[发明专利]超声单激励椭圆振动磨削设计方法及装置

摘要

本发明公开了一种超声单激励椭圆振动磨削设计方法及装置，其换能器、变幅杆和杯形磨削工具通过预应力螺栓和螺帽连接在一起，换能器将超声波发生器提供的电信号转换为纵向传递的机械振动，通过变幅杆的传递作用，将纵向振动的声波传递至杯形磨削工具，杯形磨削工具分为圆盘段和圆管段，变幅杆纵振激励使得杯形磨削工具圆盘段作横向弯曲的节圆型振动，并耦合形成圆管段的纵向振动，实现“纵‑弯‑纵”三种不同振型的复合，通过圆盘段的弯曲振动和圆管段的纵向振动，在圆管段末端耦合表现出纵向和径向振动的复合振动，在纵径平面内，纵向及径向振动的耦合形成椭圆型振动轨迹，简化谐振系统的设计，使砂轮盘的振动更加理想。

主权项

1.一种超声单激励椭圆振动磨削设计方法，包括以下步骤：a、确定椭圆振动磨削系统的振动模式及振动轨迹：椭圆振动磨削系统由换能器、变幅杆和杯形磨削工具组成，其中变幅器由变幅杆与杯形磨削工具构成，换能器将超声波发生器提供的电信号转换为纵向传递的机械振动，通过变幅杆的传递作用，将纵向振动的声波传递至杯形磨削工具，杯形磨削工具分为圆盘段和圆管段，变幅杆纵振激励使得杯形磨削工具圆盘段作横向弯曲的节圆型振动，并耦合形成圆管段的纵向振动，实现“纵‑弯‑纵”三种不同振型的复合，通过圆盘段的弯曲振动和圆管段的纵向振动，在圆管段末端耦合表现出纵向和径向振动的复合振动，在纵径平面内，纵向及径向振动的耦合形成椭圆型振动轨迹，即参与磨削加工的磨粒是以椭圆型轨迹周期运动的；b、建立变幅器中各段的动力学方程：建立变幅杆、圆盘段和圆管段的动力学方程，再根据边界条件将三者联立耦合，得到变幅器的整体频率方程，其中纵振变幅杆是直杆型、圆锥型和复合型，是四分之一波长或是其整数倍，根据圆盘段厚度与直径比值的大小，确定是按照薄板振动计算，还是中厚板振动计算，变幅杆和圆管段可根据声波的纵振传播理论确定两者的位移和应力函数，圆盘段根据板的振动理论获得位移函数和应力函数；c、确定工件连接处的边界条件：若变幅杆是四分之一波长，则变幅杆左端满足位移函数为零，圆管形段右端为自由状态，满足应力函数为零，变幅杆、圆盘段和圆管段连接处振动耦合，满足位移相等和力相等；若圆盘段属于中厚板，则需考虑圆板的径向转角、剪力和弯矩的边界状态；d、建立变幅器的整体频率方程：通过确定的边界条件，将各段的位移函数和应力函数进行联立、整合，求得变幅器的整体频率方程；e、确定椭圆振动磨削系统参数：需要根据使用要求确定椭圆振动磨削系统的参数包括：变幅杆和杯形磨削工具材料的密度、泊松比、弹性模量、剪切模量和声速，变幅杆两端的直径，杯形磨削工具的内径、外径、高度和底厚，根据实际要求确定设计频率，以及换能器的谐振频率；f、计算变幅杆的长度并进行优化设计：根据实际使用要求，将已确定的杯形磨削工具磨削系统参数带入到变幅器的整体频率方程中，求得可以使杯形磨削工具实现谐振的变幅杆长度，若求得变幅杆与杯形磨削工具组成的变幅器与设计频率相差太多，在使用要求以及超声波发生器频率调节范围内改变设计频率，以得到更好的设计效果。