一种高频椭圆振动切削系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种高频椭圆振动切削系统及方法，属于超精密加工领域，包括顺次相连的超声电源、功率放大器和椭圆振动子；超声电源用于产生两路幅值和频率可调的高频正弦交流电信号；功率放大器用于接收并增益放大两路高频正弦交流电信号的功率，分别输出弯曲振动激励电信号和纵向振动激励电信号；椭圆振动子用于将接收的弯曲振动激励电信号和纵向振动激励电信号转换为弯曲振动信号和纵向振动信号，在弯曲振动信号和纵向振动信号的复合振动下，实现高频椭圆振动；其中，二阶纵向振动模态和四阶弯曲振动模态的谐振频率一致，且拥有两个重合的驻波节点；且将驻波节点作为安装支撑点。本发明专利技术提升了椭圆振动子高频椭圆振动的稳定性。定性。定性。

【技术实现步骤摘要】
一种高频椭圆振动切削系统及方法


[0001]本专利技术属于超精密加工领域，更具体地，涉及一种高频椭圆振动切削系统 及方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着科技水平的不断进步和快速发展，在光学工程、航空航天领 域、数字存储以及生物医学等诸多领域中，对具有复杂曲面且高质量微结构以 及高使役性能的光学元件的需求越来越大，因而这些领域所要求的加工精度和 质量越来越苛刻。
[0003]大多数光学元件或光学元件注塑模具普遍采用各种机械加工性能比较差的 难加工材料进行制备，如：光学玻璃、碳化硅、单晶硅和陶瓷等硬脆材料，碳 化钨和碳化钛等硬质合金，以及模具钢和不锈钢等黑色金属。同时在光学元件 或光学元件注塑模具切削加工过程中会产生如刀具磨损严重和断裂破坏等诸多 加工缺陷，造成加工精度和表面质量的急剧恶化，进而制约它们在光学元件超 精密制造中的应用拓展。因此，传统的机械加工方式已经远远不能满足现代零 件性能的加工需求。
[0004]为高效高精、低成本的实现难加工材料光学元件的超高精度、极低损伤表 面创成，超声椭圆振动切削技术，通过在刀具上附加椭圆轨迹的运动，使切削 过程发生了根本性的改变，能够实现难加工材料的超精密加工。
[0005]然而，现有的超声振动辅助切削装置存在工作频率低、切削稳定性差、装 置结构复杂以及实用性不高等缺点，如工作频率难以突破40kHz，导致切削效 率不高，现有的超声振动辅助切削装置大多采用单驻点支撑，难以对高频振动 的装置提供可靠的支撑，导致装置工作稳定性较差。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种高频椭圆振动切削系统 及方法，旨在解决现有的高频椭圆振动切削装置采用的驻点支撑方法无法对椭 圆振动子提供可靠的支撑，导致振动子整体的稳定性较差的问题。
[0007]为实现上述目的，一方面，本专利技术提供了一种高频椭圆振动切削系统，包 括顺次相连的超声电源、功率放大器和椭圆振动子；
[0008]超声电源用于产生两路幅值和频率可调的高频正弦交流电信号；其中，高 频正弦交流电信号的频率与椭圆振动子的工作频率一致；
[0009]功率放大器包括弯曲振动功率放大器和纵向振动功率放大器，两者的负极 串联，用于接收并增益放大两路高频正弦交流电信号的功率，分别输出弯曲振 动激励电信号和纵向振动激励电信号；
[0010]椭圆振动子用于将接收的弯曲振动激励电信号和纵向振动激励电信号分别 通过弯曲振动压电陶瓷组和纵向振动压电陶瓷组转换为弯曲振动信号和纵向振 动信号，在弯曲振动信号和纵向振动信号的复合振动下，实现高频椭圆振动；
[0011]其中，二阶纵向振动模态和四阶弯曲振动模态的谐振频率一致，且拥有两 个重合的驻波节点；且将驻波节点作为安装支撑点。
