專利名稱：搖頭式超聲振動鉆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的搖頭式超聲振動鉆，屬超聲振動鉆領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電鉆適用于對金屬、塑料、木材及其他材料的鉆孔，在先進(jìn)制造中是一種基 本工具。目前，電鉆的基本動力幾乎都是傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，電磁電機(jī)產(chǎn)生的磁場 對一些精密儀器有不良影響，電磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速限制了其在高速電鉆領(lǐng)域的應(yīng)用和 推廣，在日益小型化方面的不足也需要其他動力源來補(bǔ)充。而目前研究的超聲振 動鉆主要有在切削方向形成橢圓運(yùn)動在實(shí)現(xiàn)切削和超聲低頻振動組合沖擊鉆孔 系統(tǒng)。但是在精密加工中這種靠振動沖擊切削的鉆對硬度較大、脆性的材料具有 較好的效果，對韌性比較好的材料效果就很差，加工精密度較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于研制一種定子直接驅(qū)動，無需軸承、潤滑，結(jié)構(gòu)簡單，高 速，可以實(shí)現(xiàn)精密加工的超聲振動鉆。
本發(fā)明的搖頭式超聲振動鉆，包括定子組件、轉(zhuǎn)子和鉆頭，其特征在于所 述定子組件包括第一定子體、第二定子體、定子板和壓電陶瓷環(huán)，其中壓電陶瓷 環(huán)安裝在定子板上，夾持在第一定子體和第二定子體之間，并通過中心螺桿將第 一定子體、壓電陶瓷環(huán)、定子板和第二定子體壓緊連成一整體；所述壓電陶瓷環(huán) 表面鍍有均勻分區(qū)的4個扇形電極；所述轉(zhuǎn)子為棒狀定子桿，棒狀定子桿底部與 第二定子體端部相連，棒狀定子桿端部與鉆頭相連。
壓電陶瓷環(huán)的電極分區(qū)數(shù)為4。
壓電陶瓷環(huán)經(jīng)扇形電極輸入驅(qū)動電信號，相位差為90度，激振模態(tài)為Bnl 其中，B表示彎曲振動；第一個下標(biāo)表示彎曲振動的節(jié)圓數(shù)；第二個下標(biāo)表示彎 曲振動的節(jié)徑數(shù)；n=0， 1， 2， 3…的自然數(shù)，下同。壓電陶瓷環(huán)產(chǎn)生超聲振動， 激發(fā)第一、第二兩個定子體產(chǎn)生環(huán)周向行波；第二定子體上的環(huán)周向行波帶動與 第二定子體相連的定子桿產(chǎn)生搖頭運(yùn)動，經(jīng)過定子桿的放大，從而在定子桿端部
實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削。
這種搖頭式超聲振動鉆與一般的超聲振動鉆不同，利用壓電陶瓷存在相位差 的兩相振動合成定子桿的搖頭運(yùn)動，進(jìn)行定子直接驅(qū)動，無需軸承、潤滑，結(jié)構(gòu)
簡單，轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘百萬轉(zhuǎn)以上。刀具回轉(zhuǎn)半徑在微米級，自動將進(jìn)刀量 控制在微米級，可以實(shí)現(xiàn)精密加工，使操作更安全。應(yīng)用前景廣闊，尤其在韌性
材料的精密加工上有很大的應(yīng)用前景。


圖1是搖頭式超聲振動鉆的壓電陶瓷結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是行波驅(qū)動下定子桿的搖頭動作示意圖。 圖3是搖頭式超聲振動鉆組成示意圖。 圖4是鉆頭和定子表面的運(yùn)動狀態(tài)示意圖。 注圖中均以陶瓷環(huán)n-4均勾扇形電極分區(qū)為例說明。 圖1中標(biāo)號名稱1扇形電極(E-—Vcos(cot))， 2扇形電極(E-Vsin(cot))， 3扇形電極(E=Vcos (cot))， 4扇形電極(E=—Vsin ( t)); X、 Y為直角坐標(biāo)。 圖3中標(biāo)號及符號名稱5中心螺桿，6第一定子體，7壓電陶瓷，8定子板 (法蘭盤)，9第二定子體，IO定子桿。
圖4中標(biāo)號名稱11. 12. 13. 14是鉆頭和定子表面的運(yùn)動狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)圖1至圖4所示的以壓電陶瓷環(huán)4個扇形電極分區(qū)為例說明搖頭式 超聲振動鉆工作原理及具體實(shí)施方式
