CN103691656B - 一种可快速更换刀具的超声变幅杆 - Google Patents

Abstract

一种可快速更换刀具的超声变幅杆它由圆锥-圆柱复合型变幅杆和工具适配器组成，二者通过螺纹连接；该圆锥-圆柱复合型变幅杆，在变幅杆圆锥段大端面中心处设有连接螺柱，在变幅杆圆锥段处设有带连接螺纹孔的节面法兰盘，在变幅杆圆柱段的末端设有外螺纹，在变幅杆圆柱段的预定位置布置复数个具有特定几何参数的圆环斜槽；该圆锥-圆柱复合型变幅杆通过大端面处的连接螺柱与换能器的输出端通过细螺纹进行连接，保证能量均衡传递，减少能量损失；该工具适配器外部结构为阶梯形圆柱体，大端中心开设螺纹盲孔，小端中心处开设锥形盲孔。本发明是一种适用于旋转超声振动加工的结构可调的超声变幅杆，有较好的应用前景。

Description

一种可快速更换刀具的超声变幅杆

技术领域

本发明涉及一种可快速更换刀具的超声变幅杆，它属于旋转超声振动辅助加工装置领域。通过设计的工具适配器（用于匹配不同尺寸的工具）与变幅杆相连，可解决更换刀具后旋转超声振动系统需重新进行频率调节，阻抗匹配，操作复杂，耗费工时等问题。另外，通过在变幅杆上开设圆环斜槽，使得变幅杆在放大超声振幅的同时，将换能器传递来的纵向振动转换成纵扭共振的形式输出，从而可更好的将超声振动能量用于旋转超声振动加工中。

背景技术

在旋转超声振动辅助加工中，换能器产生的振幅一般为几个微米，很难满足加工要求，因此，需要通过变幅杆放大超声振幅以达到满足加工要求的振幅（通常为十几个到几十个微米）。在超声加工中，变幅杆的大端面与换能器的输出端相连，小端面接工具，根据声波能量在传递过程中的能量守恒（杆件间传递过程中的能量损失较小，可忽略不计），通过变幅杆单位面积的超声能量不变，在输出端的超声振幅将被放大。

超声变幅杆又称超声变速杆、超声聚能器，在超声技术中，特别是在高声强超声设备的振动系统中是很重要的，广泛应用于功率超声领域。超声变幅杆的主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量聚集到较小的面积上，即聚能作用。超声变幅杆根据其结构的不同可分为指数形变幅杆、阶梯形变幅杆、悬链线形变幅杆、圆锥形变幅杆等，这些均属于单一型变幅杆。此外，为改善变幅杆的某些性能，如提高形状因数、增加放大系数等，出现了一些复合型变幅杆。复合型变幅杆由两种或两种以上的单一变幅杆组合而成，本发明就属于复合型变幅杆。

在超声辅助加工中，一般要求工具的振动方向与工具的进给方向一致或者在进给方向上具有振动分量，以达到良好的超声振动加工效果。如在旋转超声钻削加工中，要求工具作纵向振动，超声车削加工中要求工具作椭圆振动等。而在旋转超声铣削加工中，要求工具具有扭转方向或者水平方向的振动。在工程应用中，实现扭转振动的方式一般有两种：采用扭转振动换能器；采用特殊结构的变幅杆将纵向振动转换成扭转振动。本发明中通过在变幅杆输出端均布圆环斜槽来实现振型的转换，即将换能器输出的纵向振动转换成纵扭共振在变幅杆末端输出。

在超声辅助加工中，由于刀具的更换，超声系统的阻抗、谐振频率将发生变化，需通过调整超声电源的输出频率等来进行调谐处理，操作复杂，耗费工时。由于变幅杆与工具直接相连，可考虑调整变幅杆的结构来补偿刀具更换所带来的阻抗、谐振频率的变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可快速更换刀具的超声变幅杆，它是一种适用于旋转超声振动加工的结构可调的超声变幅杆，以解决上述问题。

本发明的具体实现方式如下：

一种可快速更换刀具的超声变幅杆（如图1所示），由圆锥‐圆柱复合型变幅杆和工具适配器（用于匹配不同尺寸的刀具）组成，二者通过螺纹连接。该圆锥‐圆柱复合型变幅杆在变幅杆圆锥段大端面中心处设有连接螺柱，在变幅杆圆锥段处设有带连接螺纹孔的节面法兰盘，在变幅杆圆柱段的末端设有外螺纹；在变幅杆圆柱段的预定位置可布置若干具有特定几何参数的圆环斜槽。该工具适配器外部结构为阶梯形圆柱体，大端中心开设螺纹盲孔，小端中心处开设锥形盲孔。

