CN104624461A - 一种侧向激励式超声椭圆振动铣削刀柄 - Google Patents

Abstract

一种侧向激励的超声椭圆振动铣削刀柄，它包括导电滑环、BT50刀柄、四组Ⅰ型陶瓷堆即AⅠ型陶瓷堆、BⅠ型陶瓷堆、CⅠ型陶瓷堆、DⅠ型陶瓷堆、四组Ⅱ型陶瓷堆即AⅡ型陶瓷堆、BⅡ型陶瓷堆、CⅡ型陶瓷堆、DⅡ型陶瓷堆、三个Ⅰ-1型尼龙保护块即AⅠ-1型尼龙保护块、BⅠ-1型尼龙保护块、CⅠ-1型尼龙保护块、一个Ⅰ-2型尼龙保护块、三个Ⅱ-1型尼龙保护块即AⅡ-1型尼龙保护块、BⅡ-1型尼龙保护块、CⅡ-1型尼龙保护块、一个Ⅱ-2型尼龙保护块、垫片、M14螺钉、变幅杆和锥形压套；它是一种安装于普通铣削设备的超声刀柄，对多种材料实现超声椭圆振动铣削加工，发挥超声椭圆振动加工的优良特性，提高零件的加工质量。

Description

一种侧向激励式超声椭圆振动铣削刀柄

技术领域

本发明涉及一种侧向激励式超声椭圆振动铣削刀柄，它可安装于传统铣削设备上，对材料实现超声椭圆振动铣削加工。属于超声振动铣削技术领域。

背景技术

经大量理论及实验研究表明，超声振动切削技术具有显著降低切削力、显著改善加工精度及表面质量、减缓刀具磨损提高刀具耐用度、抑制颤振、降低零件表面残余应力等一系列优良特性。

超声振动铣削技术属于先进加工制造技术，多应用于航空航天制造领域。超声振动铣削技术应用于钛合金弱刚性整体结构件的铣削加工，可以提高零件的整体加工效率，减小刀具、零件的让刀变形，提高零件的形位精度，抑制颤振的产生，改善零件的表面质量，延长刀具寿命等；对于复合材料的铣削加工，如蜂窝材料、树脂基碳纤维复合材料等，超声振动铣削技术可以减少材料分层、撕裂、起毛等加工缺陷的产生，改善零件的加工质量，提高零件的使用性能；针对特种玻璃、陶瓷等脆硬材料的超声铣削加工，可以显著减小切削力、提高表面加工质量、延长刀具寿命等。

现有超声振动铣削设备均为大型专用铣削加工机床，虽然在复合材料、陶瓷、玻璃等材料的铣削加工中取得了一定的加工效果，但当前的超声铣削机床产品存在以下缺点与不足：

(1)刀具振动形式单一，现有的超声机床或超声装置均为轴向的单一振动，超声振动加工的优良特性没有完全发挥出来；

(2)设备加工对象单一，当前的超声振动铣削机床主要针对陶瓷、玻璃等脆硬材料的加工，对于难加工金属材料的加工能力有限；

(3)专用超声振动加工设备购置、维护费用高昂，但应用范围有限，性价比低；

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种侧向激励式超声椭圆振动铣削刀柄，它是一种小型化的、可安装于常用普通铣削设备的超声刀柄，以提升普通铣削机床的加工能力及加工范围，对多种材料实现超声椭圆振动铣削加工，充分发挥超声椭圆振动加工的优良特性，提高零件的加工质量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明一种侧向激励式超声椭圆振动铣削刀柄，它包括导电滑环1、BT50刀柄2、四组Ⅰ型陶瓷堆(AⅠ型陶瓷堆3、BⅠ型陶瓷堆13、CⅠ型陶瓷堆14、DⅠ型陶瓷堆15)、四组Ⅱ型陶瓷堆(AⅡ型陶瓷堆4、BⅡ型陶瓷堆16、CⅡ型陶瓷堆17、DⅡ型陶瓷堆18)、三个Ⅰ-1型尼龙保护块(AⅠ-1型尼龙保护块5、BⅠ-1型尼龙保护块19、CⅠ-1型尼龙保护块20)、一个Ⅰ-2型尼龙保护块6、三个Ⅱ-1型尼龙保护块(AⅡ-1型尼龙保护块7、BⅡ-1型尼龙保护块21、CⅡ-1型尼龙保护块22)、一个Ⅱ-2型尼龙保护块8、垫片9、M14螺钉10、变幅杆11、锥形压套12。

