CN103128605A - 一种超声加工刀柄 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种超声加工刀柄，包括刀柄和换能器，所述换能器一端设置于所述刀柄内部，所述刀柄外侧设置有电磁转换装置，所述换能器包括变幅杆、压电陶瓷、压板和预紧螺栓，所述预紧螺栓依次连接所述压板、所述压电陶瓷和所述变幅杆，所述变幅杆与所述刀柄通过端盖紧固连接。本发明提出的超声加工刀柄在进行机加工的时候，可同时进行高速旋转和轴向振动两个方向的运动，从而提高加工效率、减小切削力以及提高表面加工质量。

Description

一种超声加工刀柄

技术领域

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种超声加工刀柄。

背景技术

超声加工技术是最适合加工硬脆材料的加工方法之一，他是在磨削加工的基础上，借助超声振动的方法去除工件上的被加工材料。超声加工可强化和改善磨削加工效果，其不但保留了磨削加工的特性，还可以大幅度提高加工效率（加工效率可达到普通磨削的3-5倍），减小切削的变形量，降低切削力，同时还可以有效改善工件的表面加工质量。

本发明在现有刀柄结构的基础上，加上超声模块，并将感应式电传输应用于超声刀柄结构上，从而提出了一种感应式超声刀柄结构。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种超声加工刀柄，该超声加工刀柄在进行机加工的时候，刀柄同时进行高速旋转和轴向振动两个方向的运动，从而提高加工效率、减小切削力以及提高表面加工质量。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种超声加工刀柄，包括刀柄和换能器，所述换能器一端设置于所述刀柄内部，其特征在于：所述刀柄外侧设置有电磁转换装置，所述换能器包括变幅杆、压电陶瓷、压板和预紧螺栓，所述预紧螺栓依次连接所述压板、所述压电陶瓷和所述变幅杆，所述变幅杆与所述刀柄通过端盖紧固连接。

优选地，所述刀柄与数控机床连接，所述变幅杆另一端与工具头连接。

优选地，所述电磁转换装置包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈与驱动装置连接，所述接收线圈与所述换能器的电极连接。

优选地，所述变幅杆、所述压电陶瓷和所述压板中心在一条直线上。

优选地，所述变幅杆的长度为25～35mm。

优选地，所述压电陶瓷的长度为10～20mm。

优选地，所述压板的长度为15～25mm。

进一步的，所述变幅杆的长度为31mm，所述压电陶瓷的长度为12mm，所述压板的长度为21mm。

优选地，所述刀柄的长度为130～150mm。

一种超声加工刀柄的设计方法，所述超声加工刀柄包括换能器和刀柄，所述换能器一端设置于所述刀柄内部，所述换能器包括变幅杆、压电陶瓷和压板，所述变幅杆、所述压电陶瓷和所述压板参数设计满足如下公式：

$k_s\frac{l_s}{2}+{\tan }^{-1}\left(\frac{Z_b^c}{Z_s^c}\tan k_b{l}_b\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

$k_s\frac{l_s}{2}+{\tan }^{-1}\left(\frac{Z_f^c}{Z_s^c}\tan k_f{l}_f\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

其中，k_s为压电陶瓷的波数，k_b为变幅杆的波数、k_f为压板的波数；

及

为超声波在变幅杆、压板及压电陶瓷的声阻抗。

本发明产生的有益效果是：本发明提出的超声加工刀柄在进行机加工的时候，可同时进行高速旋转和轴向振动两个方向的运动，从而提高加工效率、减小切削力以及提高表面加工质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种超声加工刀柄一个实施例的剖视结构示意图；

图中：1刀柄；2压板；3发射线圈；4接收线圈；5端盖；6变幅杆；7预紧螺栓；8压电陶瓷。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1所示的优选实施例，一种超声加工刀柄，包括刀柄1和换能器，所述换能器一端设置于所述刀柄1内部，所述刀柄1与数控机床连接，在本实施例中所述刀柄1与数控机床的主轴连接，所述刀柄1外侧设置有电磁转换装置，所述换能器包括变幅杆6、压电陶瓷8、压板2和预紧螺栓7，所述预紧螺栓7依次连接所述压板2、所述压电陶瓷8和所述变幅杆6，所述变幅杆与工具头连接，所述变幅杆6、所述压电陶瓷8和所述压板2中心在一条直线上。所述变幅杆6与所述刀柄1通过端盖5紧固连接，在本实施例中，所述变幅杆6与所述端盖5通过螺栓紧固连接。

