超声振动切削技术汇报

0 前言
机械制造业的高速发展使其对于零部件的要求 越来越高。目前提高零件加工精度和经济效益主要 是靠开发新的精密加工技术和釆用高精密的加工设 备。精密机床的设计和制造成本高、周期长，而且 精度的提高受物理因素的制约，在开发中遇到了许 多限制和难题。通过金属切削原理可知，切削过程 中的切削力和切削热对加工精度和质量的影响显著， 可以通过降低切削力和切削热的方式来提高加工精 度和质量。 超声振动切削技术在硬脆性难加工材料加工和 超精密加工中表现出优良的工艺特性，受到国际学 术界和企业界的普遍重视[1]。 日本、 美国、 俄罗斯、 德国、英国、新加坡等国家先后开展超声振动切削 技术的研究，进行了大量的实验分析和应用开发， 取得了较多的研究成果。目前世界对超声振动切削 技术的研究从实验逐步转向应用，实验装置也趋于 实用化。世界各国对超声振动切削技术的研究主要 集中在单刃刀具切削硬脆性难加工材料方面，己取 得丰硕的实验数据和研究成果，在航空航天、超精 密加工、光学器材加工、医学等领域得到一定程度 的应用[2,3,4]。 在超声振动切削技术的基础上，研究基于三并 联压电陶瓷的三维超声振动切削技术。三维超声振 动切削继承了超声振动切削的优点，能够实现微小 尺度范围内对硬脆性材料三维复杂型面的超精密加 工，避免切削引起的自激震荡，更加有效地减小切 削过程中的切削力和切削温度，延长刀具寿命，提 高加工精度和质量。 而且加工后的零件具有抗疲劳、 耐摩擦、耐腐蚀等特性。三维超声振动切削技术可 应用于薄壁类、细长轴类零件，新型复合材料、脆 性材料、超硬材料零件，航空航天精密部件，发动 机工程陶瓷部件，精密仪器部件等的超精密加工。
3.
基座的三维图如图 7 工作头基座的结构图 与三维模型所示。
（2-1）
规定逆时针旋转为正，顺时针为负。动平台转 动变换矩阵欧拉角转动矩阵的齐次坐标形式为
������������������������ = ������������ ∗ ������������ ∗ ������������ （ 2 − 2） 综合平移变换和旋转变换，动平台坐标变换矩 阵的齐次坐标矩阵 T 为
1. 刀具夹头 刀具夹头是三维超声振动切削工作头结构的核 心，也是最复杂的部分，是产生三维超声振动轨迹 的关键。刀具夹头的结构图如图 4 工作头刀具夹头 结构图所示，三维图如图 5 工作头刀具夹头三维模 型所示。
图 2 压电陶瓷片和装配方式
2.3
工作头结构的设计建模
通过对三维超声振动切削工作头的构思，设汁 的结构主要包括刀具夹头、膜片平台、压电陶瓷振 子、基座以及保护外壳等，如（图 3 三维超声振动 切削工作头装配图）所示 三个压电陶瓷振子平行放置在基座上，振子顶 部顶尖嵌入膜片平台上对应的小孔。壳体对压电陶 瓷振子起支撑和保护作用。信号输入线通过壳体上 的接线口接入，驱动压电陶瓷振子产生振动。基座 上对应压电陶瓷振子处开孔，用于安装紧定螺钉， 调节压电陶瓷振子的预紧力。
三维超声振动切削技术的研究
摘要：将在超声振动切削技术的基础上，研究基于三并联压电陶瓷的三维超声振动切削技术，实现微小尺度范围内对硬脆性 材料复杂型面的超精密加工。提出基于三并联压电陶瓷的三维超声振动切削工作头，对工作头结构进行三维建模，完成工作 头机构的运动分析和仿真。利用 ABAQUS 对工作头结构进行动力学分析。研究总结出整体结构宽度尺寸、刀具夹头长度尺 寸、膜片平台凹槽尺寸对工作头结构固有频率的影响。依据分析结果对工作头结构进行优化改善，研制了工作头物理样机。 最后，依靠本实验室的三路超声信号驱动控制电路，对三维超声振动切削系统进行激振实验. 得出三并联压电陶瓷振子不同 振动相位差对刀尖振动轨迹的影响。通过对工作头结构的动力学分析得出工作头结构的工作频率 27-28KMH，为第四阶振型 和第五阶振型。通过模态分析总结出工作头结构的固有频率随结构宽度尺寸的增大而增大，随刀具夹头长度尺寸、膜片平台 凹槽尺寸的增大而减小。压电陶瓷振子激振实验得出单个压电陶瓷振子的振幅约为 1um。 关键词：超声振动切削；超精密加工；压电陶瓷振子；有限元分析；三维振动 中图分类号：TH161
器产生超声频率的电信号传递给换能器，换能器将 电信号转换为同频率的机械振动，机械振动经变幅 杆放大后传递给切削刀具，实现超声振动切削。 1.2 超声振动切削原理
超声振动切削是在普通切削加工的基础上，使 切削刀具以超声频率沿切削方向高速脉冲式往复振 动的切削技术，又称为一维超声振动切削。通过对 切削刀具施加一定频率和振幅的振动，可以改变金 属切削性质，有效地改善切削效果。超声振动切削 的刀具振动方向可以是吃刀抗力方向、主切削力方 向和进给抗力方向，其中主切削力方向的振动切削 效果最好。
图 4 工作头刀具夹头结构图
图 5 工作头刀具夹头三维模型
2.