它们之间的位置连接关系是：变幅杆11与锥形压套12通过中部的定位圆柱台阶同轴布置，Ⅰ型陶瓷堆3、13、14、15及Ⅱ型陶瓷堆4、16、17、18分别置于变幅杆11与锥形压套12之间，并通过环氧树脂胶粘结连接，Ⅰ-1型尼龙保护块5、19、20及Ⅰ-2型尼龙保护块6置于锥形压套12的小端的间隙内，Ⅱ-1型尼龙保护块7、21、22及Ⅱ-2型尼龙保护块22置于锥形压套12的大端的间隙内，保护块与相邻零件11、12间亦采用环氧树脂胶粘结连接，上述零部件置于BT50刀柄的内腔内，通过刀柄后端的M14螺钉10、垫片9将其连接成整体，导电滑环1位于BT50刀柄的前端，通过螺纹连接。

所述导电滑环是中部设有圆孔且有供电输入、输出端口的圆盘形市购件，其功能是给高速旋转中的高声刀柄提供激励电压；

所述BT50刀柄是中部设有空腔、一端带锥柄另一端带台肩的筒形市购件，其功能有二，一是用于与机床主轴定心连接，二是容纳产生超声振动的装置；

所述Ⅰ型陶瓷堆是由铜电极片及压电陶瓷交替相叠并粘接在一起的构件，其功能是作为超声振动源激励其他相应零部件产生超声振动；

所述Ⅱ型陶瓷堆是由铜电极片及压电陶瓷交替相叠并粘接在一起的构件，其功能是作为超声振动源激励其他相应零部件产生超声振动；

所述Ⅰ-1型尼龙保护块是带弧面的五面体件，其功能是起绝缘保护作用，防止电极间的击穿现象及漏电；

所述Ⅰ-2型尼龙保护块是设有圆孔且带弧形的五面体件，其功能是起绝缘保护作用，防止电极间的击穿现象及漏电，中部通孔用于穿送导线；

所述Ⅱ-1型尼龙保护块是带弧面的五面体件，其功能是起绝缘保护作用，防止电极间的击穿现象及漏电；

所述Ⅱ-2型尼龙保护块是设有圆孔且带弧形的五面体件，其功能是起绝缘保护作用，防止电极间的击穿现象及漏电，中部通孔用于穿送导线；

所述垫片及M14螺钉是市购标准件，用于连接、拉紧。

所述变幅杆，圆柱端用于装夹铣刀、其中部和另一端呈八面体状，与八组陶瓷堆相连，其功能是对陶瓷堆产生的超声振动进行放大并将振动传递给铣刀；

所述锥形压套是两端各有四个均布压块、外形整体呈锥形的零件，其功能是对置于其内侧平面的陶瓷堆施加压紧力且与BT50刀柄连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明采用二维椭圆振动的超声振动形式与铣削工艺相结合，相较于一维轴向振动的形式更适合于铣削加工，可以更为充分的发挥超声振动加工所具有的特性，以获得更为优良的加工质量；

2、本发明采用侧向激励的方式，实现铣刀的超声椭圆振动的同时，保证刀柄具有良好的刚性。换能器变幅杆完全通过陶瓷堆的支撑连接与其他零部件构成整体，支撑点即为激振点，具有振幅大、效率高的优点，且充分利用陶瓷材料抗压性能强、刚性高的特性，由陶瓷堆承受、传递铣削过程中产生的各向切削力，保证了刀柄整体的刚性满足铣削加工的需求。