[0012]优选地，高频椭圆振动切削系统还包括控制器，输入端连接椭圆振动子， 输出端连接超声电源；
[0013]用于通过分析椭圆振动子电流的实时幅值变化和相位变化，确定椭圆振动 子的谐振工作点，且进行切削过程中阻抗匹配，根据负载变化改变超声电源的 输出电压，保证工作频率稳定和保持振幅不变。
[0014]优选地，椭圆振动子包括金刚石刀具、超声换能器、紧固螺栓、封装外壳 和DB9接口；
[0015]金刚石刀具安装在超声换能器输出端的装刀槽内；超声换能器用于将接收 的弯曲振动激励电信号和纵向振动激励电信号分别通过弯曲振动压电陶瓷组和 纵向振动压电陶瓷组转换为弯曲振动信号和纵向振动信号，工作在二阶纵向振 动模态和四阶弯曲振动模态，实现两个振动模态的模态简并，且拥有两个重合 的驻波节点，并在驻波节点处设置有驻点安装孔；
[0016]紧固螺栓用于通过驻点支撑螺纹孔，顶至驻点安装孔，将超声换能器紧固 在封装外壳内；
[0017]封装外壳用于在两侧加工有驻点支撑螺纹孔，用于驻点支撑，并且在前后 部开设有槽孔，用于超声换能器和DB9接口的穿过与固定；封装外壳靠近金刚 石刀具的一侧为前部，靠近DB9接口的一侧为后部；
[0018]DB9接口安装于封装外壳上，用于通过导线与超声换能器连接，且通过功 率放大器输出线DB9公头连接功率放大器。
[0019]优选地，超声换能器包括超声变幅杆、压电陶瓷组、端盖和压电检测元件；
[0020]超声变幅杆和压电陶瓷组为中空结构，端盖为阶梯结构，面积小的一端加 工有螺纹，面积大的一端上开设一个驻点安装孔，使用端盖嵌套固定超声变幅 杆和压电陶瓷组；超声变幅杆为圆锥段过渡的阶梯形变幅杆结构，在其输出端 开设有装刀槽；在其圆锥部开设一个驻点安装孔；压电检测元件位于装刀槽与 超声变幅杆的圆锥部之间，包括两片半圆环压电材料；端盖上设置有另一驻点 安装孔；
[0021]压电陶瓷组包括纵向振动压电陶瓷组、弯曲振动压电陶瓷组和电极片；纵 向振动压电陶瓷组包括n片整圆环压电陶瓷，每相邻圆环压电陶瓷间交错两侧 设置有电极片，共有n+1个电极片；弯曲振动压电陶瓷组包括m片半圆环压电 陶瓷，每两个半圆环压电陶瓷构成一个整圆环压电陶瓷，每相邻整圆环压电陶 瓷间交错两侧设置有电极片，共有m/2+1个电极片；弯曲振动压电陶瓷组与纵 向振动压电陶瓷组共有一个电极片；纵向振动压电陶瓷组相邻的两圆环压电陶 瓷相反方向极化；弯曲振动压电陶瓷组中每一个半圆环压电陶瓷与其相邻的半 圆环压电陶瓷按相反方向极化；与压电陶瓷组边缘侧电极片同侧的电极片连接 两功率放大器的公共负极；纵向振动压电陶瓷组中与边缘侧电极片相反侧电极 片连接纵向振动功率放大器的正极；弯曲振动压电陶瓷组中与边缘侧电极片相 反侧电极片连接弯曲振动功率放大器的正极；
[0022]电极片用于将接收的弯曲振动激励电信号和纵向振动激励电信号分别传递 至弯曲振动压电陶瓷组和纵向振动压电陶瓷组；
[0023]压电陶瓷组用于将弯曲振动激励电信号和纵向振动激励电信号转换为弯曲 振动信号和纵向振动信号，在弯曲振动信号和纵向振动信号的复合振动下，实 现金刚石刀具高频椭圆振动；端盖上的驻点安装孔、弯曲振动压电陶瓷组的切 割线、超声变幅杆上的驻点安装孔以及超声变幅杆上的装刀槽位于同一母线上；
[0024]其中，二阶纵向振动模态和四阶弯曲振动模态的谐振频率一致，且共有两 个重合的驻波节点。
[0025]优选地，控制器包括主控CPU单元、电流取样检测电路和功率控制电路；
[0026]电流取样检测电路用于接收椭圆振动子中压电检测元件传递的电流信号； 主控CPU单元用于分析压电检测元件中两片半圆环压电材料的电流变化与相 位差，确定椭圆振动子输出端的谐振工作点，并根据负载变化改变超声电源输 出的高频正弦交流电信号的幅值；
