一种单激励二维超声振动辅助微细加工平台的制作方法

本发明属于特种加工技术中的超声加工技术领域，涉及二维超声振动辅助微细加工领域，特别涉及一种单激励二维超声振动辅助微细加工平台。

背景技术：

近年来，超声加工已被证实是一种具有很强工艺优势的特种加工方法，能够有效降低切削力和切削热，改善工件表面质量和切屑形成，提高加工精度、刀具耐用度和加工稳定性，能够很好的解决难加工材料、非金属材料、表面质量要求高的零件的加工问题，作为新兴的特种加工技术受到了国内外专家和学者的广泛关注。

目前，对于超声振动辅助铣磨加工的研究主要以主轴一维超声振动为主，这种方法需要对主轴进行较大的改动，影响机床主轴固有的较高加工精度，且产生的超声振幅相对较小。对于二维超声振动辅助加工的研究还处于探索阶段，将二维超声振动施加在主轴上还存在许多的技术问题需要解决。因此，将二维超声振动施加在工件上是一种有效的替代方法。通过扭振、纵弯复合是当前实现工件二维振动常用的方法，扭振本身存在单方向振幅较小的缺点，纵弯复合对振动体结构设计具有较高的要求，要求纵振和弯曲模态的频率非常接近。本发明所述的二维超声振动辅助微细加工平台将超声振动施加在两相互垂直振动块上，利用两振动块的纵振耦合实现待加工工件的二维谐振，能够避免对精密机床加工主轴的改造，能够保证机床加工精度。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术中存在的问题，提供了一种单激励二维超声振动辅助微细加工平台，能够将二维超声振动有效的施加到工件上。

本发明采用的技术方案是，一种单激励二维超声振动辅助微细加工平台，包括直角形底板、上振动块、下振动块、直线导轨a和直线导轨b、长支撑板、短支撑板、变幅杆a和变幅杆b、换能器a和换能器b与超声波发生器；直角形底板固定在机床工作台上，上振动块与下振动块分别沿进给和侧吃刀量方向呈相互垂直布置，下振动块的自由端下侧面通过直线导轨b安装在直角形底板上，直线导轨b的导轨方向与下振动块振动方向一致；上、下振动块通过直线导轨a相连接，直线导轨a固定于下振动块的自由端与直线导轨b相对的上侧面，直线导轨a的导轨方向与上振动块振动方向一致；工件通过螺纹连接固定在上振动块的自由端上；

所述上振动块的固定端与变幅杆a、变幅杆a与换能器a之间分别通过双头螺柱连接，两个双头螺柱的中心轴共线；所述下振动块与变幅杆b、变幅杆b与换能器b之间分别通过双头螺柱连接，两个双头螺柱的中心轴共线；变幅杆a和变幅杆b在各自节点位置分别通过长支撑板和短支撑板固定在直角形底板上；所述换能器a与换能器b通过导线与超声波发生器连接，超声波发生器能实现同时输出两个超声信号，进而调节两个超声信号的相位差的功能。通过调节超声发生器输出信号的振幅和相位差，可以根据实际需要耦合出不同的椭圆运动轨迹。

进一步地，所述上振动块和工件的连接整体能够满足频率和振型的设计要求，避免加上工件之后振动块的固有频率偏移较大。工件固定于上振动块的自由端时，工件与上振动块组成的整体尺寸与下振动块的尺寸相同。

进一步地，工件与上振动块保持紧密接触，接触面涂凡士林作为传递介质。

进一步地，所述上、下振动块尺寸为根据谐振频率和阵型优化设计得到，具体为考虑振动块的横振的影响，上、下振动块的固有频率与超声振动频率相差小于100hz，上、下振动块的振型为纵振模态，上、下振动块位移分布较为均匀，且上、下振动块的自由端具有位移最大值。

