陶瓷片23和用于激励弯曲振动模态的半圆环形压电陶瓷片24。当超声振子的第三阶轴向共振模态和第六阶弯曲共振模态同时被激励时，刀具尖端形成椭圆轨迹。刀尖振动信号采集模块7和工业控制计算机8能够实时监测刀尖振动轨迹，并且通过改变两路激励信号电压值的大小和相位差来实现刀尖处椭圆轨迹的调整，因此可以实现椭圆超声振动装置4刀尖轨迹的实时控制。

Claims (5)

1.一种基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统，其特征在于，所述的系统包括信号发生器（1），所述的信号发生器（1）同时产生A和B两路信号，A信号通过功率放大器一（2）、电信号匹配模块一（3）作用于椭圆超声振动装置（4）的四个整圆环形压电陶瓷片（23），B信号通过功率放大器二（5）、电信号匹配模块二（6）作用于所述的椭圆超声振动装置（4）的四组半圆环压片陶瓷片（24），椭圆超声振动装置（4）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（7），所述的刀尖振动信号采集模块（7）将振动信号传输至工业控制计算机（8），所述的工业控制计算机（8）通过输入参数控制电压控制器（9）和相位控制器（10）的输出信号，所述的电压控制器（9）和相位控制器（10）分别将电压控制信号和相位控制信号传输至信号发生器（1），椭圆超声振动装置（4）为基于对称结构的夹心式椭圆超声振动装置。

2.根据权利要求1所述的一种基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统，其特征在于：所述的基于对称结构的夹心式椭圆超声振动装置包括超声振子、底座架（11）及两个L型块（12）；所述的超声振子包括中心杆（13）、两个刀具（14）、两个半波长指数型变幅杆（15）、两个螺纹块（16）、八个压电陶瓷片（17）及十个电极片（18）；

所述的中心杆（13）水平设置，中心杆（13）的中部设有一个法兰（19），中心杆（13）上位于法兰（19）的两侧对称设有八个环槽，所述的八个环槽内均加入绝缘胶后在每个环槽中间位置设置有一个电极片（18），所述的八个压电陶瓷片（17）均固定在中心杆（13）上，中心杆（13）的两端各依次螺纹旋紧有螺纹块（16）和半波长指数型变幅杆（15），每相邻两个压电陶瓷片（17）之间、压电陶瓷片（17）与中心杆（13）的法兰（19）之间以及压电陶瓷片（17）与螺纹块（16）之间均固定有一个所述的电极片（18），所述的法兰（19）的外圆周面设有两个小端面，所述的两个小端面均竖直设置并相对于中心杆（13）的中心线对称设置，所述的两个半波长指数型变幅杆（15）上面前端各设有一个装刀槽，每个所述的装刀槽内可拆卸固定有一个刀具（14）；超声振子和两个L型块（12）均放置在底座架（11）上面，所述的两个L型块（12）与法兰（19）的两个小端面对应设置，每个所述的L型块（12）的竖直板块均贴靠在法兰（19）对应的小端面上，所述的两个L型块（12）的竖直板块均与法兰（19）的小端面可拆卸连接，两个L型块（12）的水平板块均与底座架（11）可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统，其特征在于：所述的八个压电陶瓷片（17）包括四个整圆环形压电陶瓷片（23）和四组半圆环压片陶瓷片（24），每组半圆环形压电陶瓷片（24）均由两个半圆环压电陶瓷片组合而成，所述的四个整圆环形压电陶瓷片（23）设置在所述的八个环槽中位于中部的四个环槽的外边缘处，所述的四组半圆环压片陶瓷片设置在八个环槽中位于两侧的四个环槽的外边缘处，所述的半圆环压片陶瓷片内环面与中心杆（13）胶接。

4.根据权利要求2所述的一种基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统，其特征在于：所述的中心杆（13）两端外侧壁上各设有一段与螺纹块（16）及半波长指数型变幅杆（16）螺纹连接的外螺纹。

5.根据权利要求2所述的一种基于对称结构的夹心式椭圆超声振动系统，其特征在于：所述的两个螺纹块（16）中部均设有螺纹通孔，螺纹块（16）的外侧面设有两个夹持面（25），所述的两个夹持面（25）相对应螺纹块（16）的中心线对称设置。