[0027]功率控制电路用于在主控CPU单元的控制下在切削过程中阻抗匹配，稳定 切削过程中的谐振频率。
[0028]优选地，紧固螺栓为球头紧固螺栓，内六角无头部，端部为球头。
[0029]优选地，压电陶瓷组为锆钛酸铅压电陶瓷。
[0030]另一方面，基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高频椭圆振动切削系统，其特征在于，包括顺次相连的超声电源、功率放大器和椭圆振动子；所述超声电源用于产生两路幅值和频率可调的高频正弦交流电信号；其中，所述高频正弦交流电信号的频率与所述椭圆振动子的工作频率一致；所述功率放大器包括弯曲振动功率放大器和纵向振动功率放大器，用于将两路高频正弦交流电信号增益放大，分别输出弯曲振动激励电信号和纵向振动激励电信号；所述椭圆振动子用于将弯曲振动激励电信号和纵向振动激励电信号分别转换为弯曲振动信号和纵向振动信号，在弯曲振动信号和纵向振动信号的复合振动下，实现高频椭圆振动；其中，纵向振动信号中的二阶纵向振动模态和弯曲振动信号中的四阶弯曲振动模态的谐振频率一致，且共有两个重合的驻波节点；两个驻波节点作为安装椭圆振动子的支撑点。2.根据权利要求1所述的高频椭圆振动切削系统，其特征在于，还包括控制器，其输入端连接椭圆振动子，输出端连接超声电源；用于通过分析椭圆振动子电流的实时幅值变化和相位变化，确定椭圆振动子的谐振工作点，且进行切削过程中阻抗匹配，根据负载变化改变超声电源的输出电压，保证工作频率稳定和保持振幅不变。3.根据权利要求1所述的高频椭圆振动切削系统，其特征在于，所述椭圆振动子包括：金刚石刀具、超声换能器、紧固螺栓、封装外壳和DB9接口；所述金刚石刀具安装在所述超声换能器输出端的装刀槽内；所述超声换能器用于将接收的弯曲振动激励电信号和纵向振动激励电信号分别转换为弯曲振动信号和纵向振动信号，工作在二阶纵向振动模态和四阶弯曲振动模态，实现两个振动模态的模态简并，且共有两个重合的驻波节点，并在驻波节点处设置有驻点安装孔；所述紧固螺栓用于通过驻点支撑螺纹孔，顶至驻点安装孔，将超声换能器紧固在封装外壳内；所述封装外壳在两侧加工有驻点支撑螺纹孔，用于驻点支撑，并且在前后部开设有槽孔，用于所述超声换能器和所述DB9接口的穿过与固定；其中，所述封装外壳靠近所述金刚石刀具的一侧为前部，靠近所述DB9接口的一侧为后部；所述DB9接口安装于封装外壳上，用于通过导线与所述超声换能器连接，且通过所述功率放大器输出线DB9公头连接所述功率放大器。4.根据权利要求3所述的高频椭圆振动切削系统，其特征在于，所述超声换能器包括超声变幅杆、压电陶瓷组、端盖和压电检测元件；所述超声变幅杆和压电陶瓷组为中空结构，端盖为阶梯结构，面积小的一端加工有螺纹，面积大的一端上开设一个驻点安装孔，使用端盖嵌套固定超声变幅杆和压电陶瓷组；超声变幅杆为圆锥段过渡的阶梯形变幅杆结构，在其输出端开设有装刀槽；在其圆锥部开设一个驻点安装孔；压电检测元件位于装刀槽与超声变幅杆的圆锥部之间，包括两片半圆环压电材料；端盖上设置有另一驻点安装孔；所述压电陶瓷组包括纵向振动压电陶瓷组、弯曲振动压电陶瓷组和电极片；纵向振动压电陶瓷组包括n片整圆环压电陶瓷，每相邻圆环压电陶瓷间交错两侧设置有电极片；弯曲振动压电陶瓷组包括m片半圆环压电陶瓷，...

【专利技术属性】
技术研发人员：许剑锋，张建国，汪凯，徐少杰，陈肖，肖峻峰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：