本發(fā)明涉及到金剛石砂輪和CBN砂輪等密實型超硬砂輪的精密高效修整裝置，尤其是涉及一種利用單激勵超聲橢圓振動的砂輪修整裝置。

背景技術(shù)：
高強度、高硬度密實型砂輪采用傳統(tǒng)的修整方法很難達(dá)到理想的砂輪表面質(zhì)量和修整效率。采用普通修整方法，修整刀具和砂輪磨損快，修整效率低，砂輪表面質(zhì)量無法保證，修整成本高。針對各種硬脆材料加工對象開發(fā)的密實型金剛石砂輪修整技術(shù)，雖然在一定程度上解決了砂輪的修整問題，但仍存在著修整精度和修整效率低或修整設(shè)備昂貴、使用維護(hù)不便等局限性。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、直線超聲電機和旋轉(zhuǎn)超聲電機等領(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。為了克服現(xiàn)有普通修整技術(shù)中存在的不足，并充分發(fā)揮單激勵超聲橢圓振動的優(yōu)勢，公開號為CN102120302A的專利文獻(xiàn)公開了“一種單激勵橢圓超聲振動修整裝置”，提出了一種由圓柱端、矩形連接部分和有斜坡結(jié)構(gòu)振動變換端三段構(gòu)成的復(fù)合型橢圓振動變幅桿。該裝置在一定程度上能夠提高砂輪修整的效果，但是由于該裝置彎曲振動幅值較小，其修整效果提高不夠明顯，為了進(jìn)一步提高單激勵超聲橢圓振動修整效果，充分發(fā)揮單激勵超聲橢圓振動的優(yōu)勢，本發(fā)明研究了一種新型的單激勵超聲橢圓振動砂輪修整裝置。

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砂輪修整裝置，目的是為了克服現(xiàn)有普通修整技術(shù)和現(xiàn)有單激勵超聲橢圓振動修整裝置中存在的不足、降低密實型超硬砂輪的修整成本、提高超聲橢圓振動砂輪修整裝置的工作效率和修整效果。一種單激勵超聲橢圓振動砂輪修整裝置，包括殼體單元、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、設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器前端的金剛石筆、與殼體單元聯(lián)接的支撐架和設(shè)置在支撐架上的高度調(diào)節(jié)裝置；所述的殼體單元包括前擋板、外套筒和后擋板；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(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修整砂輪的軸線在同一平面內(nèi)。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)的目的是為了改變單激勵超聲橢圓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。金剛石筆通過焊接或通過一個聯(lián)接螺釘聯(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)動金剛石筆和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端一起做超聲橢圓振動，由于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修整砂輪的軸線在同一平面上，金剛石筆尖的超聲橢圓振動軌跡也在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內(nèi)。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)置于外套筒的上凹止口內(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)置在外套筒的后側(cè)，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)介紹的單激勵超聲橢圓振動修整裝置，該單激勵超聲橢圓振動修整裝置具有功率容量大、能量轉(zhuǎn)換效率高、彎曲振動幅值大、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)簡單和振動切削性能穩(wěn)定穩(wěn)定等優(yōu)點。另外該發(fā)明變普通金剛石筆尖的螺旋線修整為沿砂輪軸向的高頻超聲橢圓振動軌跡與螺旋線的復(fù)合修整，在單位時間內(nèi)，超聲橢圓振動大幅度提高了金剛石筆尖的運動路徑，并大幅度加寬了單次砂輪修整的寬度，因此可大幅度提高修整效率和砂輪修整質(zhì)量。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)明采用了機械振動模態(tài)轉(zhuǎn)換機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修整系統(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)明結(jié)構(gòu)示意圖的前視圖。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.金剛石筆，9.前擋板，10.外套筒，11.后擋板，12.高度調(diào)節(jié)裝置，13.支撐架，14.超聲電源，15.工件。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砂輪修整裝置包括殼體單元、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、設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7前端的金剛石筆8、與殼體單元聯(lián)接的支撐架13和設(shè)置在支撐架13上的高度調(diào)節(jié)裝置12；殼體單元包括前擋板9、外套筒10和后擋板11；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，將超聲電源14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。金剛石筆8通過焊接設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7的前端，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修整的砂輪軸線在同一平面內(nèi)。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)置于外套筒10的上凹止口內(nèi)，前擋板9通過螺釘和外套筒10聯(lián)接在一起，壓緊在法蘭盤6的另一側(cè)，對整個超聲振動換能器起固定作用，后擋板11通過螺釘聯(lián)接在外套筒10的后側(cè)。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14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14在指定頻率范圍內(nèi)具有自動頻率跟蹤功能。運行時，結(jié)合圖5所示，超聲振動換能器的電極片4與超聲電源14相連，當(dāng)超聲振動換能器的電極片4接入超聲電源14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14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)動金剛石筆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)加載電壓運行10分鐘后，單激勵超聲橢圓振動砂輪修整裝置達(dá)到穩(wěn)定振動狀態(tài)，此時超聲電源14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砂輪精密修整的要求。本發(fā)明適合安裝在精密或超精密磨床上進(jìn)行使用，首先通過支撐架13上的螺釘孔將該單激勵超聲橢圓振動砂輪修整裝置安裝在磨床修整器，通過高度調(diào)節(jié)裝置12調(diào)整其至合適高度，進(jìn)行正確對刀。然后打開超聲電源14，調(diào)整工作頻率，使金剛石筆8處在最佳的超聲橢圓振動狀態(tài)，根據(jù)砂輪修整工藝的需要，設(shè)定修整參數(shù)，即可開始進(jìn)行精密和超精密砂輪修整。另外，超聲電源14具有自動頻率跟蹤功能，在實際修整工作過程中，如果由于修整切削阻力變化等原因，超聲橢圓振動切削系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生了變化，超聲電源14的輸出頻率會隨之變化并保持和修整裝置的固有頻率一致，以便保證單激勵超聲橢圓振動修整裝置始終處于最佳工作狀態(tài)。