超声振动辅助加工装置及其超声变幅杆的设计方法制造方法及图纸

一种超声振动辅助加工装置及其超声变幅杆的设计方法，对变幅杆使用槽式变截面设计，加强对共振频率的调节能力，并且可以夹持多种刀具；压电式换能器提高能量传输效率，结合超声发生器的频率自动跟踪技术，从而设计一种面向多种工况的超声振动辅助加工装置。基于实际工况，对超声振动装置提出加工性能要求，完成装置的总体布局设计；然后，对装置的重要部件进行选型分析和具体设计，主要有基于弹性理论设计公式，完成对压电换能器和超声变幅杆的结构设计以及具体尺寸参数计算，并考虑声学阻抗、需用应力等因素对各部件进行材料选择。

【技术实现步骤摘要】
超声振动辅助加工装置及其超声变幅杆的设计方法
本申请涉及超声振动辅助加工技术，结合超声振动技术，将传统的连续加工转化为周期性的脉冲加工。
技术介绍
近年来，航空航天等领域发展迅速，复合材料、硬质合金、钛合金等材料的应用越来越广泛。由于这类材料存在硬度大、强度高、热传导率低等特性，采用传统的机械加工会引起切削力过大、切削区域切削热过高等问题，从而导致机床振动、刀具磨损以及切屑粘结，最终使表面质量和形位公差难以满足要求。为进一步提高关键零件的机械加工质量，急需提出一种新的加工方法。超声振动辅助加工技术是在传统加工工艺的基础上，结合超声振动技术，将传统的连续加工转化为周期性的脉冲加工。这种技术由于其独特的材料去除方法，拥有切削力小、切削温度低、刀具使用寿命长等优点，并且断屑和排屑效果良好。因此，本申请提出设计一个超声振动辅助钻铣装置，用以解决硬质合金、复合材料等难加工材料在加工过程中产生的表面质量差、形位精度低、产生毛刺多等问题。主要创新点如下：本装置可以夹持多种刀具，应对不同工况的加工；通过变幅杆的槽式设计，可以实现共振频率的调节；超声电源可以实现频率的自动跟踪功能。
技术实现思路
本申请针对如上这些问题，对变幅杆使用槽式变截面设计，加强对共振频率的调节能力，并且可以夹持多种刀具；压电式换能器提高能量传输效率，结合超声发生器的频率自动跟踪技术，从而设计一种面向多种工况的超声振动辅助加工装置。(1)面向多工况的超声振动装置总体设计为了实现超声振动系统辅助下复合材料、钛合金、硬质合金等难加工材料的精密加工，需要研制出一套面向多工况的超声振动装置。首先，针对各类难加工材料的特性，分别调研出面向多工况的加工方案，从而对超声振动装置提出总体的性能要求；然后，根据性能要求分别进行超声发生器、换能器和变幅杆等关键部件初步设计；最后，考虑各关键部件之间的空间布局和功能匹配，对超声振动装置内部构件进行合理布局，完成总体设计。(2)超声振动装置关键部件的设计与匹配在总体设计的基础上，为了保障超声振动系统的稳定工作状态，要继续对关键部件进行详细设计。首先，根据振动传播频率确定压电陶瓷片的尺寸，同时考虑设计功率计算压电陶瓷片的数量，完成换能器的设计；然后，考虑多工具的装夹设计变幅杆空心槽配重液体结构，实现振子质量稳定，同时考虑振幅调节范围，对各截面的尺寸进行设计，满足幅值的变化要求，完成变幅杆的设计；最后，建立超声振动装置的有限元模型，结合振动理论和材料特性，对超声振动辅助装置进行仿真分析，并与理论计算结果进行比较。为了解决复合材料、硬质合金等难加工材料在机械加工时产生的切削力大、切削温度高、加工精度低等问题，本申请设计一种超声振动辅助钻铣装置，主要对三个方面进行了研究：首先，基于实际工况，对超声振动装置提出加工性能要求，完成装置的总体布局设计；然后，对装置的重要部件进行选型分析和具体设计，主要有基于弹性理论设计公式，完成对压电换能器和超声变幅杆的结构设计以及具体尺寸参数计算，并考虑声学阻抗、需用应力等因素对各部件进行材料选择；最后，基于ABAQUS有限元软件对换能器和变幅杆进行仿真分析，主要包括模态分析、瞬态分析和静力学分析，并将仿真结果与理论计算结果进行对比分析。本申请主要成果如下：(1)超声振动装置采用纵向振动设计，频率为20KHz；超声电源具有频率扫描和自动跟踪功能，结合非接触式电能传输部件，为整个加工装置提供稳定可靠的能量驱动。(2)压电换能器后盖板、压电陶瓷、前盖板分别选用了45钢、PZT-8、硬铝材料，具有良好的压电转化特性和轴向位移输出；超声变幅杆设计成圆锥过渡式复合变幅杆，并在变幅杆末端进行槽式设计，不仅具有较大的放大倍数，也能够通过调整槽中配重液体修正谐振频率。(3)基于ABAQUS的仿真结果，超声振动刀柄具有良好的振动状态，固有频率与设计频率之间误差为2.2％，说明装置设计的合理性。图1为超声振动辅助装置总体和关键部位结构示意图；图2为超声发生器结构框图；图3为非接触式电能传输装置示意图；图4为超声振动单元的等效电路；图5为几种超声换能器；图6为换能器简化模型；图7为几种变幅杆；图8为复合变幅杆；图9为两段复合变幅杆；图10为换能器与变幅杆双头螺柱连接图；图11为换能器前30阶模态特征值输出；图12为换能器第9阶模态位移云图；图13为压电换能器瞬态分析边界条件图；图14为压电陶瓷在电压激励下的形变；图15为变幅杆模态分析特征值输出结果；图16为变幅杆第14阶模态位移云图；图17为变幅杆的应力云图；图18为超声振动刀柄装配图；图19为刀柄的四种模态图；图20为频率差和变幅杆关键参数拟合图；附图标记：超声振动辅助加工装置主轴1、机床主轴2、抱箍3、安装筒4、套筒5、超声变幅杆6、双头螺柱7、超声无线电能传输系统8、纵向超声振动换能器9、预紧螺栓10、压电陶瓷片11、上环形槽12、上圆柱段13、安装盘14、中圆锥段15、下圆锥段16、下卡槽17具体实施方式本申请将设计一个频率为20KHz、实现多刀具夹持、振幅幅值大且大范围可调节、振动性能稳定的超声振动辅助加工装置。如图1所示，包括超声振动辅助加工装置主轴1、超声波电源、超声无线电能传输系统8、纵向超声振动换能器9、超声变幅杆6等各类连接装置。机床主轴2的动力输出端垂直向下设置，机床主轴2、安装筒、套筒、变幅杆和刀具具有同一条回转中心线，机床主轴下端与安装筒4上端同轴连接，安装筒下部伸出主轴外壳，套筒上部套在主轴外壳下部，套筒上部外侧通过抱箍3与主轴外壳下部紧固连接，超声无线电能传输系统8可拆卸连接在套筒5下端和安装筒上部外侧之间，纵向超声振动换能器9设置在安装筒内，超声变幅杆6上端通过双头螺柱7与纵向超声振动换能器下端同轴向固定连接，变幅杆上设有安装盘14，法兰盘通过安装螺栓固定连接在安装筒的下端面，刀具上端通用弹性夹头安装变幅杆下端部，压紧螺母套在刀具的刀杆外并与变幅杆下端外部螺纹紧固连接。超声振动换能器自上而下依次设置有四层压电陶瓷片11，顶部通过预紧螺栓10压紧四层压电陶瓷片，压电陶瓷片外侧连接有电极片，电极片与导线连接，换能器下侧部开设有上环形槽12。超声变幅杆包括自上而下依次设置的上圆柱段13、中圆锥段15和下圆锥段16，上圆柱段侧部开设有下卡槽17，安装盘设置在上圆柱段的外部，并且下圆柱段进行槽式设计，结合配重液体对装置进行振动频率的调节。由于超声振动装置在面对不同工况时，切削力变化很大，这就导致振子系统的谐振频率也发生变化。为了方便精确控制和调整超声发生频率，本装置采用他激振荡方式发生器，可产生频率15KHz～25KHz的超声电信号。由于本装置在工作时需要面对不同加工方式和加工材料，并且夹持不同刀具，为了使设计的超声发生器能够满足使用要求，除了具有常规超声发生器的信号产生和功率放大的功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声振动辅助加工装置的超声变幅杆的设计方法，其特征在于：变幅杆为三段复合变幅杆，第I段与第III段为等截面杆，第II段为圆锥过渡的变截面杆；换能器前盖板和变幅杆输入端具有相同直径，并且变幅杆输出端直径不能过大和过小，应是输入端直径的三分之一左右；在谐振状态下，变截面纵振的波动方程为：/n

