[發明專利]一種基于二維振動的用于大型零件加工的單向超聲振動平臺及其操作方法

有效

• 申請號: 201911052135.1
• 申請日: 2019-10-31
• 公開（公告）號: CN110899077B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 丁文鋒;曹洋;陳玉榮;蘇宏華;徐九華;傅玉燦;趙正彩;楊長勇;陳燕;張全利
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 曹翠珍

1.一種基于二維振動的用于大型零件加工的單向超聲振動平臺，其特征在于，利用兩個方向的振動耦合效應在超聲平臺中心形成單向大范圍均勻振動區域，超聲平臺的組成包括二維多孔超聲振動平臺、固定支腳、超聲波換能器；

二維多孔超聲振動平臺水平放置，固定支腳安裝在二維多空超聲振動平臺正反兩面相同波節點位置；基于表觀彈性模量法，二維多孔超聲振動平臺長度、寬度、頻率之間應滿足以下條件：

n₁n₂＝1

其中l_x、l_y分別表示平板長度、寬度，f為超聲振動頻率，ρ為平板材料密度，n為耦合系數，v為泊松比，E為材料彈性模量；通過需要的平臺長度l_x、諧振頻率f、可計算平臺寬度l_y，通過平臺長度、寬度、超聲頻率三者之間的協同設計實現二維波的耦合；

在超聲振動平臺上利用兩個方向的振動合成單一方向超聲平臺中心區域均勻的超聲振動；

超聲波換能器依次由超聲波變幅桿、壓電陶瓷、后蓋板組成；二維多孔超聲振動平臺側面沿著中軸線連接超聲波換能器，超聲波換能器使用預緊螺栓將后蓋板、壓電陶瓷和超聲波變幅桿壓緊，超聲變幅桿前邊安裝雙頭螺柱連接至二維多孔超聲振動平臺；

二維多孔超聲振動平臺表面均勻分布貫通性的螺紋孔；

貫通螺紋孔滿足：

(1)在孔徑為0-12mm且大于0范圍內，平板中心區域的振幅達到最大值；

(2)平板開孔后頻率改變量小于未開孔諧振頻率的1/20；

(3)孔之間的距離為20mm；

在二維多孔超聲振動平臺中心區域的螺紋孔之間分布等距凹槽，凹槽的方向平行于上述安裝超聲波換能器的中軸線；

所述的凹槽的長度、寬度、深度滿足以下條件：

(1)凹槽的長度等于中心縱振區域長度；

(2)凹槽的寬度為2mm；

(3)凹槽深度滿足：①、凹槽的深度盡量大，可以最大程度減弱y軸振動；②、增加凹槽后平板z方向振幅增量小于未增加凹槽平板z軸振幅的1/20；

(4)每個凹槽之間的間距l等于孔之間的間距；

(5)中心區域凹槽的數量n滿足，nl＝L,其中，L為平板y軸方向半波長。

2.根據權利要求1所述的基于二維振動的用于大型零件加工的單向超聲振動平臺，其特征在于，所述的螺紋孔按照縱向、橫向等距離排布，直徑相等。

3.權利要求1所述的基于二維振動的用于大型零件加工的單向超聲振動平臺的操作方法，其特征在于，步驟如下：

(1)、固定支腳通過螺紋固定在二維多孔超聲振動平臺正反兩個面上相同的波節點位置，壓板作用于支腳位置將二維多孔超聲振動平臺固定在機床上；將工件固定在二維多孔超聲振動平臺的中心區域，工件的長度、寬度不超過中心縱振區域；

(2)、超聲波電源發出超聲頻率震蕩信號經過超聲波換能器轉換成正弦變化機械位移，產生沿著壓電陶瓷厚度方向的縱向超聲振動；

(3)、超聲振動通過圓錐型變幅桿振幅被放大，驅動二維多孔超聲振動平臺機械振動；

(4)、二維多孔超聲振動平臺上設有縱向的凹槽和縱橫方向遍布的貫通性螺紋孔；

(5)、諧振條件下，橫縱波的耦合疊加在二維多孔超聲振動平臺中心區域形成單向振動均勻的超聲振動，平臺中心區域產生單一的縱向振動，被固定在二維多孔超聲振動平臺的中心區域的工件上產生單一縱向振動；

(6)、調節超聲電源輸出電壓可以調節工件的振幅。