3、根据小角度锥面自锁的特性以及楔形夹紧原理，设计采用具有自锁外锥面的压紧套筒结构，来对陶瓷堆施加压紧力，使得超声刀柄整体具有布局合理、结构紧凑、体积小的特点，约和传统刀柄体积相同。

4、该发明可应用于多数数控加工铣床，可以较低的成本实现普通数控机床的超声化，提升其加工能力，改善零件的加工质量，适应面广、性价比高。

附图说明

图1是本发明一种侧向激励式超声椭圆振动铣削刀柄的整体外观图。

图2是本发明移除零件1和零件2后的内部结构图

图3本发明的结构分解图。

图4是刀柄零件导电滑环1的外观图。

图5是BT50连接柄2的外观图。

图6是BT50连接柄2的剖视图。

图7是Ⅰ型陶瓷堆3的整体结构图。

图8是Ⅰ型陶瓷堆3的分解结构图。

图9是Ⅱ型陶瓷堆4的整体结构图。

图10是Ⅱ型陶瓷堆4的分解结构图。

图11是Ⅰ-1型尼龙保护块5的结构图。

图12是Ⅰ-2型尼龙保护块6的结构图。

图13是Ⅱ-1型尼龙保护块7的结构图。

图14是Ⅱ-2型尼龙保护块8的结构图。

图15是垫圈9。

图16是M14拉紧螺钉10。

图17是变幅杆组件11的结构图。

图18是锥形压套12的结构图。

图中符号说明如下：

1、导电滑环；2、BT50刀柄；3、13、14、15、Ⅰ型陶瓷堆A、Ⅰ型陶瓷堆B、Ⅰ型陶瓷堆C、Ⅰ型陶瓷堆D；4、16、17、18、Ⅱ型陶瓷堆A、Ⅱ型陶瓷堆B、Ⅱ型陶瓷堆C、Ⅱ型陶瓷堆D；5、19、20，Ⅰ-1型尼龙保护块A、Ⅰ-1型尼龙保护块B、Ⅰ-1型尼龙保护块C；6、Ⅰ-2型尼龙保护块；7、21、22、Ⅱ-1型尼龙保护块A、Ⅱ-1型尼龙保护块B、Ⅱ-1型尼龙保护块C；8、Ⅱ-2型尼龙保护块；9、垫片；10、M14螺钉；11、变幅杆；12、锥形压套。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

见图1——图3，本发明是一种侧向激励式超声椭圆振动铣削刀柄，组成构件包括导电滑环1、BT50刀柄2、四组Ⅰ型陶瓷堆(AⅠ型陶瓷堆3、BⅠ型陶瓷堆13、CⅠ型陶瓷堆14、DⅠ型陶瓷堆15)、四组Ⅱ型陶瓷堆(AⅡ型陶瓷堆4、BⅡ型陶瓷堆16、CⅡ型陶瓷堆17、DⅡ型陶瓷堆18)、三个Ⅰ-1型尼龙保护块(AⅠ-1型尼龙保护块5、BⅠ-1型尼龙保护块19、CⅠ-1型尼龙保护块20)、一个Ⅰ-2型尼龙保护块6、三个Ⅱ-1型尼龙保护块(AⅡ-1型尼龙保护块7、BⅡ-1型尼龙保护块21、CⅡ-1型尼龙保护块22)、一个Ⅱ-2型尼龙保护块8、垫片9、M14螺钉10、变幅杆11、锥形压套12。

