一種單激勵超聲橢圓振動無心磨削裝置的制作方法

本發明涉及一種無心磨削裝置，尤其是涉及一種利用單激勵超聲橢圓振動來代替傳統無心磨削加工導輪的無心磨削裝置。

背景技術：
目前，如圖3所示，通常無心磨削在進行外圓磨削時，工件放在主砂輪與導輪之間，由其下方的托板支承，并由導輪帶動旋轉。在傳統無心磨削技術中，為獲得理想的形狀公差、表面精度和較高的加工效率，無心磨床必須具備高剛性、相對較大的砂輪及導輪，并要對導輪的運動進行精確控制。工件加工精度依賴于導輪的圓度及其旋轉精度，高精度的修整技術及高旋轉精度的主軸對于導輪來說必不可少，因此在無心磨床上需要安裝附加的旋轉控制部件及修整裝置等。由于結構的局限，傳統無心磨削設備不適合于直徑小于2mm的微細零件的加工。為了解決傳統無心磨削設備存在的問題，公開號為CN103231287A的發明專利文獻公開了一種無心磨削裝置及其應用原理，其采用四塊壓電陶瓷分為兩組粘接在彈性金屬板上，以驅動彈性金屬板前端粘接的摩擦片進行超聲橢圓，并代替傳統無心磨削設備的導輪，該裝置方法能有效避免由導輪造成的圓度誤差及導輪主軸造成的旋轉誤差，有效提高工件旋轉精度，和保證磨削質量，但是裝置中的橢圓振動需要采用兩組壓電陶瓷片來激發產生具有一定相位差的振動模態，還必須為每組壓電陶瓷片配備一路超聲驅動電源信號，且需要控制各路超聲驅動電源信號之間的相位差，超聲振動系統和控制系統結構復雜，制造難度大、控制難度高、生產成本高、不易實現微型化、工作性能不夠穩定，這些問題制約了其在工業生產中的應用與推廣。

技術實現要素：
本發明提供了一種新型的單激勵超聲橢圓振動無心磨削裝置，目的是為了克服現有超聲橢圓振動無心磨削裝置中存在的不足、簡化結構、降低裝置成本、降低裝置控制難度、提高系統工作穩定性。一種單激勵超聲橢圓振動無心磨削裝置，包括主砂輪、用于支撐工件的托板、殼體單元、置于殼體單元內的超聲振動換能器、橢圓振動模態轉換器、設置在橢圓振動模態轉換器前端的摩擦片、聯接在殼體單元下方的絲杠套、在絲杠套內設置的滾珠絲杠、設置于絲杠套下方的直線導軌、與滾珠絲杠同軸聯接的驅動電機和設置于直線導軌下方的底座。所述的殼體單元包括前擋板、套筒和后擋板；所述的超聲振動換能器整體呈圓柱體，其包括螺栓及依次套設在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板上設置有與殼體單元聯接用的法蘭盤，后蓋板和前蓋板通過螺栓將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯接壓緊，構成了超聲振動換能器的能量轉換部分，可將超聲電源輸出的超聲電信號轉換為超聲振動換能器的縱向超聲振動。所述超聲振動換能器的電極片通過電纜與超聲波電源相連接，所述的與滾珠絲杠同軸聯接的驅動電機為伺服電機或步進電機，用來驅動聯接在絲杠套上方殼體單元內的單激勵超聲橢圓振動系統進行左右移動。所述的橢圓振動模態轉換器和前蓋板制作成一個整體設置在前蓋板的前端，或者將橢圓振動模態轉換器焊接設置在前蓋板的前端。橢圓振動模態轉換器包括直梁和斜梁構成的復合結構，直梁和斜梁垂直于其中心軸線的截面均為矩形，直梁的中心軸線和超聲振動換能器的中心軸線重合，直梁的一端與超聲振動換能器的前蓋板聯接，另一端懸伸；斜梁的一端和超聲振動換能器的前蓋板偏離中心軸線的一側聯接，另一端和直梁的中間部位聯接，斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成0-90度夾角，直梁和斜梁與超聲振動換能器前蓋板的聯接處均為圓弧過渡聯接，斜梁的幾何中心軸線和直梁的幾何中心軸線所形成的平面與待加工工件的軸線相垂直。橢圓振動模態轉換器設置在超聲振動換能器前端后構成的組合件稱為單激勵超聲橢圓振動換能器，橢圓振動模態轉換器為直梁和斜梁復合結構的目的是為了改變單激勵超聲橢圓振動換能器的振動模態，使其縱向振動模態頻率和彎曲振動模態頻率接近或相等；由于斜梁結構的存在，超聲振動換能器產生的縱向超聲振動在傳遞到斜梁后，在斜梁根部分解為一部分縱向振動分量和一部分彎曲振動分量，當斜梁分解的縱向振動分量和彎曲振動分量傳遞到直梁后，和直梁上傳播的縱向振動相復合，最終在直梁末端形成具有一定相位差的縱向振動分量和彎曲振動分量復合的超聲橢圓振動。