超声振动装置及设计方法制造方法及图纸

一种超声振动装置及设计方法，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，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。

【技术实现步骤摘要】
超声振动装置及设计方法
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：(1)本装置可以夹持多种刀具，应对不同工况的加工；(2)通过变幅杆的槽式设计，可以实现共振频率的调节；(3)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。一种超声振动装置，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；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紧固连接。优选的，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。优选的，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。优选的，超声波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优选的，非接触式电能传输装置设计成可分离的轴向环槽式分布结构，固定部分由固定磁芯、固定线圈、原边匹配电路组成；旋转部分由旋转磁芯、旋转线圈、副边匹配电路组成，原边匹配电路接收超声发生器产生的超声频电振荡信号，固定磁芯和旋转磁芯之间的交变磁场使旋转线圈产生相应频率的交变电能，再通过副边匹配电路将电能传递给超声换能器。一种超声振动装置设计方法，第一步，对超声振动辅助加工装置进行总体设计，选定超声频率，设置多刀具夹持、振幅幅值大且大范围可调节、振动性能稳定的设计目标；第二步，设计超声发生器，采用可产生频率15KHz～25KHz的超声电信号的他激振荡方式发生器；第三步，设计非接触式电能传输装置成可分离的轴向环槽式分布结构；固定部分由固定磁芯、固定线圈、原边匹配电路组成；旋转部分由旋转磁芯、旋转线圈、副边匹配电路组成；原边匹配电路接收超声发生器产生的超声频电振荡信号，固定磁芯和旋转磁芯之间的交变磁场使旋转线圈产生相应频率的交变电能，再通过副边匹配电路将电能传递给超声换能器；第四步；设计超声换能器，压电陶瓷选用发射型材料，前盖板选择机械疲劳强度高、声阻抗小且容易加工的硬铝材料，后盖板使用金属材料；第五步，设计超声变幅杆，采用圆锥过渡的复合超声变幅杆，超声变幅杆材料选用金属材料；第六步，对变幅杆各部分进行尺寸计算，利用解析法和有限元方法相结合，先进行理论计算，再进行优化分析。优选的，超声发生器通过51单片机89C51RC来控制信号；单片机提供频率信息后，通过信号产生单元输出高频振荡方波信号，然后经驱动电路传递给功放电路，将信号放大后通过非接触式电能传输单元传递给超声振动单元；单片机通过采集和处理电路中的电压电流信号，来实现对振动频率的跟踪功能，并根据电路信号的处理结果做出相应的决策和控制。优选的，本装置选用的陶瓷片厚度为5mm，功率为6W/(cm3KHz)，压电陶瓷片的数量由如下公式计算：式中，D为压电陶瓷片外径，mm；λ为声波在材料中的波长，mm；C为声波在材料中的传播速度，m/s；f为压电换能器的设计频率，kHz；n为压电陶瓷的数目；P为压电陶瓷换能器的总输出功率，W；Pd指单片压电陶瓷的功率容量，W/(cm3KHz)；V为单个压电陶瓷片的体积，mm3。优选的，超声振动单元是非接触式电能传输单元的负载，等效电路主要分为两部分:一部分由超声振动单元电器部分产生的并联电容C0和并联电阻R0组成,另一部分由机械部分产生的动态电感Lm、动态电容Cm和动态电阻Rm组成；当传输的电能和超声振动单元具有相同频率时，这时动态电感和动态电容的串联阻抗为：jω0Lm+1/jω0Cm＝0；则超声振动单元在谐振状态时的阻抗Z0为：(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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声振动装置，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)、纵向超声振动换能器(9)、超声变幅杆(6)；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紧固连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种超声振动装置，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)、纵向超声振动换能器(9)、超声变幅杆(6)；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紧固连接。


2.根据权利要求1所述的超声振动装置，其特征在于：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。


3.根据权利要求1-2任一项所述的超声振动装置，其特征在于：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。


4.根据权利要求1-3任一项所述的超声振动装置，其特征在于：超声波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。


5.根据权利要求1-4任一项所述的超声振动装置，其特征在于：非接触式电能传输装置设计成可分离的轴向环槽式分布结构，固定部分由固定磁芯、固定线圈、原边匹配电路组成；旋转部分由旋转磁芯、旋转线圈、副边匹配电路组成，原边匹配电路接收超声发生器产生的超声频电振荡信号，固定磁芯和旋转磁芯之间的交变磁场使旋转线圈产生相应频率的交变电能，再通过副边匹配电路将电能传递给超声换能器。


6.一种超声振动装置设计方法，其特征在于：第一步，对超声振动辅助加工装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：佟政阳，陈卫林，丁庆昌，陶悦，
申请(专利权)人：安徽天航机电有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34