圆锥‐圆柱型变幅杆圆柱段的末端与工具适配器通过螺纹连接。通过调整该变幅杆的旋入深度，可保证该变幅杆与工具适配器无缝配合，减少能量在连接处的损失。圆锥‐圆柱型变幅杆的节面法兰盘外缘均布连接螺纹孔，通过螺栓与外部相连。工具适配器小端中心处开设锥形盲孔，用于装卡ER夹头（一种用于装卡刀具的结构，与ER螺母配合使用），同时，在小端直径的外圈攻细螺纹，装配ER螺母。

圆锥‐圆柱型变幅杆的圆柱段预定位置处开设具有特定几何参数的圆环斜槽，当纵波传到斜槽位置处时，经斜槽的反射和折射作用，纵波的振动方向将发生改变，产生切向分量。由于斜槽宽度以及斜槽间距远小于一个波长，且各个斜槽相互平行，当纵波传播到斜槽处时，各个斜槽的作用效果相叠加，在输出端将同时出现纵向振动和扭转振动。

实际工作时，该圆锥‐圆柱复合型变幅杆通过大端面处的连接螺柱与换能器的输出端通过细螺纹进行连接（如图2所示），保证能量均衡传递，减少能量损失。

其中，所述的圆环斜槽特定的几何参数设置如下：斜槽长度10～40mm，斜槽倾角15°～60°，深度2～5mm，宽度0.2～1mm，沿圆周方向均布数量为3～8个，斜槽与斜槽之间相互平行，且斜槽间距远小于纵波在该变幅杆中传播时的波长。

其中，该工具适配器小端中心处开设螺纹盲孔，与工具通过螺纹连接。

本发明的功能及优点如下：

（1）圆锥‐圆柱复合型变幅杆的输出端与特定结构的工具适配器连接，工具适配器根据工具的结构尺寸大小而设计，更换工具后可保证整个超声振动系统仍处于谐振状态，谐振频率和阻抗值基本保持不变。从而大大节省了更换工具后，重新进行阻抗匹配的时间，有效提高旋转超声振动加工的效率。

（2）圆锥‐圆柱复合型变幅杆的圆锥段大端与连接螺柱做成一体，减少了连接环节；圆锥‐圆柱复合型变幅杆圆柱端外螺纹长度大于工具适配器内螺纹长度，通过调节旋入深度，可保证适配器与变幅杆单面定位，无缝连接，从而有效提高声波的传递效率。

（3）通过在圆锥‐圆柱复合型变幅杆的圆柱段开设圆环斜槽，将换能器传递过来的纵向振动波形转换成纵向振动波形和横向振动波形，在输出端的振动形式表现为纵扭共振，有利于提高旋转超声振动铣削加工的加工效果。

附图说明

图1（ａ）为本发明的主视图，图1（ｂ）为本发明的侧视图。

1.连接螺柱；  2.变幅杆圆锥段；  3.连接螺纹孔；    4.节面法兰盘；

5.外螺纹；    6.工具适配器；    7.变幅杆圆柱段；  8.圆环斜槽。

图2为换能器与圆锥‐圆柱型变幅杆的连接示意图。

其中换能器包括：9.后盖板；10.压电陶瓷片；11.预紧螺栓；12.前盖板；13.绝缘管。14.圆锥-圆柱型变幅杆。

具体实施方式

见图1（ａ）、图1（ｂ），一种可快速更换刀具的超声变幅杆，由圆锥‐圆柱复合型变幅杆14和工具适配器6组成，二者通过螺纹连接。该圆锥‐圆柱复合型变幅杆14，在变幅杆圆锥段2大端面中心处设有连接螺柱1，在变幅圆锥段处设有带连接螺纹孔3的节面法兰盘4，在变幅圆柱段7的末端设有外螺纹5；在变幅圆柱段的预定位置布置若干具有特定几何参数的圆环斜槽8。该工具适配器6的外部形状为阶梯形圆柱体，大端开设内螺纹盲孔与变幅杆圆柱段的外螺纹5螺接，小端内开设圆锥形盲孔与刀具夹头连接，小端外设置细螺纹与夹头螺母连接。