。
如圖l至圖4所示，本發(fā)明的搖頭式超聲振動鉆，主要由定子組件、轉(zhuǎn)子和 鉆頭組成，其特征在于所述定子組件是將一軸向單向極化的壓電陶瓷環(huán)7固定 在定子板8上，定子板8起法蘭盤的作用，定子板8兩側(cè)以第一、第二定子體6、 9壓緊，提供一定的預(yù)壓力，壓電陶瓷環(huán)7表面分別鍍有均勻分區(qū)的4個扇形電 極；所述定子桿是棒形轉(zhuǎn)子，底部固定在第二定子體端部中心附近，定子桿端部 連接有鉆頭。
壓電陶瓷環(huán)經(jīng)扇形電極輸入驅(qū)動電信號產(chǎn)生超聲振動，激發(fā)上定子體產(chǎn)生 B(n模態(tài)的超聲振動(B表示彎曲振動；第一個下標(biāo)表示彎曲振動的節(jié)圓數(shù)；第 二個下標(biāo)表示彎曲振動的節(jié)徑數(shù)。)；相鄰的兩個區(qū)相位差為90度，產(chǎn)生以B01 模態(tài)形成沿定子體周向的行波；第二定子體上的環(huán)周向行波帶動與第二定子體端 部相連的定子桿產(chǎn)生搖頭運(yùn)動，經(jīng)過定子桿的放大，從而在定子桿端部實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn) 切削。
結(jié)構(gòu)設(shè)計原則
1、 由壓電陶瓷環(huán)的逆壓電效應(yīng)激發(fā)出定子體的Bnl (n=0， 1， 2， 3… 的自然數(shù))；
2、 壓電陶瓷電極分區(qū)應(yīng)為4，相鄰區(qū)域相位差90度，以確?？梢约ぐl(fā) .出上定子體的行波；
3、 定子桿在第二定子體端部的中心位置附近:。
權(quán)利要求
1、一種搖頭式超聲振動鉆，包括定子組件、轉(zhuǎn)子和鉆頭，其特征在于所述定子組件包括第一定子體(6)、第二定子體(9)、定子板(8)和壓電陶瓷環(huán)(7)，其中壓電陶瓷環(huán)(7)安裝在定子板(8)上，夾持在第一定子體(6)和第二定子體(9)之間，并通過中心螺桿(5)將第一定子體(6)、壓電陶瓷環(huán)(7)、定子板(8)和第二定子體(9)壓緊連成一整體；所述壓電陶瓷環(huán)(7)表面鍍有均勻分區(qū)的4個扇形電極(1，2，3，4)；所述轉(zhuǎn)子為棒狀定子桿(10)，棒狀定子桿(10)底部與第二定子體(9)端部相連，棒狀定子桿(10)端部與鉆頭相連。
2、 一種如權(quán)利要求1所述的搖頭式超聲振動鉆的激勵方式，其特征在于 壓電陶瓷環(huán)(7)經(jīng)均勻分區(qū)的4個扇形電極(1， 2， 3， 4)輸入驅(qū)動電信號， 相位差為90度，激振模態(tài)為n個節(jié)圓、 一個節(jié)徑的彎曲振動，產(chǎn)生超聲振動， 激發(fā)上第一、第二兩個定子體(6， 9)的環(huán)面產(chǎn)生周向行波；第二定子體(9) 上的周向行波帶動與定子體(9)端部相連的定子桿(10)產(chǎn)生搖頭運(yùn)動，從而 在定子桿端部實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削，其中，n=0， 1， 2， 3…的自然數(shù)。
全文摘要
一種搖頭式超聲振動鉆，屬超聲振動鉆領(lǐng)域。它由定子組件、轉(zhuǎn)子和鉆頭構(gòu)成。定子組件包括第一定子體(6)、第二定子體(9)、定子板(8)以及固定在定子板上的軸向單向極化極化壓電陶瓷環(huán)(7)，轉(zhuǎn)子為與第二定子體端部連接的棒狀定子桿。壓電陶瓷環(huán)表面鍍有沿周向均勻分區(qū)的扇形電極。驅(qū)動信號經(jīng)不同扇形電極供給壓電陶瓷環(huán)，使定子體產(chǎn)生周向行波以驅(qū)動定子桿的搖頭運(yùn)動，在定子桿端部實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削。該超聲振動鉆定子桿直接驅(qū)動，定子桿端部實(shí)現(xiàn)微米幅度的搖頭運(yùn)動，得到旋轉(zhuǎn)切削力，效率高、精確加工、安全可靠。
文檔編號H02N2/00GK101179233SQ20071013518
公開日2008年5月14日 申請日期2007年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月7日
發(fā)明者丁慶軍, 趙淳生, 金家楣 申請人:南京航空航天大學(xué)