一种超声椭圆振动切削装置的设计方法制造方法及图纸

一种超声椭圆振动切削装置的设计方法，属于精密机械加工技术领域。所述超声椭圆振动切削装置的设计方法包括以下步骤：（1）确定椭圆振动切削装置参数；（2）计算换能器长度；（3）计算换能器弯曲振动时，波腹和波节的位置；（4）插入压电陶瓷片，修正换能器长度；（5）计算各级变幅杆长度；（6）根据刀具形状，在末级变幅杆的末端铣平面。根据本发明专利技术实施例的椭圆振动切削装置设计方法，实现了刀具在二维平面上产生椭圆运动轨迹。此外本发明专利技术设计方法采用数学公式推导，避免了经验设计和仿真优化设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密机械加工
，特别涉及一种超声椭圆振动切削装置的设计方法。
技术介绍
超声椭圆振动切削由日本学者社本英二等人提出。当金刚石刀具以常规方式切削硬脆材料和黑色金属时，刀具磨损非常严重；但对金刚石刀具施加超声椭圆振动后切削上述材料，刀具磨损显著降低，延长金刚石刀具的使用寿命，提高了零件的表面加工质量。目前已有的椭圆振动切削装置专利有许多，包括：专利（CN 103611947A）专利技术了一种铰链并联式椭圆振动切削柔性装置实现金刚石刀具产生椭圆轨迹。但是该装置为非共振型椭圆振动，无法产生超声椭圆振动，并且没有说明如何设计、制造出椭圆振动切削装置。技术（CN 204235246U）提供了一种换能器加变幅杆方式的超声振动切削机构，但同样没有提出详细的设计方法。专利（CN 101804575A）专利技术了一种共振式的椭圆超声振动辅助切削装置，并且也采用半圆片状的压电陶瓷。但是其压电陶瓷片为非对称式布置，且同样没有说明设计步骤。综上所述，目前没有一种超声椭圆振动切削装置的设计方法，完整地介绍超声椭圆振动切削装置的设计步骤。
技术实现思路
本专利技术提出了一种超声椭圆振动切削装置的设计方法，用于设计、制造超声椭圆振动切削装置。如图1所示，本专利技术提出的超声椭圆振动切削装置的设计方法，包括如下步骤：（1）确定椭圆振动切削装置参数；（2）计算换能器长度；（3）计算换能器弯曲振动时，波腹和波节的位置；（4）插入压电陶瓷片，修正换能器长度；（5）计算各级变幅杆长度；（6）根据刀具形状，在末级变幅杆的末端铣平面。上述方法中，所述步骤（1）确定的椭圆振动切削装置参数包括：装置的工作频率f、换能器直径dT，换能器和变幅杆材料密度ρT 、杨氏模量ET 、泊松比υT ，各级变幅杆的直径d1、d2 ，压电陶瓷片的厚度lC，压电陶瓷片材料密度ρC 、杨氏模量EC 、泊松比υC；上述方法中，所述步骤（2）计算换能器长度的方法如下： （1）其中ω: 角频率 (Hz)A: 横截面积 (m2)ρ: 密度 (kg/m3)E: 杨氏模量 (Pa)I: 惯性矩 (m4)k'G: 有效剪切模量υ: 泊松比。 上述方法中，所述步骤（3）中计算换能器弯曲振动时，波腹和波节的位置的方法如下： （2）其中Y为弯曲振动波振幅的位置，X为换能器轴线上任意一点与起始点的距离，所求出Y=max和Y=0时的X值即为换能器上波腹和波节的位置；φ1、φ2、n1、n2与权利要求2中计算φ1、φ2、n1、n2的方法相同；此外需要求出换能器中两处波腹位置，各插入一组（4片）半圆环形状的压电陶瓷。上述方法中，所述步骤（4）中插入压电陶瓷片，修正换能器长度的方法如下： （3）在换能器上的波腹位置插入压电陶瓷，并且每插入2片半圆环厚度lC的压电陶瓷，将换能器的长度减小lM；在两处波腹插入的压电陶瓷其振动方向有90度相位差。上述方法中，所述步骤（5）中计算各级变幅杆长度l1、l2的方法如下：计算中间级变幅杆长度l1的方法如下： （4）计算末级变幅杆长度l2的方法同式（1）：其中φ1、φ2、n1、n2与权利要求2中计算φ1、φ2、n1、n2的方法相同，但对应横截面积A、惯性矩I应替换成变幅杆的尺寸参数。本专利技术用数学语言描述了一种超声椭圆振动切削装置的设计方法。本专利技术的有益效果是：按照专利技术所提设计步骤，可逐步计算出超声椭圆振动切削装置的各项设计参数，制造出一种超声椭圆振动切削装置用于切削加工。附图说明图1为超声椭圆振动切削装置设计方法的流程图。图2为实施例整体装配图。