本發(fā)明屬于工件表面光整加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用單激勵超聲橢圓振動和機(jī)械往復(fù)運(yùn)動相結(jié)合的拋光裝置。

背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)科技的飛速發(fā)展對工件的表面質(zhì)量提出了更高的要求，工件表面質(zhì)量影響著工件的外觀質(zhì)量和性能壽命，而研磨拋光是模具、工程機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、航空航天工業(yè)中某些關(guān)鍵零件表面加工的重要手段，為了提高研磨拋光的效率和質(zhì)量，公開號為CN101362303A的發(fā)明專利文獻(xiàn)公開了一種機(jī)械往復(fù)與超聲振動復(fù)合的研磨方法，其采用機(jī)械往復(fù)振動和一維超聲振動相疊加的方法驅(qū)動磨頭對工件的表面進(jìn)行研磨，進(jìn)而達(dá)到提高加工效率和加工質(zhì)量的目的，但是由于該方法采用的是一維超聲振動，且機(jī)械往復(fù)和超聲振動在同一方向上，其工具頭只能在一條直線上進(jìn)行拋光，因此在使用過程中，依然存在著拋光效率偏低、研磨拋光的工件表面光潔度不夠均勻的問題。超聲橢圓振動在超聲振動切削、超聲焊接、超聲研磨、超聲拋光、直線超聲電機(jī)和旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)等領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用。目前研究人員大多采用縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動、彎曲振動和徑向振動中的兩種振動形式進(jìn)行復(fù)合來產(chǎn)生超聲橢圓振動，需要采用兩組或兩組以上的壓電陶瓷片來激發(fā)產(chǎn)生具有一定相位差的兩個或多個振動模態(tài)，還必須為每組壓電陶瓷片配備一路超聲驅(qū)動電源信號，且需要控制各路超聲驅(qū)動電源信號之間的相位差，超聲振動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大、控制難度高、生產(chǎn)成本高、不易實現(xiàn)微型化、工作性能不夠穩(wěn)定，這些問題制約了超聲橢圓振動換能器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣。如何克服上述超聲振動拋光技術(shù)和超聲橢圓振動技術(shù)中存在的不足，并利用新型單激勵超聲橢圓振動技術(shù)，提供一種使工具頭實現(xiàn)往復(fù)機(jī)械運(yùn)動和單激勵超聲橢圓軌跡振動的復(fù)合拋光裝置，進(jìn)一步提高拋光效率和工件表面光潔度的均勻性，是本發(fā)明的主要研究內(nèi)容。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種新型的單激勵超聲橢圓振動拋光裝置，目的是為了克服現(xiàn)有超聲振動拋光方法中存在的不足、提高拋光效率和工件表面光潔度的均勻性。一種單激勵超聲橢圓振動拋光裝置，包括包括外套、直線軸承、往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)、殼體單元、置于殼體單元內(nèi)的超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器前端的工具頭。所述的直線軸承支撐在殼體單元和外套之間，直線軸承為滑動直線軸承或滾動直線軸承。所述的殼體單元包括前擋板、內(nèi)套筒和后擋板；所述的往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)一端固定在殼體單元的后擋板上，另一端固定在外套上，往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、偏心輪機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、氣缸或液壓缸往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)。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(shè)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(shè)置有與殼體單元聯(lián)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(lián)接壓緊，構(gòu)成了超聲振動換能器的能量轉(zhuǎn)換部分，可將超聲電源輸出的超聲電信號轉(zhuǎn)換為超聲振動換能器的縱向超聲振動。所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和前蓋板制作成一個整體設(shè)置在前蓋板的前端，或者將橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器焊接設(shè)置在前蓋板的前端。橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器包括直梁和斜梁構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，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，直梁的一端與超聲換能器的前蓋板聯(lián)接，另一端懸伸；斜梁的一端和超聲換能器的前蓋板偏離中心軸線的一側(cè)聯(lián)接，另一端和直梁的中間部位聯(lián)接，斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成0-90度夾角，直梁和斜梁與超聲換能器前蓋板的聯(lián)接處均為圓弧過渡聯(lián)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拋光的工件表面平行。橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)置在超聲振動換能器前端后構(gòu)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(tài)轉(zhuǎn)換器為直梁和斜梁復(fù)合結(jié)構(gòu)的目的是為了改變超聲振動換能器的振動模態(tài)，使其縱向振動模態(tài)頻率和彎曲振動模態(tài)頻率接近或相等；由于斜梁結(jié)構(gòu)的存在，超聲振動換能器產(chǎn)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(dāng)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(fù)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(fù)合的超聲橢圓振動。工具頭通過焊接、聯(lián)接螺釘或壓板機(jī)構(gòu)聯(lián)接設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端；當(dāng)超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動；并驅(qū)動工具頭和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)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(nèi)，超聲振動換能器的法蘭盤設(shè)置于內(nèi)套筒的上凹止口內(nèi)，前擋板設(shè)置在法蘭盤的另一側(cè)，對整個超聲振動換能器起固定作用，后擋板設(shè)置在內(nèi)套筒沒有止口的另一端，防止灰塵、鐵屑等雜物進(jìn)入到殼體單元內(nèi)，影響超聲振動換能器工作性能；相比現(xiàn)有文獻(xiàn)介紹的超聲振動拋光系統(tǒng)，該單激勵超聲橢圓振動拋光裝置具有功率容量大、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單，制造容易、成本低、結(jié)構(gòu)剛度大、控制驅(qū)動系統(tǒng)簡單和振動拋光性能穩(wěn)定穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。