一、导电滑环1

参见图4所示，导电滑环用于在超声刀柄进行旋转的情况下为刀柄提供超声激励电压，由端口1.1输入。1-2为M76×1.5的内螺纹，1-10为一圆柱通孔。

二、BT50连接柄2

参见图5、图6所示，为一体加工成型，其主要作用有两个，一是与具有相同连接标准的机床主轴相连，二是容纳超声振动发生装置。

其外部锥面2.1的锥度为10:1，用于与机床主轴定心配合，具体规格尺寸可依照相关刀柄标准确定；最前端为外螺纹面2-1，规格为M76×1.5，用于导电滑环的安装。

其内锥面2-12的锥度为10°，用于与锥形压套12的配合安装，其后部的圆柱通孔2-10.3、2-10.1及环形小平面2-10.2用于拉紧螺钉10的安装。

该零件的连接规格标准，可依据超声刀柄的应用机床所采用的刀柄安装标准进行更换。

三、Ⅰ型陶瓷堆3

参见图7、图8所示，在该发明中，Ⅰ型陶瓷堆共有4组(AⅠ型陶瓷堆3、BⅠ型陶瓷堆13、CⅠ型陶瓷堆14、DⅠ型陶瓷堆15)，以AⅠ型陶瓷堆3为例进行说明。Ⅰ型陶瓷堆由五个组件构成，分别是A电极片3.1、B电极片3.3、C电极片3.5及A压电陶瓷片3.2、B压电陶瓷片3.4组成。电极片所用材料为紫铜，压电陶瓷片材料为PZT-8型陶瓷片。工作频率为15kHZ～40kHz，振幅10μm～20μm。

四、Ⅱ型陶瓷堆4

参见图9、图10所示，在该发明中国，Ⅱ型陶瓷堆共有4组(AⅡ型陶瓷堆4、BⅡ型陶瓷堆16、CⅡ型陶瓷堆17、DⅡ型陶瓷堆18)，以AⅡ型陶瓷堆4为例对其结构进行介绍说明，Ⅱ型陶瓷堆亦由五个组件构成，分别是A电极片4.1、B电极片4.3、C电极片4.5及A压电陶瓷片4.2、B压电陶瓷片4.4。电极片所用材料为紫铜，压电陶瓷片材料为PZT-8型陶瓷片。工作频率为15kHZ～40kHz，振幅10μm～20μm。与Ⅰ型陶瓷堆与Ⅱ型陶瓷堆，两者之间的不同之处体现在外形尺寸上。

五、Ⅰ-1型尼龙保护块5及Ⅰ-2型尼龙保护块6

Ⅰ-1型尼龙保护块5参见图11所示，其主要作用是对陶瓷堆进行保护，并起到绝缘的作用，防止陶瓷堆在通电工作过程中电极片之间、电极片与周围构件间产生放电现象，保证超声激励过程的安全进行。其与周围构件的接触面分别是平面5-12及圆弧面5-11，与接触面之间采用环氧树脂胶粘接。

Ⅰ-2型尼龙保护块6参见图12所示，其作用与外观尺寸与Ⅰ-1型尼龙保护块相同，不同之处在于其中部有一个圆形通孔6.1，用于穿送激励陶瓷堆的导线。其与周围构件的接触面分别为平面6-12及圆弧面6-11。

六、Ⅱ-1型尼龙保护块7及Ⅱ-2型尼龙保护块8

Ⅱ-1型尼龙保护块7参见图13所示，其作用与前述Ⅰ-1及Ⅰ-2型尼龙保护块相同，但外形及尺寸存在差异，其与周围构件的接触面为平面7-12及平面7-11。

Ⅱ-2型尼龙保护块8参见图14所示，其作用及外观尺寸与Ⅱ-1型尼龙保护块相同，不同之处在于其中部有一个圆形通孔8.1，其作用也为穿送激励陶瓷堆的导线，其与周围构件的接触面分别为平面8-12及平面8-11。图15是垫圈9，图16是M14拉紧螺钉10。

