新型单激励椭圆超声振动切削系统的研究

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1、新型单激励椭圆超声振动切削系统的研究一李华张德远新型单激励椭圆超声振动切削系统的研究李华张德远1．北京航空航天大学，北京，1000832．河南工业大学，郑州，450007摘要：提出了一种新型的单激励纵弯复合椭圆振动切削系统的结构。通过理论分析揭示了实现振动方式转换的机理，提出了实现椭圆振动的条件和结构设计的方法。通过有限元动态数值模拟分析和实验验证了理论分析的结果。关键词：激励；椭圆振动；超声；切削系统中图分类号：TG6文章编号：1004—132(2005)22—1983—04StudyonNewEllipticUltrasonicVibration

2、SystemExcitedbySingleLongitudinalVibrationLiHua·ZhangDeyuan1．BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing，1000832．HenanUniversityofTechnology，Zhengzhou，450007Abstract：Anewellipticultrasonicvibrationsystemdrivenbysinglelongitudinalvibrationwasproposedfirstly．Thevibratio

3、nformtransformingprinciplewasstudiedtheoretically．Theconditionstogettheellipticvibrationandthedesignmethodofthesystemstructurewerealsoproposedbasedonaboveanalyses．TheresultSWereverifiedbymeansofFEAmethod．Keywords：exciting；ellipticvibration；ultrasonic；cuttingsystem0引言截面段的端部安装切削工

4、具。椭圆超声振动切削是近几年出现的一种新型超精密切削加工技术。通过特定的超声波振动系统给刀具施加超声振动，可以使刀具的切削刃在切削过程中附加一个椭圆轨迹的超声频振动。椭圆超声振动的引入使切削过程产生了根本性的变化，带来了一系列优良的工艺效果一。在超精密图1纵弯复合椭圆振动系统结构示意图切削加工、难加工材料的加工和微细加工中有着在换能器的激励下，阶梯形振动杆将产生纵良好的应用前景。向振动，当换能器的谐振频率与阶梯形振动杆椭圆超声振动切削的关键是刀具超声振动系的纵向振动固有频率相同或相近时，整体振动系统的设计。国内外目前采用的方法都是通过给刀统将产生共振

5、。由于开槽部分的槽宽很小，可以具施加两个相互垂直并有一定相位差的振动，在近似认为开槽不影响整体系统的结构参数。刀具的切削刃处合成椭圆振动。这种方法存在着阶梯形振动杆在开出斜槽后，整个杆被分成电路复杂、振动系统结构复杂、体积大、调整困难了三部分：斜槽的左边部分、斜槽右边部分和斜槽和不利于生产应用等缺点。针对这些问题，本文部分。斜槽部分是左右两部分的连接体，如图2提出了一种由单一纵振动源驱动的超声椭圆振动所示。实践表明，当斜槽和阶梯形振动杆的结构切削系统。适当时，阶梯形振动杆的小截面端将产生纵弯复合椭圆振动。在该处安装刀具后，刀具的刀尖将1椭圆振动系统的

6、基本构成作椭圆轨迹运动，即可实现对工件的椭圆振动切系统结构如图1所示。换能器部分采用1／2削加工。图中，z。为斜槽长度，t。为斜槽之间距波长夹心式压电换能器，工具部分是一个半波长离，为斜槽与轴向的夹角。的阶梯形矩形截面振动杆，在大截面段(或小截面2椭圆振动产生的机理分析段)上的一定位置开出一定角度的横向斜槽，在小2．1斜槽实现振动转换的机理收稿日期：200501～28由于斜槽的存在，这一部分的结构被分割成基金项目：“十五”国防预研基金资助项目(儿8、3、3)·】983·中国机械工程第16卷第22期2005年l1月下半月力被分割，作用线不再重合，从而产

7、生了合力偶矩，该合力偶矩的大小与纵向振动同频率、同相位变化。这个周期变化的合力偶矩就是弯曲振动的激励源。图2开出斜槽的阶梯形振动杆显然，图3中。相对于杆的轴线是一横向振若干个倾斜的矩形薄板。斜槽的左右两部分由这动。它与U同频率同相位。横向振动的幅值随矩些与轴线成角倾斜的矩形板相连接，矩形板的形板的厚度￡。、长度z。、倾斜角及其在杆上的位厚度是相临两个槽之间的距离。矩形板的力学模置而变。增大长度、减小板的厚度，使斜槽的位型如图3所示。设板的厚度为￡。．长度为Z。。F。、F。置靠近纵振动的波节点处，有利于增大横向振动分别是板两端所受轴向内力，如图3a所示

8、。的幅值。“(z)2．2纵弯复合椭圆振动产生机理F由上述分析可知，当对开斜槽的阶梯形振动杆施加单一纵向简谐激