另外該發(fā)明變普通一維超聲振動工具頭的直線軌跡拋光為橢圓振動軌跡拋光，在單位時間內(nèi)，橢圓振動軌跡大幅度提高了工具頭的運(yùn)動路徑，并大幅度加寬了單次超聲振動拋光的寬度，因此可有效提高拋光效率和工件表面光潔度的均勻性。更進(jìn)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(jìn)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(jìn)一步，所述的超聲振動換能器的工作頻率范圍為18kHz-40kHz。本發(fā)明采用了機(jī)械振動模態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)理把超聲振動換能器的縱向振動轉(zhuǎn)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(fù)合超聲橢圓振動，簡化了單激勵超聲橢圓振動拋光系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，大大降低了振動系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了制造、裝配難度和生產(chǎn)成本；另外該發(fā)明僅需要一路控制電路及超聲電源進(jìn)行激勵，控制難度低，避免了兩相或多相超聲振動復(fù)合形成橢圓振動換能器的復(fù)雜超聲電源開發(fā)費(fèi)用，簡化了控制電路及超聲電源結(jié)構(gòu)，降低了控制電路及超聲電源成本，易于實現(xiàn)控制電路及超聲電源的集成化，提高了系統(tǒng)工作可靠性，工作性能穩(wěn)定，應(yīng)用前景廣闊。附圖說明圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖。圖3是本發(fā)明中單激勵超聲橢圓振動換能器的前視圖。圖4是本發(fā)明中單激勵超聲橢圓振動換能器的俯視圖。圖5是本發(fā)明的應(yīng)用實例示意圖。圖中標(biāo)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(tài)轉(zhuǎn)換器，8.工具頭，9.前擋板，10.工件，11.內(nèi)套筒，12.直線軸承，13.后擋板，14.往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，15.外套，16.超聲電源。具體實施方式結(jié)合圖1、2、3、4所示，一種單激勵超聲橢圓振動拋光裝置,包括包括外套15、直線軸承12、往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)14、殼體單元、置于殼體單元內(nèi)的超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7和設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7前端的工具頭8。所述的直線軸承12支撐在殼體單元和外套15之間，直線軸承12為滑動直線軸承。所述的往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)14為曲柄滑塊機(jī)構(gòu),其一端固定在殼體單元的后擋板13上，另一端固定在外套15上，往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)14的振幅為6mm。所述的殼體單元包括前擋板9、內(nèi)套筒11和后擋板13；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(shè)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(shè)置有與殼體單元聯(lián)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(lián)接壓緊，構(gòu)成了超聲振動換能器的能量轉(zhuǎn)換部分，可將超聲電源16輸出的超聲電信號轉(zhuǎn)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(shù)為2。橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7和前蓋板5制作成一個整體零件設(shè)置在前蓋板5的前端，橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7包括直梁和斜梁構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，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，直梁的一端與超聲換能器的前蓋板5聯(lián)接，另一端懸伸，截面邊長為12×12mm，長72mm；斜梁的一端和超聲換能器的前蓋板5偏離中心軸線的一側(cè)聯(lián)接，斜梁中心軸線和前蓋板5的聯(lián)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(lián)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，直梁和斜梁與超聲換能器前蓋板5的聯(lián)接處均為圓弧過渡聯(lián)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拋光平面平行。工具頭8通過焊接設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7的前端；當(dāng)超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動；并驅(qū)動工具頭8和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)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(nèi)，超聲振動換能器的法蘭盤6設(shè)置于內(nèi)套筒11的上凹止口內(nèi)，前擋板9設(shè)置在法蘭盤6的另一側(cè)，對整個超聲振動換能器起固定作用，后擋板13設(shè)置在內(nèi)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(tài)轉(zhuǎn)換器7聯(lián)接后的固有頻率為19.84KHz，阻抗為83歐姆，動態(tài)電阻為19歐姆，超聲電源16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16在指定頻率范圍內(nèi)具有自動頻率跟蹤功能。結(jié)合圖5所示，系統(tǒng)運(yùn)行時，超聲振動換能器的電極片4與超聲電源16相連，當(dāng)超聲振動換能器的電極片4接入超聲電源16輸出的電信號后，由于壓電陶瓷片3的逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片3將會產(chǎn)生縱向超聲振動，即超聲振動換能器將超聲電源16輸出的電能轉(zhuǎn)換為縱向超聲振動，并驅(qū)動整個超聲振動換能器系統(tǒng)進(jìn)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(tài)轉(zhuǎn)換器7末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動；并驅(qū)動工具頭8和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7末端一起做超聲橢圓振動。當(dāng)加載電壓運(yùn)行10分鐘后，單激勵超聲橢圓振動拋光裝置達(dá)到穩(wěn)定振動狀態(tài)，此時超聲電源16的穩(wěn)定輸出電壓為220V，電流為1.35A，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14.3微米和5.2微米，并通過具有李沙育圖形運(yùn)算功能的雙蹤示波器對激光多普勒測振儀測得的信號進(jìn)行圖形運(yùn)算，可以得到長短軸比為2.73的超聲橢圓振動軌跡，完全滿足超聲橢圓振動拋光的要求。當(dāng)往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)14和單激勵超聲橢圓狀振動系統(tǒng)同時驅(qū)動工具頭8進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動工作時，工具頭8的運(yùn)動拋光面積較一維超聲超聲裝置提高了5倍左右，且表面光潔度的均勻性也提高了50%。