基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置及钻削方法与流程

1.本发明属于钻削设备技术领域，涉及一种基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置及钻削方法。


背景技术：

2.20世纪90年代，日本学者社本英而提出了超声椭圆振动切削技术。与普通切削相比不同的是超声椭圆振动是在切削平面做椭圆形状的二维振动，并产生了一系列优良的切削效果。大量研究表明：与普通的切削相比，刀具的超声椭圆振动通过减小实际切屑厚度、摩擦力反向效应以及变切削角度/速度特性，可以明显的减小加工缺陷、切削力并提高脆性材料的塑脆转变深度，同时将可加工材料的固有特性对加工性能的影响降到最低从而显著提高加工效率和表面加工质量完整性，并提高刀具的使用寿命以及加工系统的稳定性。
3.由于二维超声振动在加工难加工材料上所表现的优良特性，不少学者开始探索将超声椭圆振动与其他的加工方式相结合。超声椭圆振动钻削的加工方式也得到了广泛的研究，同时超声椭圆振动钻削中轨迹对加工质量的影响也得到了重视。研究表明，超声椭圆振动钻削相比于单一的超声振动钻削（纵向振动、扭转振动钻削），对钻削性能改善的更为明显。但对于超声椭圆振动钻削的研究中，主要是通过变幅杆的设计来改变钻削的轨迹，这一方法的缺点在于生成的轨迹局限于所设计的变幅杆，不能精确控制生成的轨迹。