摩擦片通過焊接、聯接螺釘或壓板機構聯接設置在橢圓振動模態轉換器的前端；當超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態轉換器末端后，轉換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復合的縱彎復合超聲橢圓振動，即轉換為橢圓振動模態轉換器末端的縱彎復合超聲橢圓振動；并驅動摩擦片和橢圓振動模態轉換器末端一起做超聲橢圓振動。超聲振動換能器置于殼體單元內，超聲振動換能器的法蘭盤設置于套筒的上凹止口內，前擋板設置在法蘭盤的另一側，對整個超聲振動換能器起固定作用，后擋板設置在套筒沒有止口的另一端，防止灰塵、鐵屑等雜物進入到殼體單元內，影響超聲振動換能器工作性能；相比現有文獻介紹的超聲橢圓振動無心磨削裝置，該單激勵超聲橢圓振動無心磨削裝置具有結構簡單，制造容易、成本低、結構剛度大、控制驅動系統簡單和振動磨削性能穩定等優點。更進一步，所述的超聲振動換能器只有一組縱向振動壓電陶瓷片。更進一步，所述的超聲振動換能器只需要一路超聲電信號激勵。更進一步，所述的超聲振動換能器的工作頻率范圍為18kHz-40kHz。本發明采用了機械振動模態轉換機理把超聲振動換能器的縱向振動轉換分解為直梁的縱向振動、斜梁的縱向振動和彎曲振動分量，最終在直梁末端合成為縱彎復合超聲橢圓振動，簡化了單激勵超聲橢圓振動無心磨削系統的整體結構，大大降低了振動系統的復雜程度，降低了制造、裝配難度和生產成本；另外該發明僅需要一路控制電路及超聲電源進行激勵，控制難度低，避免了兩相或多相超聲振動復合形成橢圓振動換能器的復雜超聲電源開發費用，簡化了控制電路及超聲電源結構，降低了控制電路及超聲電源成本，易于實現控制電路及超聲電源的集成化，提高了系統工作可靠性，該裝置能有效避免由導輪造成的圓度誤差及導輪主軸造成的旋轉誤差，提高工件旋轉精度，保證磨削質量，工作性能穩定，應用前景廣闊。附圖說明圖1是本發明的結構示意圖。圖2是本發明結構示意圖的俯視圖。圖3是現有普通無心磨削裝置的結構示意圖。圖4是本發明中單激勵超聲橢圓振動換能器的前視圖。圖5是本發明中單激勵超聲橢圓振動換能器的俯視圖。圖6是本發明的應用實例示意圖。圖中標號說明：1.螺栓，2.后蓋板，3.壓電陶瓷片，4.電極片，5.前蓋板，6.法蘭盤，7.橢圓振動模態轉換器，8.摩擦片，9.前擋板，10.工件，11.套筒，12.后擋板，13.主砂輪，14.托板，15.絲杠套，16.滾珠絲杠，17.直線導軌，18.底座，19.驅動電機，20.超聲電源,21.導輪。具體實施方式結合圖1~5所示，一種單激勵超聲橢圓振動無心磨削裝置，包括主砂輪13、用于支撐工件10的托板14、殼體單元、置于殼體單元內的超聲振動換能器、橢圓振動模態轉換器7、設置在橢圓振動模態轉換器7前端的摩擦片8、聯接在殼體單元下方的絲杠套15、在絲杠套15內設置的滾珠絲杠16、設置于絲杠套15下方的直線導軌17、與滾珠絲杠16同軸聯接的驅動電機19和設置于直線導軌17下方的底座18。所述的殼體單元包括前擋板9、套筒11和后擋板12；所述的超聲振動換能器整體呈圓柱體，其包括螺栓1及依次套設在螺栓1上的后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5，前蓋板5上設置有與殼體單元聯接用的法蘭盤6，后蓋板2和前蓋板5通過螺栓1將后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5聯接壓緊，構成了超聲振動換能器的能量轉換部分，可將超聲電源20輸出的超聲電信號轉換為超聲振動換能器的縱向超聲振動。超聲振動換能器只有一組縱向振動壓電陶瓷片3，壓電陶瓷換能器段直徑30mm，壓電陶瓷片3為PZT-8，尺寸為：Ф30×Ф15×5，壓電陶瓷片3的片數為2。所述的與滾珠絲杠16同軸聯接的驅動電機19為伺服電機，通過伺服控制器和變頻器可以驅動聯接在絲杠套15上方殼體單元內的單激勵超聲橢圓振動系統進行左右精密移動。