一种基于柔性铰链的变角度二维超声振动辅助加工平台

摘要

一种基于柔性铰链的变角度二维超声振动辅助加工平台，包括底板和振动块，所述底板通过其上表面设置的环形台与推力轴承的座圈配合，所述振动块通过其下表面设置的圆凸台与推力轴承的轴圈配合，所述底板的上表面沿周向设置有若干法兰座，其中的两个法兰座上分别安装有第一超声振子和第二超声振子，第一超声振子和第二超声振子上的变幅杆分别与振动块紧密贴合，所述底板上表面设置有安装座，安装座的U形槽内安装有第一柔性铰链，第一柔性铰链与振动块紧密贴合。通过第一超声振子和第二超声振子实现工件的二维超声振动加工，避免了对主轴的改造。在底板与振动块之间安装推力轴承，实现了对振动块Z方向的支撑且不影响振动块在XY平面内的振动。

说明书

技术领域

本发明属于超声加工技术领域，具体涉及一种基于柔性铰链的变角度二维超声振动辅助加工平台。

背景技术

自20世纪50年代开始，超声振动辅助加工开始逐渐应用于工业领域，并引起了众多学者极大的注意和兴趣，超声辅助加工技术发展迅速。近年来，在以工程陶瓷为代表的脆硬性材料以及以钛合金为代表的难加工材料的加工技术中都可以看到超声辅助加工技术占到较大比重。超声振动辅助加工技术已被证实较传统加工而言，在降低切削力，降低切削热，提高加工表面质量，降低刀具磨损，提高加工精度等方面具有明确优势。

超声振动辅助铣削作为超声振动辅助加工的一个分支，其研究起步较晚发展较慢。限制于超声振动辅助铣削加工大部分采用对主轴进行改造的方式来实现，其改造费用较高难度较大，同时改造主轴的超声振动方式只能带动较小的刀具或磨头，实际加工中很难满足加工需求，因此从工件振动的角度出发是一种可行的思路。另一方面一维超声振动的研究已经取得了长足的进步，二维甚至三维超声振动成为了研究热点，若采用改造主轴的方式实现二维振动，只能采用纵弯复合振动或纵扭复合振动，其设计研发过程非常复杂，且只能实现固定角度的二维振动。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于柔性铰链的变角度二维超声振动辅助加工平台，包括底板和振动块，所述底板通过其上表面设置的环形台与推力轴承的座圈配合，所述振动块通过其下表面设置的圆凸台与推力轴承的轴圈配合，所述底板的上表面沿周向设置有若干法兰座，其中的两个法兰座上分别安装有第一超声振子和第二超声振子，第一超声振子和第二超声振子上的变幅杆分别与振动块紧密贴合，所述底板上表面设置有安装座，安装座的U形槽内安装有第一柔性铰链，第一柔性铰链与振动块紧密贴合。

所述安装座的内表面为圆弧面，且安装座的内表面沿周向均匀开设有若干U形槽，且若干U型槽所在圆的圆心与振动块的圆心为同一圆心。

所述振动块为变径圆台，振动块的大径端沿周向均匀分布若干第二柔性铰链，其中一部分第二柔性铰链与第一柔性铰链紧密贴合形成复合柔性铰链结构。

所述振动块的大径端为圆形或边数与第二柔性铰链个数对应的正多边形。

所述第一超声振子与第二超声振子结构相同，均包括超声换能器和变幅杆，超声换能器包括换能器外壳，换能器外壳内腔依次设置有后盖、压电陶瓷、铜电极片、前盖及紧固螺栓，所述紧固螺栓依次贯穿后盖、压电陶瓷、铜电极片、前盖后与变幅杆固定连接，在紧固螺栓与后盖之间设置有弹簧垫圈。

所述超声换能器采用夹心式超声换能器，所述变幅杆采用圆锥形过度阶梯变幅杆。

所述变幅杆与振动块上的第二柔性铰链的接触面涂抹蜂蜡作为传递介质。

本发明的有益效果为：

1、通过第一超声振子和第二超声振子实现工件的二维超声振动加工，避免了对主轴的改造。

2、在底板与振动块之间安装推力轴承，实现了对振动块Z方向的支撑且不影响振动块在XY平面内的振动。

3、通过第一柔性铰链结构实现振动块的二维振动耦合，可以在振动块上产生更加符合理论设计的超声振动。

4、通过由第一柔性铰链与第二柔性铰链构成的复合柔性铰链结构，使得在未使用双头螺柱联接超声振子与振动块的情况下，振动块仍能保证振动的往复特性。

5、通过等角度分布的法兰座与柔性铰链结构实现两个超声振子间不同的安装夹角，可以根据加工需求耦合出更多不同的椭圆运动轨迹，实现更高精度及效率的加工，该平台可用于铣削、磨削、钻削的超声辅助加工。

