本发明专利技术涉及一种轨迹可调整的椭圆超声振动辅助切削装置，由换能器、变幅杆、刀具组成。换能器采用纵向振动夹心式压电片的基本结构，具有半圆环形压电陶瓷片和电极片的间隔叠加结构，偏轴式悬链线变幅结构等回转非对称特征结构，在输出纵向振动的同时激发、强化弯曲振动。变幅杆为等截面圆柱杆，和前盖板之间相对角度可调。刀具在变幅杆末端径向偏置安装，且偏置程度可作调整。本发明专利技术工作频率高于２０ｋＨｚ，可较好达到超声加工效果；椭圆切削轨迹长、短轴比例合理，可充分发挥椭圆切削优势；椭圆轨迹可做调整，可更好地适应不同加工材料、不同切削用量的加工，有望将单点金刚石超精密切削拓展至铁基材料和光学脆硬材料的加工。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种超精密加工功能部件，特别是关于一种轨迹可调整的椭圆超声振 动辅助切削装置。
技术介绍
在超精密加工领域中，单点金刚石切削技术(Single Point Diamond Turning, SPDT)是一项具有革新意义的技术。SPDT采用刃口钝圆半径为50nm或更小的单晶金刚石 刀具，配用相应的超精密加工机床及数控系统，可切削加工各种复杂的平面、球面及非球曲 面，切削深度在5 μ m以内，一次切削可获得面形精度< 0. 5 μ m，表面粗糙度Ra < IOnm的超精镜面。但是，现有的SDPT局限于高纯度无氧铜、无硅铝合金、 非电解镍等少数有色金属， 极少用于铁基材料和光学硬脆材料的切削。SDPT难以加工铁基材料，是因为加工过程中 碳铁原子之间有剧烈的热_化学磨损，同时机械磨损和破损严重，导致切削无法持续进行； SDPT难以加工光学脆硬材料，是因为加工过程中工件表面极易崩碎和脆裂，且转化为塑性 切削的工艺条件难以控制，导致加工表面质量很差。引入超声振动辅助切削，有望将SDPT拓展至铁基材料和光学脆硬材料的加工，具 有较大的学术价值和经济效益。超声振动辅助切削是指通过外加驱动机构(通常为压电材 料)把一个额外的高频微幅振动引入到了刀具和工件间的原有相对运动中，使切削力、切 削速度、切削深度等切削用量产生规律的脉冲变化。通常振动频率在20kHz以上，振幅在1 至10 μ m。超声振动辅助切削可达到减小切削力、切削热，显著减少刀具磨损，提高加工质量 和效率的目的。超声辅助切削的关键性硬件是使刀具产生超声振动的驱动装置。较常见的一种装 置是直线式振动切削装置，它具有结构简单可靠、设计制作容易等优点，但它最大的缺点是 振动切削轨迹为直线，使得刀具后刀面与工件加工表面高频往复摩擦，承受交变拉压应力， 导致疲劳崩刃。较新颖的一种是椭圆式振动切削装置。它将刀尖振动轨迹从直线变成了椭圆，可 避免后刀面与已加工表面的接触，进一步减少了刀具磨损；同时还使前刀面与切屑间产生 有益摩擦，帮助排屑。椭圆切削装置的两个关键指标是工作频率和椭圆轨迹希望工作频率 尽可能高，以确保超声切削的效果；希望椭圆轨迹可灵活调整，以适应不同的加工材料和切 削用量。现有的椭圆式振动切削装置，按工作频率，可划分为谐振式和非谐振式；按激励源 数量，可划分为多激励源式和单激励源式。这几种装置各有优缺点，其中，谐振式装置具有 工作频率高、超声加工效果好的优点，应用更多，但它的椭圆轨迹难以调整；而非谐振式装 置尽管工作频率不高，但频率范围、椭圆轨迹一般可调整，占有了部分份额；单激励源式装 置具有简化换能器结构、简化功率电源，提高工作稳定性、降低成本等显著优点，但现有单 激励源装置产生的椭圆轨迹一般很扁，短轴不到长轴20%，尚未充分发挥椭圆切削的优势； 而多激励源式装置虽然结构复杂、设计制作繁琐，但因为椭圆的长、短轴独立激励产生，长、短轴比例合理，尚不能被单激励源装置取代。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术目的是提出一种轨迹可调整的谐振式、单激励源椭圆超声 振动辅助切削装置。它具有谐振式、单激励源式切削装置的固有优势；同时，它还能实现椭 圆轨迹可调整、椭圆轨迹长短轴比例合理，也兼顾了非谐振式、多激励源装置的优点。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案一种轨迹可调整的椭圆超声振动辅 助切削装置，它包括换能器、变幅杆、刀具三部分，所述换能器由一后盖板、一带有绝缘套 皮的预紧螺栓、一半圆环形垫片、两半圆环形压电陶瓷片、三半圆环形电极片、一前盖板组 成，自所述前盖板顶面中心沿轴向开设有上连接螺纹孔，且在所述前盖板上端设置有半圆 环形上凸台，所述前盖板中间部位设置有法兰盘，在所述前盖板的下端、与所述上凸台相同 的一侧设置有悬链线式变幅结构，所述悬链线式变幅结构的下截面圆直径为上截面圆的 0. 55 0. 