【技术特征摘要】
1.一种超声振动辅助加工装置的超声变幅杆的设计方法，其特征在于：变幅杆为三段复合变幅杆，第I段与第III段为等截面杆，第II段为圆锥过渡的变截面杆；换能器前盖板和变幅杆输入端具有相同直径，并且变幅杆输出端直径不能过大和过小，应是输入端直径的三分之一左右；在谐振状态下，变截面纵振的波动方程为：



式中，S是变幅杆横截面函数，ξ是质点位移函数，k是圆波数；
则三段变幅杆的截面面积函数为：



式中，l1，l2，l3分别是各段变幅杆的长度，a是形状因数：



其中N是面积系数：



将各截面的面积函数代入到波动方程中，推导出复合变幅杆的位移分布函数，为后续施加边界条件求解做准备：



式中，ξ1为变幅杆大端位移,并且：



a3＝N[cos(kl2)-tanα2sin(kl2)]



代入边界条件ξ1|x＝0＝0，求解第一段位移方程得：



代入边界条件并且联立公式，可得到一个关于未知数l2的余弦函数和一次函数的等式方程；利用泰勒展开式，将余弦函数展开成二次项，可得到关于l2的一元二次方程；求解得：
l2＝40.17mm；
联立位移方程，可推导出第II段和第III段复合杆的频率方程为：



代入上述已知数据，求解得：
l3＝56.3mm；
放大系数M：



代入上述已知数据，求解得：M＝18.16。


2.一种超声振动辅助加工装置，其特征在于：包括超声振动辅助加工装置主轴(1)、超声波电源、超声无线电能传输系统(8)、超声振动换能器(9)、利用权利要求1的设计方法设计的超声变幅杆(6)、连接装置；机床主轴(2)的动力输出端垂直向下设置，机床主轴(2)、安装筒、套筒、变幅杆和刀具具有同一条回转中心线，机床主轴下端与安装筒(4)上端同轴连接，安装筒下部伸...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴敏，陈卫林，陈冒风，于家祥，
申请(专利权)人：安徽天航机电有限公司，国营芜湖机械厂，
类型：发明
国别省市：安徽;34