七、变幅杆11

参见图17所示，变幅杆11为整体加工零件，其主要作用是将陶瓷堆产生的超声振动的振幅放大并将振动传递给与之相连的刀具。

在其四个方向上各有面积大小不同的两个平面，即四个大平面11.2，分别用于放置Ⅱ型陶瓷堆4、16、17、18，四个小平面11.4，分别用于放置Ⅰ型陶瓷堆3、13、14、15，变幅杆组件的中部有外圆柱面11-12.1及平面11-12.2，用于零件锥形套12的定位与配合。变幅杆前端圆柱部分为铣刀装夹端11.1，用于铣削刀具的装夹。

在本发明中，变幅杆11采用声阻比小的材料钛合金来进行加工。

八、锥形压套12

参见图18所示，锥形压套12为一体加工成型零件，其外表面整体是锥度为10°的圆锥面，在压套的两端各有四个压耳，四个小压耳12.2位于一端，四个大压耳12.5位于另一端，他们功能相同，均是对陶瓷堆平面施加均匀的压紧力。大小压耳的外表面12.3、12.7均位于一个锥度为10°的圆锥面上，用于与BT50连接柄2的内锥面2-12.1相配合。大小压耳的内表面12.4、12.6为平面，分别与Ⅰ型陶瓷堆3、13、14、15、及Ⅱ型陶瓷堆4、16、17、18相接触，压耳的作用即是对陶瓷堆施加压紧力。

在压套12的中部外侧开有一段矩形通槽12.1，其作用是用来穿送提供激励电压的导线。压套12中部的内侧有内圆柱面12-11.1及平面12-11.2，用于与变幅杆11的外圆柱面11-12.1及平面11-12.2相配合。

在本发明中，锥形压套12采用声阻较大的材料进行加工，如45钢、不锈钢等。

九、刀柄各零件的配合关系

按照刀柄的装配次序对各零部件的配合关系及位置关系进行说明。

变幅杆11中部的外圆柱面11-12.1及环形平面11-12.2分别于与锥形压套12中部的内圆柱面12-11.1及12-11.2相配合，以保证变幅杆11与锥形压套12两者的同轴度及轴向的位置。Ⅰ型陶瓷堆3、13、14、15分别置于变幅杆11的矩形平面11.4与锥形压套12的四个小压耳12.2之间；Ⅱ型陶瓷堆4、16、17、18分别置于变幅杆11的矩形平面11.2与锥形压套12的四个大压耳12.5之间。前述陶瓷堆与相邻两零件的贴合面之间用环氧树脂胶粘接。BT50连接柄2的内锥面2-12.1与锥形压套的外锥面11.3、11.7相贴合。Ⅰ型尼龙保护块5、6、19、20分别位于锥形压套12的四个小压耳12.2之间，以Ⅰ-2型尼龙保护块6为例，其侧平面6-12及圆弧面6-11.1分别与锥形压套12小压耳的侧平面12.9及变幅杆圆弧面11.5相贴合，接触面之间用环氧树脂胶粘接。Ⅱ型龙保护块7、8、21、22分别位于锥形压套12的四个大压耳12.5之间，以Ⅱ-2型尼龙保护块8为例，其平面8-12、8-11分别与锥形压套的侧平面12-8及变幅杆平面11-3相贴合，接触面之间用环氧树脂胶粘接。

M14拉紧螺钉10穿过垫圈9的内孔9-10.1及BT50连接柄2后部的内孔2-10.1、1-10.3，与变幅杆11后端的M14螺纹孔11-10相连接，垫片9压紧于BT50连接柄2的环形平面2-10.2上，M14螺钉10对变幅杆11提供拉紧力，以使得锥形压套12与BT50连接柄2之间产生压紧力，进而对陶瓷堆施加压紧力。导电滑环1的M76×1.5螺纹面1-2与BT50连接柄2的前端M76×1.5螺纹面2-1直接配合，变幅杆前端的圆柱状刀具连接头11.1从导电滑环中间的圆柱孔1-11穿过。

Claims (1)