图3为两处波腹位置，各放置一组压电陶瓷的相对位置关系。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此；凡是对本专利技术技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。椭圆振动切削装置，包括：换能器1，中间级变幅杆2，末级变幅杆3，第一组（4片）半圆环压电陶瓷4，第二组（4片）半圆环压电陶瓷5，在末级变幅杆的末端铣平面6。（1）确定装置的工作频率f =20KHz、换能器直径dT=42mm，换能器和变幅杆材料密度ρT =、杨氏模量ET =、泊松比υT =0.3，各级变幅杆的直径d1=36 mm、d2 =30 mm，压电陶瓷片的厚度lC=5mm，压电陶瓷片材料密度ρC =、杨氏模量EC =、泊松比υC =0.3。（2）根据式（1）求解换能器长度lT。满足式（1）成立的lT有无穷多个，由于换能器中至少应有两处波腹，因此当式（1）的解lT按由小到大排列时，应选择第三个或其以上的任意一个解。为使得该装置结构紧凑，故本实施例选择第三个解，lT=144.2mm。（3）根据式（2）计算换能器弯曲振动时波腹和波节的位置。Y=max和Y=0时对应的X值即为换能器上波腹和波节的位置。波腹位置为X=41.6mm，X=91.2mm。（4）在X=41.6mm，X=91.2mm插入压电陶瓷片，按照图3的方式进行放置，根据式（3）修正换能器长度，求得lM=9.6mm。即，每插入2片半圆环厚度为5mm的压电陶瓷片，换能器长度减小9.6mm。（5）计算各级变幅杆长度：中间级变幅杆长度l1根据式（4）求出，为使得该装置结构紧凑，故本实施例选择i=1情况下的值，l1=50mm；末级变幅杆长度l2根据式（1）求出，为使得该装置结构紧凑，故本实施例选择当式（1）的解l2由小到大排列时的第一个解，l2=35.6mm。（6）根据刀具形状，在末级变幅杆的末端铣平面6，如图2所示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声椭圆振动切削装置的设计方法，其特征在于所述设计方法步骤如下：（1）确定椭圆振动切削装置参数：椭圆振动切削装置参数包括：装置的工作频率f、换能器直径dT，换能器和变幅杆材料密度ρT、杨氏模量ET 、泊松比υT，各级变幅杆的直径d1、d2 ，压电陶瓷片的厚度lC，压电陶瓷片材料密度ρC、杨氏模量EC 、泊松比υC；（2）计算换能器长度lT；（3）计算换能器弯曲振动时，波腹和波节的位置；（4）插入压电陶瓷片，修正换能器长度；（5）计算各级变幅杆长度l1、l2；（6）根据刀具形状，在末级变幅杆的末端铣平面。

【技术特征摘要】
1.一种超声椭圆振动切削装置的设计方法，其特征在于所述设计方法步骤如下：（1）确定椭圆振动切削装置参数：椭圆振动切削装置参数包括：装置的工作频率f、换能器直径dT，换能器和变幅杆材料密度ρT、杨氏模量ET 、泊松比υT，各级变幅杆的直径d1、d2 ，压电陶瓷片的厚度lC，压电陶瓷片材料密度ρC、杨氏模量EC 、泊松比υC；（2）计算换能器长度lT；（3）计算换能器弯曲振动时，波腹和波节的位置；（4）插入压电陶瓷片，修正换能器长度；（5）计算各级变幅杆长度l1、l2；（6）根据刀具形状，在末级变幅杆的末端铣平面。2.根据权利要求1所述的一种超声椭圆振动切削装置的设计方法，其特征在于所述步骤（2）中计算换能器长度的方法如下： （1）其中ω: 角频率 (Hz)A: 横截面积 (m2)ρ: 密度 (kg/m3)E: 杨氏模量 (Pa)I: 惯性矩 (m4)k'G: 有效剪切模量υ: 泊松比。3.根据权利要求1所述的一种超声椭圆振动切削装置的设计方法，其特征在于所述步骤（3）中计算换能器弯曲振动时，波腹和波节的位置的方法如下： 根据权利要求1所述的一种超声椭圆振动切削装置的设计方法，其特征在于所述步骤（3）中计算换能器弯曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：余德平，黄玮海，张敏，姚进，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51