进一步地，换能器a和变幅杆a组成一组超声振子，换能器b和变幅杆b组成另一组超声振子，两组超声振子的结构完全相同。

进一步地，直线导轨a和直线导轨b皆为采用高精密滚动摩擦直线导轨。

本发明的有益效果是：本发明通过将超声振动分别施加在两个相互垂直的振动块上，利用两振动块的纵振耦合实现待加工工件的二维谐振；所述的振动块尺寸根据谐振频率和阵型优化设计得到，在沿振动块方向上具有较均匀的振幅；使用直线导轨能够有效减小振动传递过程中能量损失；具有相位调节功能的超声发生器方便根据实际需要耦合出不同的椭圆运动轨迹，实现高效率、高精度超声椭圆加工。本发明可以避免对机床主轴进行过多的改动，便可以实现难加工材料二维超声振动辅助加工。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的立体结构示意图；

图2是本发明的沿进给方向的超声振子主视图；

图3是本发明的下振动块与直线导轨连接示意图；

图中：1工件；2上振动块；3直线导轨a；4下振动块；5短支撑板；6变幅杆b；7换能器b；8超声波发生器；9变幅杆a；10长支撑板；11换能器a；12直线导轨b；13直角形底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

一种单激励二维超声振动辅助微细加工平台，如图1，图2和图3所示，本发明实施例包括：直角形底板13，根据谐振频率和阵型优化设计的上振动块2、下振动块4，直线导轨a3和直线导轨b12，长支撑板10，短支撑板5，变幅杆b6和变幅杆a9，换能器b7和换能器a11，超声波发生器8。直角形底板固定在机床工作台上，上振动块2、下振动块4分别沿进给和侧吃刀量方向布置，下振动块4安装在直线导轨上b12，直线导轨b12沿下振动块振动方向固定在底板上，上、下振动块通过直线导轨a3相连接，直线导轨a3沿上振动块的振动方向固定在下振动块末端。工件1通过螺纹连接固定在上振动块2上。

所述上振动块2与变幅杆a9，变幅杆a9与换能器a11之间均采用双头螺柱连接，所述双头螺柱的中心轴共线；所述下振动块4与变幅杆b6，变幅杆b6与换能器b7之间均采用双头螺柱连接，所述双头螺柱的中心轴共线。超声波换能器和超声波变幅杆组成超声振子，两组超声振子的结构和性能完全相同。两组变幅杆通过节点处的支撑板10、5固定在直角形底板13。

所述上、下振动块的尺寸根据谐振频率和振型优化设计得到，考虑振动块的横振对于纵振的影响，振动块的固有频率与所使用的超声振动频率相差小于±100hz，振动块的振型须为纵振模态，振动块上位移分布较为均匀，且振动块末端具有位移最大值，所述上振动块和工件的连接整体能够满足频率和振型的设计要求，避免加上工件之后振动块的固有频率偏移较大。工件使用螺纹连接固定在上振动块的末端，工件侧面与振动块侧面保持紧密接触，必要时可以涂凡士林作为传递介质。

所述换能器a和换能器b通过导线连接与同一个超声波发生器8，超声波发生器能够同时输出两个超声信号，且具有调节两个超声信号的相位差的功能，通过调节超声发生器输出信号的振幅和相位差，可以根据实际需要耦合出不同的椭圆运动轨迹。

本发明工作时，超声波发生器输出的超声频电振荡信号经过超声换能器转换成超声频机械振动，超声换能器辐射面所产生的超声振幅经过变幅杆的聚能和放大作用，在变幅杆的小端能够输出振幅放大的机械振动，超声变幅杆将超声振动的振幅放大并传递给振动块，振动块的固有频率近似等于超声频率，振动块的振型为纵振模态，振动块在超声机械振动的激励作用下带动工件发生超声谐振，工作时，待加工工件固定在上振动块的末端，施加在两相互垂直振动块上的超声振动耦合成平面二维振动，调节超声发生器输出信号的振幅和相位差，可以耦合出不同的椭圆运动轨迹。