1.一种侧向激励式超声椭圆振动铣削刀柄，其特征在于：它包括导电滑环(1)、BT50刀柄(2)、四组Ⅰ型陶瓷堆即AⅠ型陶瓷堆(3)、BⅠ型陶瓷堆(13)、CⅠ型陶瓷堆(14)、DⅠ型陶瓷堆(15)、四组Ⅱ型陶瓷堆即AⅡ型陶瓷堆(4)、BⅡ型陶瓷堆(16)、CⅡ型陶瓷堆(17)、DⅡ型陶瓷堆(18)、三个Ⅰ-1型尼龙保护块即AⅠ-1型尼龙保护块(5)、BⅠ-1型尼龙保护块(19)、CⅠ-1型尼龙保护块(20)、一个Ⅰ-2型尼龙保护块(6)、三个Ⅱ-1型尼龙保护块即AⅡ-1型尼龙保护块(7)、BⅡ-1型尼龙保护块(21)、CⅡ-1型尼龙保护块(22)、一个Ⅱ-2型尼龙保护块(8)、垫片(9)、M14螺钉(10)、变幅杆(11)和锥形压套(12)；

变幅杆(11)与锥形压套(12)通过中部的定位圆柱台阶同轴布置，Ⅰ型陶瓷堆(3)、(13)、(14)、(15)及Ⅱ型陶瓷堆(4)、(16)、(17)、(18)分别置于变幅杆(11)与锥形压套(12)之间，并通过环氧树脂胶粘结连接，Ⅰ-1型尼龙保护块(5)、(19)、(20)及Ⅰ-2型尼龙保护块(6)置于锥形压套(12)的小端的间隙内，Ⅱ-1型尼龙保护块(7)、(21)、(22)及Ⅱ-2型尼龙保护块(22)置于锥形压套(12)的大端的间隙内，保护块与相邻零件(11)、(12)间亦采用环氧树脂胶粘结连接，上述零部件置于BT50刀柄的内腔内，通过刀柄后端的M14螺钉(10)、垫片(9)将其连接成整体，导电滑环(1)位于BT50刀柄的前端，通过螺纹连接；

所述导电滑环是中部设有圆孔且有供电输入、输出端口的圆盘形件，其功能是给高速旋转中的高声刀柄提供激励电压；

所述BT50刀柄是中部设有空腔、一端带锥柄另一端带台肩的筒形件，其功能有二，一是用于与机床主轴定心连接，二是容纳产生超声振动的装置；

所述Ⅰ型陶瓷堆是由铜电极片及压电陶瓷交替相叠并粘接在一起的构件，其功能是作为超声振动源激励其他相应零部件产生超声振动；

所述Ⅱ型陶瓷堆是由铜电极片及压电陶瓷交替相叠并粘接在一起的构件，其功能是作为超声振动源激励其他相应零部件产生超声振动；

所述Ⅰ-1型尼龙保护块是带弧面的五面体件，其功能是起绝缘保护作用，防止电极间的击穿现象及漏电；

所述Ⅰ-2型尼龙保护块是设有圆孔且带弧形的五面体件，其功能是起绝缘保护作用，防止电极间的击穿现象及漏电，中部通孔用于穿送导线；

所述Ⅱ-1型尼龙保护块是带弧面的五面体件，其功能是起绝缘保护作用，防止电极间的击穿现象及漏电；

所述Ⅱ-2型尼龙保护块是设有圆孔且带弧形的五面体件，其功能是起绝缘保护作用，防止电极间的击穿现象及漏电，中部通孔用于穿送导线；

所述垫片及M14螺钉，用于连接、拉紧；

所述变幅杆，圆柱端用于装夹铣刀、其中部和另一端呈八面体状，与八组陶瓷堆相连，其功能是对陶瓷堆产生的超声振动进行放大并将振动传递给铣刀；

所述锥形压套是两端各有四个均布压块、外形整体呈锥形的零件，其功能是对置于其内侧平面的陶瓷堆施加压紧力且与BT50刀柄连接。