实施方式一：

该圆锥‐圆柱复合型变幅杆14为半波长变幅杆，圆锥段大端面连接螺柱1的直径一般为变幅杆圆锥段2的大端直径的1/4～1/3；节面法兰盘4厚度在保证连接刚度的情况下，越小越好，一般选择2～8mm；变幅杆圆锥段2与该变幅杆的圆柱段7通过小圆弧过渡，避免应力集中；该变幅杆圆柱段7的外螺纹长度应大于工具适配器6的内螺纹长度，以保证充分旋入，实现无缝接触。工具适配器6的前端孔径与ER卡头配合来装卡工具，或者通过内螺纹与工具相连，可根据工具的质量、长度、直径等来更换不同规格的工具适配器6，保证系统处于谐振的工作状态。

实施方式二：

该圆锥‐圆柱复合型变幅杆14为半波长变幅杆，变幅杆圆锥段大端面连接螺柱1的直径一般为变幅杆圆锥段2的大端直径的1/4～1/3；节面法兰盘4厚度在保证连接刚度的情况下，越小越好，一般选择2～8mm；变幅杆圆锥段2与该变幅杆圆柱段7通过小圆弧过渡，避免应力集中；该变幅杆圆柱段7的外螺纹长度应大于工具适配器6的内螺纹长度，以保证充分旋入，实现无缝接触。在该变幅杆的圆柱段7预定位置开设圆环斜槽8，斜槽长度10～40mm，斜槽倾角15°～60°，深度2～5mm，宽度0.2～1mm，一般沿圆周方向均布3～8个；工具适配器6的前端孔径与ER夹头配合来装卡工具，或者通过螺纹与工具相连，可根据工具的质量、长度、直径等来更换不同规格的工具适配器6，保证系统处于谐振的工作状态。

见图2，为换能器与圆锥‐圆柱型变幅杆的连接示意图，换能器中的后盖板9、压电陶瓷片10和前盖板12，通过预紧螺栓11固连在一起，压电陶瓷片10与预紧螺栓之间装有绝缘管13，该换能器与圆锥‐圆柱复合型变幅杆14上的连接螺柱1连接。这样，就实现了将换能器输出的纵向振动传递到圆锥‐圆柱型变幅杆14末端输出，通过在圆锥—圆柱复合型变幅杆的圆柱段预定位置开设圆环斜槽8，经换能器传递来的纵向振动就会发生反射和折射，在末端以纵扭共振的形势输出。

Claims (1)

1.一种可快速更换刀具的超声变幅杆，其特征在于：它由圆锥-圆柱复合型变幅杆和工具适配器组成，二者通过螺纹连接；该圆锥-圆柱复合型变幅杆在变幅杆圆锥段大端面中心处设有连接螺柱，在变幅杆圆锥段处设有带连接螺纹孔的节面法兰盘，在变幅杆圆柱段的末端设有外螺纹，在变幅杆圆柱段的预定位置布置复数个具有特定几何参数的圆环斜槽；该圆锥-圆柱复合型变幅杆通过大端面处的连接螺柱与换能器的输出端通过细螺纹进行连接，保证能量均衡传递，减少能量损失；该工具适配器外部结构为阶梯形圆柱体，大端中心开设螺纹盲孔，小端中心处开设锥形盲孔；

该圆锥-圆柱型变幅杆圆柱段的末端与工具适配器通过螺纹连接，通过调整该变幅杆的旋入深度，保证该变幅杆与工具适配器无缝配合，减少能量在连接处的损失；圆锥-圆柱型变幅杆的节面法兰盘外缘均布连接螺纹孔，通过螺栓与外部相连；工具适配器小端中心处开设锥形盲孔，用于装卡ER夹头，同时，在小端直径的外圈攻细螺纹，装配ER螺母；圆锥-圆柱型变幅杆的圆柱段预定位置处开设具有特定几何参数的圆环斜槽，当纵波传到斜槽位置处时，经斜槽的反射和折射作用，纵波的振动方向将发生改变，产生切向分量；由于斜槽宽度以及斜槽间距远小于一个波长，且各个斜槽相互平行，当纵波传播到斜槽处时，各个斜槽的作用效果相叠加，在输出端将同时出现纵向振动和扭转振动；

其中，斜槽长度10～40mm，斜槽倾角15°～60°，深度2～5mm，宽度0.2～1mm，沿圆周方向均布数量为3～8个，斜槽与斜槽之间相互平行，且斜槽间距远小于纵波在该变幅杆中传播时的波长；

其中，该工具适配器小端中心处开设螺纹盲孔，与工具通过螺纹连接。