一种单激励二维超声椭圆振动加工平台装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及硬脆材料加工技术领域，具体是指一种单激励二维超声椭圆振动加工平台装置及其使用方法。

背景技术

陶瓷、单晶硅、微晶玻璃等硬脆材料具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、耐化学腐蚀、抗氧化以及增韧改性等优良的力学性能。随着科技和工业的发展，制造业向着高性能材料和精密制造等方向发展，一方面对具有优异物理化学及机械性能的硬脆性材料的需求日益增加，另一方面对关键零件的加工精度、加工质量和加工效率提出了更加高的要求。硬脆性材料比如陶瓷、单晶硅、微晶玻璃等材料在光电、航空航天、汽车、生物医学工程、3C数码等领域中应用越来越多。而传统加工技术，由于其自身工艺水平的限制，在对硬脆材料加工时容易产生较大的切削力和切削温度，从而造成关键零件表面质量不达标、面型精度差、加工效率低、刀具寿命低等问题。因此，需要不断探索新的超精密加工技术、方法和工艺，才能满足日益紧迫的先进制造加工行业的要求。

超声椭圆振动加工技术首次是由日本学者社本英二在CIRP国际会议上提出的，他将超声椭圆振动和传统超声加工复合在一起，改变了传统切削加工的去除机制。在椭圆振动切削过程中，刀具与工件和切屑进行周期间歇性的接触和分离，不仅有助于切削力的降低，还有助于切屑的流出。相比普通切削和一维超声振动切削,超声椭圆振动切削具有降低切削力、降低切削温度、减低刀具磨损、抑制毛刺的产生、减小积屑瘤、抑制颤振、提高切削稳定性、降低表面粗糙度、提高加工精度、提高刀具寿命等诸多优点。

很多学者对超声椭圆振动加工进行了研究。这些研究成果对超声椭圆振动在改善难加工材料的加工质量和延长刀具寿命等方面具有重要意义。然而，在研究超声椭圆振动时还是存在一定的空白，主要表现在：(1)以往对于超声椭圆振动铣削铣磨加工的研究多是对主轴或者刀柄进行改造，这会导致机床精度和机床刚性降低。(2)以往设计超声椭圆振动平台多是使用双激励方法使两种振动复合实现，应用单激励方法设计超声椭圆振动平台的研究几乎没有。

在双激励振动平台的设计中多是采用两组压电陶瓷堆的设计，采用纵向振动、扭转振动、弯曲振动和径向振动中两种振动模态复合产生超声椭圆振动，两组压电陶瓷堆的设计会导致整个超声椭圆振动平台的体积增大结构复杂，另外还需要两路超声电源信号进行激励，增大了超声电源设计的难度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种单激励二维超声椭圆振动加工平台装置及其使用方法，实现能够用于硬脆难加工材料加工行业，能够明显提高硬脆材料加工质量及极高地提升其加工效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单激励二维超声椭圆振动加工平台装置，包括超声电源、超声换能器、单激励二维超声椭圆振动平台和夹具；所述超声电源连接所述超声换能器并产生超声频率电信号；所述超声换能器包括端盖、压电陶瓷及电极片，将超声频率电信号转换成超声振动；所述单激励二维超声椭圆振动平台上放置有工件；所述单激励二维超声椭圆振动平台将一维超声振动转换成超声椭圆振动，带动工件产生超声椭圆振动；所述夹具对单激励二维超声椭圆振动平台进行夹持。

在一较佳的实施例中，超声换能器包括第一电极片、第二电极片、第三电极片及第四电极片；所述第一电极片、第二电极片、第三电极片及第四电极片依次设置。

在一较佳的实施例中，所述超声换能器包括第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、第三压电陶瓷及第四压电陶瓷；所述第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、第三压电陶瓷及第四压电陶瓷依次设置。

在一较佳的实施例中，第一电极片、第一压电陶瓷、第二电极片、第二压电陶瓷、第三电极片、第三压电陶瓷、第四压电陶瓷及第四电极片依次设置。

在一较佳的实施例中，所述端盖设置于所述第一电极片背向所述第一压电陶瓷的一面；所述端盖第一电极片、第一压电陶瓷、第二电极片、第二压电陶瓷、第三电极片、第三压电陶瓷、第四压电陶瓷及第四电极片之间通过双头螺栓固定。