压电陶瓷振子的三维图如图 6 工作头压电 陶瓷振子三维模型所示。
2.4
运动分析
三维超声振动切削工作头中有三个平行放置的 压电陶瓷振子。对压电振子施加频率相同有一定相 位差的振荡电信号，产生竖直方向的三个振动：
图 6 工作头压电陶瓷振子三维模型
图 7 工作头基座的结构图与三维模型
4.
壳体的三维图如图 8 工作头壳体的结构图 和三维模担所示。
（2-3）
振动过程中各并联振子的长度矩阵在静坐标系 中表示为L = ������′ − ������，矩阵形式为
压电陶瓷振子产生的振动推动膜片平台运动， 从而带动切削刀具产生振动。三组压电陶瓷振子产 生振动的相位差可调，交替的振动使切削刀具在三 维空间产生运动。实际装配时刀具夹头与壳体，壳 体与基座之间分别需要螺钉来紧固。压电陶瓷振子 在装配时，对同轴度的要求较高，应保证其装配精 度。
图 3 三维超声振动切削工作头装配图
1 超声振动切削机理
1.1 超声振动切削系统
三维超声振动切削工作头的结构尺寸需要根据 所选用的切削刀具和压电陶瓷片的尺寸来确定。选 用的切削刀具是美国肯纳公司的系列金刚石刀片。
超声振动切削系统主要由换能器、变幅杆、切 削刀具以及超声信号发生器组成[5]。超声信号发生
图 1 金刚石刀片和尺寸
选用的压电陶瓷片及电极连接方式如（图 1 金 刚石刀片和尺寸）所示。 （图 a，是压电陶瓷片的结 构图， （图 b，所示是压电陶瓷片的装配形式。压电 陶瓷片的外径 D=10，内径 d=5，厚度 S=2mm。需 要选用 6 片压电陶瓷片，每个电振子上装配两片。 选用的压电陶瓷片正反两面渡银，正面标有黑点处 为正极，反面为负极。压电陶瓷相当于电容，每个 压电陶瓷振子中两个压电陶瓷片负极对接，正极在 两端，需要三个电极片。中电极片接负极，两端电 极片接正极。对压电陶瓷片燥接电极时，掉接时间 不能超过 3 秒，电烙铁的功率要小于 20 瓦。
2 三维超声振动切削工作头的设计
三维超声振动切削技术是一种全新的加工方法， 是超声振动切削的特殊形式。这种切削技术可以使 刀具刀尖在三维空Leabharlann Baidu产生振动，实现微小尺度范围 内硬脆性难加工材料三维复杂型面的超精密加工。 2.1 三维超声振动切削工作头的初步构思
对三维超声振动切削工作头的初步构思如图所 示。工作头结构主要由刀具夹头、膜片平台、压电 振子、基座等组成。工作头具有三个并联放置的压 电振子， 每个压电振子由两片压电陶瓷片紧固而成。 基于三并联压电陶瓷的三维超声振动切削工作头的 工作原理，与基于二并联压电陶瓷的超声椭圆振动 切削工作头相类似。三并联压电陶瓷振子产生的超 声振动推动膜片平台运动， 膜片平台的运动包括绕、 轴的转动和沿轴的平移。膜片平台将产生的转动和 移动通过刀具夹头传递给切削刀具，这三个运动的 综合作用使刀具刀尖产生三维空间的振动轨迹[7,8]。 2.2 压电陶瓷片和切削刀具的选用
RESEARCH ON THREE-DIMENSIONAL ULTRASONIC VIBRATION CUTTING TECHNOLOGY
Abstract：Based on ultrasonic vibration cutting technology, three-dimensional ultrasonic vibration cutting technology based on three-parallel piezoelectric ceramics is researched to realize ultra-precision machining of complex surface of hard brittle material in the micro-scale. The three-dimensional ultrasonic vibration cutting head based on three-parallel piezoelectric ceramics is proposed, and the structure of the work head is modeled in three-dimension, and the motion analysis and simulation of the head mechanism is completed. ABAQUS is used to analyze the structure of the working head. The influence of the width of the whole structure, the length of the tool chuck and the groove size of the diaphragm on the natural frequency of the working head are summarized. Based on the analysis results, the work head structure is optimized and the prototype of the working head is developed. Finally, three-way ultrasonic vibration signal is applied to drive the three-dimensional ultrasonic vibration cutting system, and the influence of different vibration phase difference of the three parallel piezoelectric ceramic vibrator on the tip vibration path is obtained. Through the dynamic analysis of the working head structure, the working frequency of the head structure is 27-28KMH, which is the fourth vibration mode and the fifth vibration mode. It is concluded that the natural frequency of the structure increases with the increase of the width of the structure, and decreases with the length of the tool chuck and the size of the groove of the diaphragm. The amplitude of the piezoelectric ceramic vibrator is about 1um. Key words：ultrasonic vibrationultra-precisionning; piezoelectricceramicsvibrator; FEM analysis; three-dimensional vibrate