附图说明

图1为本发明基于柔性铰链的变角度二维超声振动辅助加工平台立体结构示意图；

图2为本发明基于柔性铰链的变角度二维超声振动辅助加工平台俯视图；

图3为图2基于柔性铰链的变角度二维超声振动辅助加工平台的A-A剖图示；

图4为基于柔性铰链的变角度二维超声振动辅助加工平台的超声振子结构示意图；

1－底板，2－安装座，3－振动块，4－第一柔性铰链，5－第一超声振子，6－变幅杆，7－法兰座，8－第二柔性铰链，9－固定螺钉，10－第二超声振子，11－推力轴承，12－换能器外壳，13－紧固螺栓，14－弹簧垫圈，15－后盖，16－压电陶瓷，17－铜电极片，18－前盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图4所示，一种基于柔性铰链的变角度二维超声振动辅助加工平台，包括矩形底板1和振动块3，所述底板1通过其上表面设置的环形台与推力轴承11的座圈配合，所述振动块3通过其下表面设置的圆凸台与推力轴承11的轴圈配合，从而实现对振动块3的Z向支撑，同时由于推理轴承并不会限制轴向位移，因此可以实现二维超声振动，所述底板1的上表面沿周向设置有四个法兰座7，其中的两个法兰座7上分别通过固定螺钉9安装有第一超声振子5和第二超声振子10，第一超声振子5为固定超声振子，第二超声振子10为变角度超声振子，第一超声振子5和第二超声振子10上的变幅杆6分别与振动块3紧密贴合，所述底板1上表面设置有安装座2，安装座2的U形槽内安装有第一柔性铰链4，第一柔性铰链4与振动块3紧密贴合，通过将第一超声振子5和第二超声振子10安装于不用角度设置的法兰座7上，实现变角度二维超声振动。

所述安装座2的内表面为圆弧面，且安装座2的内表面沿周向均匀开设有四个U形槽，且四个U型槽所在圆的圆心与振动块3的圆心为同一圆心。

所述振动块3为变径圆台，振动块3的大径端沿周向均匀分布八个第二柔性铰链8，且相邻两个第二柔性铰链8之间的夹角为45°，其中四个第二柔性铰链8分别与四个第一柔性铰链4紧密贴合形成复合柔性铰链结构，该结构可以保证在变幅杆6与振动块3之间无螺栓联接的情况下，实现振动的往复运动特性，同时也保证了振动块3的对称性；另外四个第二柔性铰链8分别与四个法兰座7一一对应设置，当第一超声换能器5固定不动，第二超声换能器10分别安装在三个不同的法兰座7孔中，可以实现两个超声振子之间45°、90°或135°不同夹角的设置，进而实现符合加工要求的更多形状的椭圆曲线。

所述振动块3的大径端为圆形或边数与第二柔性铰链8个数对应的正多边形。

所述第一超声振子5与第二超声振子10结构相同，均包括超声换能器和变幅杆6，所述超声换能器包括换能器外壳12，换能器外壳12内腔依次设置有后盖15、压电陶瓷16、铜电极片17、前盖18及紧固螺栓13，所述紧固螺栓13依次贯穿后盖15、压电陶瓷16、铜电极片17、前盖18后与变幅杆6固定连接，在紧固螺栓13与后盖15之间设置有弹簧垫圈14。

所述超声换能器采用夹心式超声换能器，所述变幅杆6采用圆锥形过度阶梯变幅杆。

所述变幅杆6与振动块3上的第二柔性铰链8的接触面涂抹蜂蜡作为传递介质。

本发明基于柔性铰链的变角度二维超声振动辅助加工平台的使用过程为：

在加工前，首先将底板1通过螺栓直接固定在机床的工作台上，将被加工工件装夹在振动块3的上表面上。首先将两个超声换能器通过导线与超声波发生器(未图示)相连，第一超声振子5和第二超声振子10由同一个超声波发生器提供具有可调相位差的激励信号；启动超声波发生器，超声波发生器将超声信号通过超声换能器转化为超声振动，再通过变幅杆6将超声振动的振幅放大并传递给振动块3，振动块3在第一超声振子5和第二超声振子10的激励下带动工件进行超声振动。通过调节超声波发生器信号的大小与相位差，使振动块3与工件进行满足加工需求的二维椭圆超声振动，此时启动机床主轴，对安装在振动台上的工件进行铣削或磨削加工，即可实现二维超声振动辅助加工。