[发明专利]一种新型三维超声椭圆振动切削装置

说明书

本发明提供了一种新型三维超声椭圆振动切削装置。由二维超声振动换能器、不对称超声变幅杆及刀具组成。刀具安装在不对称超声变幅杆的输出端，二维超声振动换能器用于输出超声纵‑弯复合振动，不对称超声变幅杆用于将二维超声振动换能器输出的纵向振动进行转换和分解为第二相弯曲振动和纵向振动，结合二维超声振动换能器输出的第一相弯曲振动，在刀具上输出三维超声椭圆振动轨迹。双激励形式实现三维超声椭圆振动轨迹的输出，解决以往三维超声椭圆振动切削装置存在的多种振动耦合效果差、装置几何尺寸较大及对三通道超声电源的要求较高等问题，根据不同的切削应用场合及加工需求对输出的三维超声椭圆振动轨迹进行调整，使装置具有更强的适应性。

技术领域

本发明涉及超声振动加工技术领域，尤其涉及一种新型三维超声椭圆振动切削装置。

背景技术

随着精密超精密技术的迅速发展，超声椭圆振动切削技术受到越来越多的关注。相比一维超声振动切削，二维超声椭圆振动切削过程具有“摩擦力反转”、“变角度切削”及更加彻底“刀具-工件分离”的等特点，从而有效延长刀具寿命、提高切削表面光洁度和切削稳定性、抑制毛刺和再生颤振等。

而三维超声椭圆振动切削是在切削速度方向、切削深度方向及切削进给方向均施加超声振动，不仅具有二维超声椭圆振动切削的优势，且可使刀具在己加工表面内做椭圆运动，将切屑拨至一侧，减小切屑与前刀面之间的摩擦力；此外，刀具在已加工平面内的熨压作用进一步提高表面精度。

但是，由于三维超声椭圆振动切削装置存在多种振动耦合效果差、装置几何尺寸较大及对三通道超声电源的要求较高等问题，导致其工业应用的前景较差，阻碍了三维超声椭圆振动切削技术的发展。本发明提出了一种新型三维超声椭圆振动切削装置，采用双通道超声电源进行激励，装置几何尺寸较小，有利于实现三维超声椭圆振动切削技术的工业应用。

发明内容

为充分发挥超声椭圆振动切削技术的优势，本发明提供了一种新型三维超声椭圆振动切削装置，具有较强的适应性。本发明采用的技术手段如下：

一种新型三维超声椭圆振动切削装置，由二维超声振动换能器、不对称超声变幅杆及刀具组成，所述刀具通过紧定螺栓安装在不对称超声变幅杆的输出端，所述二维超声振动换能器用于输出超声纵-弯复合振动，所述不对称超声变幅杆用于将所述二维超声振动换能器输出的纵向振动进行转换和分解为第二相弯曲振动和纵向振动，结合二维超声振动换能器输出的第一相弯曲振动，在刀具上输出三维超声椭圆振动轨迹。

进一步地，所述的二维超声振动换能器包括预紧螺栓、后盖板、圆环形压电陶瓷堆、中间盖板、半圆环形压电陶瓷堆及前盖板，通过预紧螺栓将后盖板、圆环形压电陶瓷片、中间盖板，半圆环形压电陶瓷堆、前盖板沿轴向按顺序进行紧固。

进一步地，在二维超声振动换能器中，圆环形压电陶瓷堆安装在纵向振动的波峰位置处，激励出二维超声振动换能器的二阶纵向振动模态，使其输出纵向振动(沿y方向)；半圆环形压电陶瓷堆安装在弯曲振动的波节位置处，激励出二维超声振动换能器的六阶弯曲振动模态，使其输出第一相弯曲振动(沿x方向)。两组压电陶瓷堆由两相具有一定相位差的超声激励信号激励，进而使换能器处于纵-弯复合振动模态，输出纵-弯复合超声振动(沿y-x方向)。

进一步地，圆环形压电陶瓷堆由型号为PZT-4的圆环压电陶瓷片和电极片组成，利用压电陶瓷较高工作效率的的d33工作模式；半圆环形压电陶瓷堆由型号为PZT-4的半圆环压电陶瓷片和电极片，同样利用压电陶瓷较高工作效率的的d33工作模式。

进一步地，二维超声振动换能器输出的纵-弯复合超声振动方程为：

其中，A_x是弯曲振动的振幅，A_y是纵向振动的振幅，ω是超声振动的角频率，是激励两组压电陶瓷堆的两相超声激励信号的相位差，由双通道超声电源进行控制。