[发明专利]一种基于二维振动的用于大型零件加工的单向超声振动平台及其操作方法

说明书

本发明属于复合加工中超声辅助加工领域，公开了一种基于二维振动用于大型零件加工的单向超声振动平台及其操作方法，固定支脚分两组固定在二维多孔超声振动平台正反两个面上相同波节点处，在二维多孔超声振动平台的一个侧面中轴线位置连接超声波换能器。超声波换能器驱动二维多孔超声振动平台产生纵向一个全波长，横向3三个半波长的耦合振动，耦合振动在平台中心形成单一纵向振动，通过耦合振动扩大中心纵振区域面积；二维多孔超声振动平台上存在均布的螺纹孔和凹槽，用于隔绝横向振动和增大纵振振幅。本发明结构简单、工作稳定性好，通过二维波的耦合实现了大型零件的超声磨削加工。

技术领域

本项发明涉及特种加工和复合加工领域，涉及单向辅助超声加工领域，特别涉及一种大型零件的单向超声辅助加工平台。

背景技术

近年来，随着工业的发展，对零件的加工精度、加工效率、表面质量的要求逐渐提高。超声波辅助加工因其可以减小切削力，降低切削温度，成为了一种有效提高工件加工质量的方法，具有很好的发展前景。现阶段，超声波辅助加工已经应用于航空航天、电子通讯、精密加工、生物医学等领域，适用于加工硬脆材料、高温合金、复合材料等诸多难加工材料。超声波辅助加工方法主要分为两类，分别是刀具实现超声波振动和工件实现超声波振动。

目前，超声波辅助加工也存在一些问题。当刀具实现超声波振动时，由于刀具结构复杂，使得系统整体稳定性弱；当平台实现超声辅助振动时，由于超声波长的限制，使得工件尺寸要小于临界值，工件尺寸过大必然会造成在工件上存在振幅为零的点，使得该点附近的超声辅助加工失效，影响零件加工的均匀性和表面质量。

发明内容

为了克服目前一维振动对工件尺寸的局限，实现大型零件的超声加工，本发明提供了基于二维振动的一种用于大型零件加工的单向超声振动平台，利用二维波的耦合实现较大区域的单一方向振动，进而实现大型零件的超声波加工。

为了实现上述发目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于二维振动的用于大型零件加工的单向超声振动平台，包括二维多孔超声振动平台、固定支脚、超声波换能器；

二维多孔超声振动平台水平放置，固定支脚安装在二维多空超声振动平台正反两面相同波节点位置，用于平台和机床的连接；固定支脚端部存在螺纹，二维多孔超声振动平台通过螺纹与支脚进行连接，连接的部位需要通过有限元进行仿真后确定二维多孔超声振动平台的波节点，固定支脚安装在波节点位置附近以减小对整个二维多孔超声振动平台的影响。

二维多孔超声振动平台的长度和宽度通过二维超声振动理论设计得到，基于表观弹性模量法，二维多孔超声振动平台长度、宽度、频率之间应满足以下条件：

n₁n₂＝1

其中l_x、l_y分别表示平板长度、宽度，f为超声振动频率，ρ为平板材料密度，n为耦合系数，v为泊松比，E为材料弹性模量。通过需要的平台长度l_x、谐振频率f、可计算平台宽度l_y，通过平台长度、宽度、超声频率三者之间的协同设计实现二维波的耦合。

超声波换能器依次由超声波变幅杆、压电陶瓷、后盖板组成；所述的超声波换能器为全波长超声波换能器，由超声波电源驱动，可以产生一维纵向振动，超声变幅杆端部的直径与二维多孔超声振动平台的厚度相等，通过调节超声波电源的输出电压可以调节二维多孔超声振动平台的振幅。

二维多孔超声振动平台的侧面沿着中轴线连接超声波换能器，用于驱动二维多孔超声振动平台，超声波换能器节点处有法兰盘，用于进行其它外部装置的连接。超声波换能器使用预紧螺栓将后盖板、压电陶瓷和超声波变幅杆压紧，超声变幅杆前边安装双头螺柱连接至二维多孔超声振动平台。