在一较佳的实施例中，第二电极片及第四电极片连接所述超声电源。

在一较佳的实施例中，所述单激励二维超声椭圆振动平台上设置有小孔组。

在一较佳的实施例中，所述单激励二维超声椭圆振动平台将从超声换能器传入单激励二维超声椭圆振动平台的大端的超声振动通过单激励二维超声椭圆振动平台上的小孔组将振动模态进行转化，使传入的纵向振动能够转化成纵向和弯曲振动，最终在单激励二维超声椭圆振动平台右端复合形成超声椭圆振动，并带动右端工件实现超声椭圆振动。

在一较佳的实施例中，所述单激励二维超声椭圆振动平台的两侧分别设置有第一限位块及第二限位块；所述夹具沿竖直方向设置有分别与所述第一限位块及第二限位块相平行的第一固定块及第二固定块；还包括第三固定块及第四固定块；所述第一固定块、第一限位块及第三固定块相互之间依次设置且相互平行；所述第二固定块、第二限位块及第四固定块相互之间依次设置且相互平行；通过第一固定螺柱依次穿过所述第一固定块及第三固定块锁紧夹持所述第一限位块；通过第二固定螺柱依次穿过所述第二固定块及第四固定块锁紧夹持所述第二限位块。

本发明提供了一种单激励二维超声椭圆振动加工平台装置的使用方法，包括上述的单激励二维超声椭圆振动加工平台装置，包括以下步骤：

步骤(1)：将工件粘结到单激励二维超声椭圆振动加工平台上；

步骤(2)：组装超声换能器；

步骤(3)：将超声换能器连接至单激励二维超声椭圆振动加工平台上；

步骤(4)：将单激励二维超声椭圆振动加工平台夹紧在夹具上；

步骤(5)：将夹具锁紧在机床工作台上；

步骤(6)：将超声电源与超声换能器的电极片连接；

步骤(7)：打开超声电源，超声电源将超声频率电信号传入超声换能器中，经由超声换能器转换，将超声频率电信号转换成一维超声振动传入单激励二维超声椭圆振动加工平台，单激励二维超声椭圆振动平台对一维超声振动进行转换，转换成二维超声椭圆振动，然后带动工件实现二维超声椭圆振动。

步骤(8)：关闭超声电源，整个装置停止工作。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供了一种单激励二维超声椭圆振动加工平台装置及其使用方法，本套装置由超声电源、超声换能器、单激励二维超声椭圆加工平台和夹具四部分组成；超声换能器包含端盖，压电陶瓷、电极片和双头螺栓；该装置通过超声电源产生超声频率电信号，经过超声换能器的转换转化成超声振动，最后经由单激励二维超声椭圆振动平台的小孔组进行振动模态转化，最后在单激励二维超声椭圆振动平台右端复合形成椭圆振动，同时带动右端上的工件产生椭圆振动，以此来实现二维超声椭圆加工。它具有如下优点：整套装置只需要一组压电陶瓷组，仅需要一路电源信号进行激励，结构简单，制作容易，成本低，并能够用于硬脆难加工材料加工行业，能够明显提高硬脆材料加工质量及极高地提升其加工效率，还可以进一步扩展单激励超声椭圆振动在各领域的应用和推广。

附图说明

图1为本发明优选实施例中单激励二维超声椭圆振动加工平台装置的整体装置俯视示意图；

图2为本发明优选实施例中单激励二维超声椭圆振动加工平台装置的整体装置连接示意图；

图3为本发明优选实施例中单激励二维超声椭圆振动加工平台装置的超声换能器连接示意图；

图4为本发明优选实施例中单激励二维超声椭圆振动加工平台装置的整体装置的加工示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种单激励二维超声椭圆振动加工平台20装置，参考图1中4，包括超声电源50、超声换能器40、单激励二维超声椭圆振动平台和夹具30；所述超声电源50连接所述超声换能器40并产生超声频率电信号；所述超声换能器40包括端盖44、压电陶瓷41及电极片42，将超声频率电信号转换成超声振动；所述单激励二维超声椭圆振动平台上放置有工件10；所述单激励二维超声椭圆振动平台将一维超声振动转换成超声椭圆振动，带动工件10产生超声椭圆振动；所述夹具30对单激励二维超声椭圆振动平台进行夹持。具体来说，所述陶瓷片具体为PZT8陶瓷片。所述超声电源50，是一种能将普通电信号转换为换能器相应的高频加工交流电以驱动换能器进行工作的设备，其具有能监控大功率超声波系统的功率、工作频率的功能，并可以根据不同用户需求，调整各种参数：如振幅、功率、运行时间等。所述夹具30可以稳定固定单激励超声椭圆振动平台，使其加工过程稳定。