技术实现要素：

4.本发明提出一种基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置。
5.本发明解决技术问题所采用的方案是，一种基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置，包括机床本体、安装在机床本体上用于驱动刀具的进给单元、用于固定工件的夹具单元，所述夹具单元包括底座、安装在底座上的振动工作台、安装在振动工作台上的夹具，所述振动工作台旁侧设置有超声椭圆振动组件，所述超声椭圆振动组件包括超声波发生器、安装在振动工作台左侧或右侧的横向纵振换能器、安装在振动工作台前侧或后侧的纵向纵振换能器，超声波发生器分别经导波带连接横向纵振换能器、纵向纵振换能器，超声波发生器分别给横向纵振换能器、纵向纵振换能器输入频率相同存在相位差的高频正弦激励，使得横向纵振换能器、纵向纵振换能器产生纵向振动。
6.进一步的，所述横向纵振换能器、纵向纵振换能器均为全波长纵振换能器。
7.进一步的，所述全波长纵振换能器中间隔分布着若干铜电极与压电陶瓷片，压电陶瓷相邻两端面的极性相同，横向纵振换能器、纵向纵振换能器经导波带连接振动工作台，由于其逆压电效应，将超声波发生器的电信号转换为机械振动，并利用导波带传输振动给振动工作台。
8.进一步的，所述进给单元通过锥柄与机床主轴锥孔配合，锥柄通过拉钉的牵引作用将进给单元安装在机床主轴上，锥柄的下方固定安装有与其同轴心的转轴，转轴下端安装有转轴弹簧夹头、螺母，刀具上端通用弹性夹头安装在转轴下端，螺母套设在刀具上并通
过螺母锁固，压紧螺母与转轴下端外部螺纹紧固连。
9.一种超声椭圆振动钻削方法：进给单元带动其上的刀具对振动工作台上的工件进行加工，通过超声波发生器分别给横向纵振换能器、纵向纵振换能器输入频率相同存在相位差的高频正弦激励，使得横向纵振换能器、纵向纵振换能器产生纵向振动，纵向纵振换能器激励振动工作台纵振模态，横向纵振换能器激励振动工作台产生同频率的弯振模态，且两个方向的振动耦合到夹具上形成椭圆轨迹。
10.进一步的，通过改变超声波发生器发出的两个方向的相位差改变椭圆轨迹。
11.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：结构简单，设计合理，操作使用方便，在原有的普通钻削的基础上，于工件上施加椭圆振动，并通过控制超声波发生器控制振幅以及频率等实现对振动轨迹的精确控制，进而改善钻孔的加工质量。
附图说明
12.下面结合附图对本发明专利进一步说明。
13.图1为本装置的结构示意图。
14.图2为超声椭圆振动组件的结构示意图。
15.图中：1
‑
拉钉；2
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锥柄；3
‑
转轴；4
‑
弹簧夹头；5
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螺母；6
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刀具；7
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振动工作台；8
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底座；9
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纵向纵振换能器；10
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导波带；11
‑
超声波发生器；12
‑
横向纵振换能器。
具体实施方式
16.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
17.如图1
‑
2所示，一种基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置，包括机床本体、安装在机床本体上用于驱动刀具的进给单元、用于固定工件的夹具单元，所述夹具单元包括底座8、安装在底座上的振动工作台7、安装在振动工作台上的夹具，所述振动工作台旁侧设置有超声椭圆振动组件，所述超声椭圆振动组件包括超声波发生器11、安装在振动工作台左侧或右侧的横向纵振换能器12、安装在振动工作台前侧或后侧的纵向纵振换能器9，超声波发生器分别经导波带10连接横向纵振换能器、纵向纵振换能器，超声波发生器分别给横向纵振换能器、纵向纵振换能器输入频率相同存在相位差的高频正弦激励，使得横向纵振换能器、纵向纵振换能器产生纵向振动，所述导波带是一种具有传声的媒介，在非传声方向上具有弱耦合特性，使得两个导波带在传声的正交方向上耦合效率高，因此可以激励夹具在工作台上产生纵振模态和弯振模态。
18.在本实施例中，所述横向纵振换能器、纵向纵振换能器均为全波长纵振换能器。
19.在本实施例中，所述全波长纵振换能器包括换能器本体，换能器本体前后端分别设置有前盖板、后盖板，前盖板、后盖板经连接螺杆相连接，前盖板、后盖板之间间隔分布着若干铜电极与压电陶瓷片，前盖板、后盖板通过连接螺杆提供预紧压紧铜电极与压电陶瓷片，压电陶瓷相邻两端面的极性相同，横向纵振换能器、纵向纵振换能器经导波带连接振动工作台，由于其逆压电效应，将超声波发生器的电信号转换为机械振动，并利用导波带传输振动给振动工作台。
20.在本实施例中，所述进给单元通过锥柄2与机床主轴锥孔配合，锥柄通过拉钉1的牵引作用将进给单元安装在机床主轴上，锥柄的下方固定安装有与其同轴心的转轴3，转轴
下端安装有转轴弹簧夹头4、螺母5，刀具6上端通用弹性夹头安装在转轴下端，螺母套设在刀具上并通过螺母锁固，压紧螺母与转轴下端外部螺纹紧固连。
21.一种超声椭圆振动钻削方法：进给单元带动其上的刀具对振动工作台上的工件进行加工，通过超声波发生器分别给横向纵振换能器、纵向纵振换能器输入频率相同存在相位差的高频正弦激励，使得横向纵振换能器、纵向纵振换能器产生纵向振动，纵向纵振换能器激励振动工作台纵振模态，横向纵振换能器激励振动工作台产生同频率的弯振模态，且两个方向的振动耦合到夹具上形成椭圆轨迹。
22.在本实施例中，通过改变超声波发生器发出的两个方向的相位差改变椭圆轨迹，以精确控制椭圆轨迹，进而实现良好的加工效果。
23.本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
24.在本专利的描述中，需要理解的是，术语
“ꢀ
纵向”、
“ꢀ
横向”、
“ꢀ
上”、
“ꢀ
下”、
“ꢀ
前”、
“ꢀ
后”、
“ꢀ
左”、
“ꢀ
右”、
“ꢀ
竖直”、
“ꢀ
水平”、
“ꢀ
顶”、
“ꢀ
底”、
“ꢀ
内”、
“ꢀ
外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
25.上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置，包括机床本体、安装在机床本体上用于驱动刀具的进给单元、用于固定工件的夹具单元，其特征在于：所述夹具单元包括底座、安装在底座上的振动工作台、安装在振动工作台上的夹具，所述振动工作台旁侧设置有超声椭圆振动组件，所述超声椭圆振动组件包括超声波发生器、安装在振动工作台左侧或右侧的横向纵振换能器、安装在振动工作台前侧或后侧的纵向纵振换能器，超声波发生器分别经导波带连接横向纵振换能器、纵向纵振换能器，超声波发生器分别给横向纵振换能器、纵向纵振换能器输入频率相同存在相位差的高频正弦激励，使得横向纵振换能器、纵向纵振换能器产生纵向振动。2.根据权利要求1所述的基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置，其特征在于：所述横向纵振换能器、纵向纵振换能器均为全波长纵振换能器。3.根据权利要求2所述的基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置，其特征在于：所述全波长纵振换能器中间隔分布着若干铜电极与压电陶瓷片，压电陶瓷相邻两端面的极性相同，横向纵振换能器、纵向纵振换能器经导波带连接振动工作台，由于其逆压电效应，将超声波发生器的电信号转换为机械振动，并利用导波带传输振动给振动工作台。4.根据权利要求1所述的基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置，其特征在于：所述进给单元通过锥柄与机床主轴锥孔配合，锥柄通过拉钉的牵引作用将进给单元安装在机床主轴上，锥柄的下方固定安装有与其同轴心的转轴，转轴下端安装有转轴弹簧夹头、螺母，刀具上端通用弹性夹头安装在转轴下端，螺母套设在刀具上并通过螺母锁固，压紧螺母与转轴下端外部螺纹紧固连。5.一种超声椭圆振动钻削方法，采用如权利要求3所述的基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置，其特征在于：进给单元带动其上的刀具对振动工作台上的工件进行加工，通过超声波发生器分别给横向纵振换能器、纵向纵振换能器输入频率相同存在相位差的高频正弦激励，使得横向纵振换能器、纵向纵振换能器产生纵向振动，纵向纵振换能器激励振动工作台纵振模态，横向纵振换能器激励振动工作台产生同频率的弯振模态，且两个方向的振动耦合到夹具上形成椭圆轨迹。6.根据权利要求5所述的超声椭圆振动钻削方法，其特征在于：通过改变超声波发生器发出的两个方向的相位差改变椭圆轨迹。
技术总结
本发明涉及一种基于工件二维振动的超声椭圆振动钻削装置及钻削方法，包括机床本体、安进给单元、夹具单元，夹具单元包括底座、安装在底座上的振动工作台、安装在振动工作台上的夹具，振动工作台旁侧设置有超声椭圆振动组件，超声椭圆振动组件包括超声波发生器、横向纵振换能器、安纵向纵振换能器，超声波发生器分别经导波带连接横向纵振换能器、纵向纵振换能器，超声波发生器分别给横向纵振换能器、纵向纵振换能器输入频率相同存在相位差的高频正弦激励，使得横向纵振换能器、纵向纵振换能器产生纵向振动，本发装置于工件上施加椭圆振动，并通过控制超声波发生器控制振幅以及频率等实现对振动轨迹的精确控制，进而改善钻孔的加工质量。加工质量。加工质量。


技术研发人员：朱兆聚 孙鑫辉 高楚航 朱云祺 何炳蔚
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：2021.04.25
技术公布日：2021/6/29