橢圓振動模態轉換器7和前蓋板5制作成一個整體零件設置在前蓋板5的前端，橢圓振動模態轉換器7包括直梁和斜梁構成的復合結構，直梁和斜梁垂直于其中心軸線的截面均為矩形，直梁的中心軸線和超聲振動換能器的中心軸線重合，直梁的一端與超聲振動換能器的前蓋板5聯接，另一端懸伸，截面邊長為12×12mm，長72mm；斜梁的一端和超聲振動換能器的前蓋板5偏離中心軸線的一側聯接，斜梁中心軸線和前蓋板5的聯接處距離前蓋板5的中心軸線距離為25mm，另一端和直梁的中間部位聯接，截面邊長為12×12mm。斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成30夾角，直梁和斜梁與超聲振動換能器前蓋板5的聯接處均為圓弧過渡聯接，過渡圓弧半徑為5mm，斜梁的幾何中心軸線和直梁的幾何中心軸線所形成的平面與待加工工件的軸線相垂直。摩擦片8通過焊接設置在橢圓振動模態轉換器7的前端；當超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態轉換器7末端后，轉換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復合的縱彎復合超聲橢圓振動，即轉換為橢圓振動模態轉換器7末端的縱彎復合超聲橢圓振動；并驅動摩擦片8和橢圓振動模態轉換器7末端一起做超聲橢圓振動。超聲振動換能器置于殼體單元內，超聲振動換能器的法蘭盤6設置于套筒11的上凹止口內，前擋板9設置在法蘭盤6的另一側，對整個超聲振動換能器起固定作用，后擋板12設置在套筒11沒有止口的另一端，超聲振動換能器和橢圓振動模態轉換器7聯接后的固有頻率為19.84KHz，阻抗為83歐姆，動態電阻為19歐姆，超聲電源20輸出電壓范圍為0-400V，電流范圍為0-4A，輸出頻率為19.84±0.01KHz，且超聲電源20在指定頻率范圍內具有自動頻率跟蹤功能。結合圖6所示，在進行無心磨削加工時，超聲振動換能器的電極片4與超聲電源20相連，當超聲振動換能器的電極片4接入超聲電源20輸出的電信號后，由于壓電陶瓷片3的逆壓電效應，壓電陶瓷片3將會產生縱向超聲振動，即超聲振動換能器將超聲電源20輸出的電能轉換為縱向超聲振動，并驅動整個超聲振動換能器系統進行縱向超聲振動，超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態轉換器7末端后，轉換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復合的縱彎復合超聲橢圓振動，即轉換為橢圓振動模態轉換器7末端的縱彎復合超聲橢圓振動；并驅動摩擦片8和橢圓振動模態轉換器7末端一起做超聲橢圓振動。由摩擦片8和托板14支撐工件10，工件10的旋轉運動由工件10與摩擦片8之間的摩擦力控制，工件10圓周速度與摩擦片8接觸處的橢圓振動的線速度相同。在進行磨削實驗中，摩擦片8和相應裝置的高度可以進行粗調和微調，在水平面上圍繞旋轉軸可以進行旋轉調節，通過調節可以保證摩擦片8、托板14、主砂輪13和工件10的正確空間幾何關系。當對超聲振動換能器加載電壓運行10分鐘后，單激勵超聲橢圓振動無心磨削裝置達到穩定振動狀態，此時超聲電源20的穩定輸出電壓為60V，電流為0.8A，使用激光多普勒測振儀測得超聲橢圓振動長短半軸振幅分別為3.9微米和1.2微米，并通過具有李沙育圖形運算功能的雙蹤示波器對激光多普勒測振儀測得的信號進行圖形運算，可以得到長短軸比為3.25的超聲橢圓振動軌跡，完全滿足超聲橢圓振動無心磨削的要求。結合圖1-6所示，本發明是通過單激勵超聲橢圓振動系統來取代傳統無心磨床中導向輪所起的作用，采用了機械振動模態轉換機理把超聲振動換能器的縱向振動轉換分解為直梁的縱向振動、斜梁的縱向振動和彎曲振動分量，最終在直梁末端和摩擦片8端面復合形成縱彎復合超聲橢圓振動，結構簡單，控制難度低，有效降低了制造、裝配難度和生產成本，有效避免由導輪21造成的圓度誤差及導輪21主軸造成的旋轉誤差，提高工件10旋轉精度，保證了無心磨削加工質量。