超声换能器40包括第一电极片、第二电极片、第三电极片及第四电极片；所述第一电极片、第二电极片、第三电极片及第四电极片依次设置。

所述超声换能器40包括第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、第三压电陶瓷及第四压电陶瓷；所述第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、第三压电陶瓷及第四压电陶瓷依次设置。

第一电极片、第一压电陶瓷、第二电极片、第二压电陶瓷、第三电极片、第三压电陶瓷、第四压电陶瓷及第四电极片依次设置。

所述端盖44设置于所述第一电极片背向所述第一压电陶瓷的一面；所述端盖44第一电极片、第一压电陶瓷、第二电极片、第二压电陶瓷、第三电极片、第三压电陶瓷、第四压电陶瓷及第四电极片之间通过双头螺栓43固定。第二电极片及第四电极片连接所述超声电源50。所述单激励二维超声椭圆振动平台上设置有小孔组。

所述单激励二维超声椭圆振动平台将从超声换能器40传入单激励二维超声椭圆振动平台的大端的超声振动通过单激励二维超声椭圆振动平台上的小孔组将振动模态进行转化，使传入的纵向振动能够转化成纵向和弯曲振动，最终在单激励二维超声椭圆振动平台右端复合形成超声椭圆振动，并带动右端工件10实现超声椭圆振动。

所述单激励二维超声椭圆振动平台的两侧分别设置有第一限位块21及第二限位块22；所述夹具30沿竖直方向设置有分别与所述第一限位块21及第二限位块22相平行的第一固定块31及第二固定块32；还包括第三固定块33及第四固定块34；所述第一固定块31、第一限位块21及第三固定块33相互之间依次设置且相互平行；所述第二固定块32、第二限位块22及第四固定块34相互之间依次设置且相互平行；通过第一固定螺柱依次穿过所述第一固定块31及第三固定块33锁紧夹持所述第一限位块21；通过第二固定螺柱依次穿过所述第二固定块32及第四固定块34锁紧夹持所述第二限位块22。整个单激励二维超声椭圆振动平台搭建完成后，将该平台用夹具30锁紧在机床工作台70上，此时开启超声电源50，整个装置开始工作，然后使用机床刀具60，对工件10进行加工。

一种单激励二维超声椭圆振动加工平台20装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤(1)：将工件10粘结到单激励二维超声椭圆振动加工平台20上；

步骤(2)：组装超声换能器40；

步骤(3)：将超声换能器40使用双头螺栓43连接至单激励二维超声椭圆振动加工平台20上；

步骤(4)：将单激励二维超声椭圆振动加工平台20夹紧在夹具30上；

步骤(5)：将夹具30锁紧在机床工作台70上；

步骤(6)：将超声电源50与超声换能器40的电极片42连接；

步骤(7)：打开超声电源50，超声电源50将超声频率电信号传入超声换能器40中，经由超声换能器40转换，将超声频率电信号转换成一维超声振动传入单激励二维超声椭圆振动加工平台20，单激励二维超声椭圆振动平台对一维超声振动进行转换，转换成二维超声椭圆振动，然后带动工件10实现二维超声椭圆振动；

步骤(8)：关闭超声电源50，整个装置停止工作。

本设计中，在单激励二维超声椭圆振动平台右端复合形成椭圆振动，同时带动右端上的工件10产生椭圆振动，以此来实现二维超声椭圆加工。本发明所述的一种单激励二维超声椭圆加工装置，它具有能显著降低硬脆材料切削力、切削温度、减少刀具磨损增加刀具寿命、保证加工稳定性并且可以通过夹具30尺寸的修改设计来实现不同机床的加工需求等优点。

本发明提供了一种单激励二维超声椭圆振动加工平台20装置及其使用方法，本套装置由超声电源50、超声换能器40、单激励二维超声椭圆加工平台和夹具30四部分组成；超声换能器40包含端盖44，压电陶瓷41、电极片42和双头螺栓43；该装置通过超声电源50产生超声频率电信号，经过超声换能器40的转换转化成超声振动，最后经由单激励二维超声椭圆振动平台的小孔组进行振动模态转化，最后在单激励二维超声椭圆振动平台右端复合形成椭圆振动，同时带动右端上的工件10产生椭圆振动，以此来实现二维超声椭圆加工。它具有如下优点：整套装置只需要一组压电陶瓷组，仅需要一路电源信号进行激励，结构简单，制作容易，成本低，并能够用于硬脆难加工材料加工行业，能够明显提高硬脆材料加工质量及极高地提升其加工效率，还可以进一步扩展单激励超声椭圆振动在各领域的应用和推广。