所述电磁转换装置包括发射线圈3和接收线圈4，所述发射线圈3与驱动装置连接，所述接收线圈4与所述换能器的电极连接。在本实施例中，所述发射线圈3和所述接收线圈4均设置于所述刀柄外部的凹槽内。换能器上方均布八个小孔，其作用是将所述接收线圈4的导线通过小孔连接到换能器，从而使接收线圈4与所述换能器的电极连接。

本发明的工作过程是：当进行工作时，数控机床带动刀柄1高速旋转；同时压电陶瓷8通过电磁转换装置与驱动装置连接，然后利用电磁感应的原理，驱动装置的电信号首先传递到发射线圈3，发射线圈3的电信号传递到接收线圈4，接收线圈4直接和换能器的电极相连，从而驱动换能器产生超声振动，这样整个超声加工刀柄实现同时进行旋转和振动两种运动，以此来进行磨削加工，大大提高了加工效率和加工质量。

关于压电材料和变幅杆材料的选择，为了减少非轴向振动的影响，提高超声能量传递效率，压电材料选择具有高数量级的厚度机电耦合系数K₁，低数量级的介电常数K₃₃ ^T，低数量级的径向机电耦合系数K₃₁的压电陶瓷。变幅杆选择具有低能量耗散的不锈钢或钛合金材料。

所述变幅杆6、所述压电陶瓷8和所述压板2参数设计满足如下公式：

$k_s\frac{l_s}{2}+{\tan }^{-1}\left(\frac{Z_b^c}{Z_s^c}\tan k_b{l}_b\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

$k_s\frac{l_s}{2}+{\tan }^{-1}\left(\frac{Z_f^c}{Z_s^c}\tan k_f{l}_f\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

其中，k_s为压电陶瓷的波数，k_b为变幅杆的波数、k_f为压板的波数；

及

为超声波在变幅杆、压板及压电陶瓷的声阻抗。

经计算所得，所述压板2的长度为15～25mm，所述压电陶瓷8的长度为10～20mm，所述变幅杆6的长度为25～35mm，本实施例中所述压板2的长度优选为21mm，所述压电陶瓷8的长度优选为12mm。所述变幅杆6的长度优选为31mm。

本发明提出的超声加工刀柄，在进行工作时，刀柄可同时进行高速旋转和轴向振动两个方向的运动，可提高加工效率、减小切削力以及提高表面加工质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声加工刀柄，包括刀柄和换能器，所述换能器一端设置于所述刀柄内部，其特征在于：所述刀柄外侧设置有电磁转换装置，所述换能器包括变幅杆、压电陶瓷、压板和预紧螺栓，所述预紧螺栓依次连接所述压板、所述压电陶瓷和所述变幅杆，所述变幅杆与所述刀柄通过端盖紧固连接。

2.如权利要求1所述的超声加工刀柄，其特征在于：所述刀柄与数控机床连接，所述变幅杆与工具头连接。

3.如权利要求1所述的超声加工刀柄，其特征在于：所述电磁转换装置包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈与驱动装置连接，所述接收线圈与所述换能器的电极连接。

4.如权利要求1所述的超声加工刀柄，其特征在于：所述变幅杆、所述压电陶瓷和所述压板中心在一条直线上。

5.如权利要求1所述的超声加工刀柄，其特征在于：所述变幅杆的长度为25～35mm。

6.如权利要求1所述的超声加工刀柄，其特征在于：所述压电陶瓷的长度为10～20mm。

7.如权利要求1所述的超声加工刀柄，其特征在于：所述压板的长度为15～25mm。

8.如权利要求5或6或7所述的超声加工刀柄，其特征在于：所述变幅杆的长度为31mm，所述压电陶瓷的长度为12mm，所述压板的长度为21mm。

9.如权利要求1所述的超声加工刀柄，其特征在于：所述刀柄的长度为130～150mm。

10.一种超声加工刀柄的设计方法，其特征在于：所述超声加工刀柄包括换能器和刀柄，所述换能器一端设置于所述刀柄内部，所述换能器包括变幅杆、压电陶瓷和压板，所述变幅杆、所述压电陶瓷和所述压板参数设计满足如下公式： $k_s\frac{l_s}{2}+{\tan }^{-1}\left(\frac{Z_b^c}{Z_s^c}\tan k_b{l}_b\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

$k_s\frac{l_s}{2}+{\tan }^{-1}\left(\frac{Z_f^c}{Z_s^c}\tan k_f{l}_f\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

其中，k_s为压电陶瓷的波数，k_b为变幅杆的波数、k_f为压板的波数；

及

为超声波在变幅杆、压板及压电陶瓷的声阻抗。

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