[发明专利]孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工方法及装置

权利要求书

1.一种孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工方法，包括以下步骤：

a、将变幅器设计为阶梯型变幅杆与锥形变幅杆结合而成的圆锥过渡阶梯型复合变幅器，其结构尺寸满足“四分之一波长”设计要求；

b、在变幅器的圆柱过渡段上开设第一系列螺旋孔，同时在变幅器的发射端开设第二系列螺旋孔，在第一系列螺旋孔以及第二系列螺旋孔之间的圆锥过渡面上设置法兰盘；

c、在变幅器开有中心通孔且大端处开设内螺纹孔，利用连接螺栓将反射端、压电陶瓷片、铜电极及变幅器连接在一起；

d、换能器产生的纵向振动在变幅器中纵向惯性力F，而纵向惯性力F在遇到螺旋孔时，纵向惯性力F将分解成两部分：纵向作用力分量F_L及剪切作用力分量F_T，其中纵向作用力分量F_L沿着变幅杆轴线方向；而剪切作用力分量F_T，在截面上任一点的剪切作用力分量F_T垂直于变幅杆半径的方向，由剪切作用力分量产生的总力矩是所有剪切作用力在整个截面上扭矩的积分，从而实现模态转换，由原本的纵振转换为纵-扭复合振动；

e、变幅器产生的纵向振动经第一系列螺旋孔后，转换为频率相同且有相位差的纵-扭复合振动，该纵-扭复合振动经第二系列螺旋孔后，在刀具的径向实现模态叠加式的纵-扭复合振动的输出；

调整螺孔的旋线与直径方向之间的夹角θ，能够改变纵波的入射角度，进而影响反射后纵向作用力分量F_L与剪切作用力分量F_T之间的夹角α，最终改变输出扭转振动分量M；

第一系列螺旋孔和第二系列螺旋孔的结构参数包括两系列螺旋孔的旋向、线数、深度、宽度以及螺旋角以及中心通孔的直径，通过调整上述结构参数来实现两系列螺旋孔间的耦合，寻找最佳耦合比，以达到最佳的纵-扭分量比；

第一系列螺旋孔以及第二系列螺旋孔的旋向或斜向相同，第一系列螺旋孔的孔径相同或者逐渐减小，第二系列螺旋孔的孔径相同或者逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工方法，其特征是：相邻所述压电陶瓷片纵向极化方向相反，压电陶瓷片净化后采用专业粘合剂粘合，并进行老化处理；各接触面、圆周面进行精磨，达到粗糙度及跳动要求。

3.一种孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工装置，包括反射端、压电陶瓷片、铜电极和变幅器，其特征是：所述变幅器是阶梯型变幅杆与锥形变幅杆结合而成的圆锥过渡阶梯型复合变幅器，其结构尺寸满足“四分之一波长”设计要求，所述变幅器的圆柱过渡段上开设第一系列螺旋孔，所述变幅器的发射端开设第二系列螺旋孔，所述第一系列螺旋孔以及所述第二系列螺旋孔之间的圆锥过渡面上设置法兰盘，所述变幅器开有中心通孔且大端处开设内螺纹孔，利用连接螺栓将所述反射端、压电陶瓷片、铜电极及变幅器连接在一起，所述变幅器产生的纵向振动经所述第一系列螺旋孔后，转换为频率相同且有相位差的纵-扭复合振动，该纵-扭复合振动经所述第二系列螺旋孔后，在刀具的径向实现模态叠加式的纵-扭复合振动的输出；

所述第一系列螺旋孔和所述第二系列螺旋孔的结构参数包括两系列螺旋孔的旋向、线数、深度、宽度以及螺旋角以及中心通孔的直径，通过调整上述结构参数来实现两系列螺旋孔间的耦合，寻找最佳耦合比，以达到最佳的纵-扭分量比；

所述第一系列螺旋孔以及所述第二系列螺旋孔的旋向或斜向相同，所述第一系列螺旋孔的孔径相同或者逐渐减小，所述第二系列螺旋孔的孔径相同或者逐渐减小。

4.根据权利要求3所述的孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工装置，其特征是：相邻所述压电陶瓷片纵向极化方向相反，所述压电陶瓷片净化后采用专业粘合剂粘合，并进行老化处理；各接触面、圆周面进行精磨，达到粗糙度及跳动要求。