65，自所述前盖板底面中心沿轴向开设有下连接螺纹孔，所述上连接螺纹孔和下 连接螺纹孔的中心线偏离，且所述下连接螺纹孔中心线的延长线与所述半圆环形电极片圆 心至弧顶的连线相交；所述前盖板通过所述预紧螺栓连接在后盖板的下部，在所述前盖板 上凸台与后盖板之间夹设有所述垫片；所述两半圆环形压电陶瓷片和三半圆环形电极片沿 后盖板轴向间隔设置在后盖板下方、与所述上凸台对应的低台处，其中两半圆环形压电陶 瓷片沿轴向极化，且极化方向相反，三半圆环形电极片间采用并联电路，中间的一电极片接 正极，其余两个接负极，三半圆环形电极片的接线柱都设置在半圆环形电极片的弧顶处；所 述变幅杆为一等截面圆柱体结构，在所述圆柱体顶部开设有螺柱螺纹孔、底部开设有U型 平底槽，所述变幅杆通过螺柱/垫片组合连接到前盖板的底部，所述变幅杆的U型平底槽中 安装所述刀具。所述压电陶瓷片最佳厚为5mm，所述电极片最佳厚为0. 2mm。所述变幅杆截面圆与所述前盖板的底面圆直径相等。所述螺柱/垫片组合采用梯形螺纹，配做若干组总长相等、零件长度不等的螺柱/ 垫片组合，不同的螺柱/垫片组合使所述刀具刀尖沿径向在0 360°范围调整不同的回转 角度。所述刀具顶面和所述变幅杆U型平底槽底面贴紧，所述刀具两侧面与所述变幅杆 U型平底槽两侧面钎焊。配做若干长度不等的所述变幅杆，使所述刀具刀尖沿变幅杆轴向处于纵向振动振 幅不同的位置。本专利技术由于采取以上方案，其具有以下优点1、本专利技术由换能器、变幅杆、刀具三 部分组成，换能器采用纵向振动夹心式压电片的基本结构；换能器中的压电陶瓷片为半圆 环状，在士90°回转角度内输出纵向振动，同时激发弯曲振动；换能器中的前盖板采用悬 链线式变幅结构，并采用偏轴式设计，进一步激发和强化弯曲振动；变幅杆为等截面圆柱 杆，和前盖板之间的相对角度可由不同的螺柱/垫片组合来调整；配做系列变幅杆，长度可 调；刀具安装于变幅杆末端，为径向偏置式安装，且偏置程度可变化。这些特征结构使得装 置可实现椭圆式切削，并且椭圆轨迹可调，长、短轴比例可调，可充分发挥椭圆切削优势。2、 本专利技术为谐振式椭圆切削装置，切削工作频率高于20kHz，超声加工效果更好。3、本专利技术换能器为单激励源驱动，夹心式压电片结构，结构相对简单，技术成熟，成本可控，工作稳定可 靠，便于工业推广应用。4、本专利技术装置将显著降低刀具磨损，大幅提高加工表面质量，有望 将单点金刚石超精密切削拓展至铁基材料和光学脆硬材料的加工。附图说明 图1为本专利技术总体外观2为本专利技术换能器剖面3为本专利技术换能器分解示意4为本专利技术变幅杆、刀具剖面5为本专利技术变幅杆、刀具分解6A 6D为本专利技术工作时的四种具体工作模式示意图具体实施例方式本专利技术装置的原型结构采用纵向振动的夹心式压电换能器，这是一种谐振式、单 激励源的直线式振动装置。传统的纵向振动夹心式换能器为对称性回转结构，但实际工作 时，具有纵向振动、扭转振动和弯曲振动三种形式。如果换能器存在非对称回转结构，则弯 曲振动将被激发，形成纵弯复合振动，输出椭圆轨迹。基于这种原理，已有的研究提出了椭 圆切削装置，但他们的非对称回转结构主要通过刀具偏置实现，回转非对称特征不明显且 无法调整，导致弯曲振动激发不充分，输出椭圆轨迹较“扁”，且轨迹无法改变。因此，本专利技术在此基础上改变了原有换能器和变幅杆的结构，设置了一系列本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种轨迹可调整的椭圆超声振动辅助切削装置，它包括换能器、变幅杆、刀具三部分；其特征在于：所述换能器由一后盖板、一带有绝缘套皮的预紧螺栓、一半圆环形垫片、两半圆环形压电陶瓷片、三半圆环形电极片、一前盖板组成，自所述前盖板顶面中心沿轴向开设有上连接螺纹孔，且在所述前盖板上端设置有半圆环形上凸台，所述前盖板中间部位设置有法兰盘，在所述前盖板的下端、与所述上凸台相同的一侧设置有悬链线式变幅结构，所述悬链线式变幅结构的下截面圆直径为上截面圆的０．５５～０．６５，自所述前盖板底面中心沿轴向开设有下连接螺纹孔，所述上连接螺纹孔和下连接螺纹孔的中心线偏离，且所述下连接螺纹孔中心线的延长线与所述半圆环形电极片圆心至弧顶的连线相交；所述前盖板通过所述预紧螺栓连接在后盖板的下部，在所述前盖板上凸台与后盖板之间夹设有所述垫片；所述两半圆环形压电陶瓷片和三半圆环形电极片沿后盖板轴向间隔设置在后盖板下方、与所述上凸台对应的低台处，其中两半圆环形压电陶瓷片沿轴向极化，且极化方向相反，三半圆环形电极片间采用并联电路，中间的一电极片接正极，其余两个接负极，三半圆环形电极片的接线柱都设置在半圆环形电极片的弧顶处；所述变幅杆为一等截面圆柱体结构，在所述圆柱体顶部开设有螺柱螺纹孔、底部开设有Ｕ型平底槽，所述变幅杆通过螺柱／垫片组合连接到前盖板的底部，所述变幅杆的Ｕ型平底槽中安装所述刀具。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，谢晓丹，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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