CN105522211A - 一种纵向激励式超声振动铣削刀柄装置 - Google Patents

Abstract

一种纵向激励式超声振动铣削刀柄装置，它是由导电滑环，超声振动铣削换能器，非标BT50刀柄组成；超声振动铣削换能器通过法兰与非标BT50刀柄进行连接，最后将导电滑环用螺栓固定在非标BT50刀柄上；本发明通过气冷的方式解决了超声振动铣削换能器发热的问题，从而使其能够长时间稳定的工作，同时本发明能够很方便与传统的铣床、加工中心进行连接，实现高频超声振动铣削，对钛合金、复合材料以及硬脆材料等进行高效、高质量和高精度铣削。该装置在铣削领域，特别是航空航天工程技术领域具有推广应用价值。

Description

一种纵向激励式超声振动铣削刀柄装置

技术领域：

本发明提供一种纵向激励式超声振动铣削刀柄装置，它涉及一种纵向激励式超声振动铣削刀柄，可安装于传统铣削设备上，对材料实现超声振动铣削加工。属于超声振动铣削技术领域。

背景技术：

随着航空航天事业的快速发展，对飞行器的性能要求也不断提高，现代飞行器在保证满足飞行器所要求的强度与刚度等设计性能要求的情况下，减轻结构重量、提高飞机结构的整体性是必然发展趋势，采用钛合金、复合材料等材料的薄壁结构件具有高强度、重量轻、高承载等特点，在航空航天领域得到了越来越广泛的应用。在薄壁零件加工过程中面临由于切削力大、切削温度高以及颤振等因素的影响，导致的零件加工精度低、效率低、刀具寿命低以及零件表面质量差等问题，甚至整个工件的报废，严重影响加工效率。因此，高精度、高质量以及高效率的加工技术已成为航空航天领域的迫切需求。

超声振动切削属于高频断续切削，相对于传统切削有很多优势：显著降低切削力、提高加工精度和表面质量、抑制颤振、减小残余应力抑制加工变形、延长刀具寿命等。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到钛合金薄壁铣削、陶瓷等硬脆材料以及复合材料加工中，方式能够显著降低切削力、减小让刀变形、提高加工精度、抑制加工颤振、提高加工质量以及延长刀具寿命等；对于复材加工可以显著减少材料分层、撕裂、起毛等加工缺陷的产生，提高加工质量。

国内外对于超声铣削技术的研究很少，大多数是将工件驱动起来，令工件进行振动，并且现有的超声铣削设备多为大型超声机床，价格昂贵，且大多面向复材、玻璃等硬脆材料的加工。

发明内容：

本发明的目的是提供一种纵向激励式超声振动铣削刀柄装置，它是一种小型化、高刚性的，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振动铣削加工，充分发挥超声振动铣削加工的优良特性，提高零件的加工精度、质量和效率。

技术方案：

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

本发明一种纵向激励式超声振动铣削刀柄装置，主要包括：导电滑环，超声振动铣削换能器，非标BT50刀柄以及连接固定所需标准的M3和M4螺栓。它们相互之间的连接关系是：超声振动铣削换能器通过法兰与非标BT50刀柄通过标准的M4螺栓进行连接，最后将导电滑环用标准的M3的螺栓固定在非标BT50刀柄上。

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超声刀柄提供激励电压；导电滑环包括转子和定子，导电滑环定子设有定子固定部位，间接固定在机床主轴外壳上，不旋转，从而实现了回转供电。该定子固定部位是将导电滑环定子直径方向伸出一部分，并在上面设有6个通孔，用于通过标准的M3的螺栓将导电滑环固定到非标BT50刀柄上面。

所述超声振动铣削换能器是由非标铣刀、前盖板、陶瓷堆、后盖板以及紧固螺栓组成。它们的连接关系是非标铣刀通过螺纹的连接方式连接到前盖板上，然后前盖板、陶瓷堆和后盖板通过紧固螺栓连接起来。

该非标铣刀是将标准的硬质合金铣刀末端热装螺纹头，用于与前盖板螺纹孔进行连接，该连接方式拆装方便而且不易产生掉刀；此外该非标铣刀相当于超声振动铣削换能器的变幅杆。

该前盖板设有前盖板法兰，且前盖板法兰上面开有通孔，用于与非标BT50刀柄的法兰连接部位配合连接，将超声振动铣削换能器很好的刀固定在非标BT50刀柄上；该前盖板法兰上面还开有通气孔，用于超声振动铣削换能器的冷却，解决超声振动铣削换能器的发热问题。该超声振动铣削换能器发热问题的解决是通过机床主轴中心出气、非标BT50刀柄以及超声振动铣削换能器前盖板的通气孔三个位置实现的，其实现方式为：机床主轴中心出来的气体，通过非标BT50刀柄内部的空腔吹到超声振动铣削换能器上面，然后气体从超声振动铣削换能器前盖板的通气孔吹出，从而气体将超声振动铣削换能器的热量带走，实现超声振动铣削换能器的冷却，解决了超声振动铣削换能器的发热问题。

该陶瓷堆是由压电陶瓷片和铜电极构成，将四片纵向极化的压电陶瓷片，按照相邻两片压电陶瓷片极化方向相反布置，将铜电极放置到两片压电陶瓷片之间，用于向压电陶瓷片加载电压。

该后盖板上面开有通孔，用于紧固螺栓的通过，将其与超声振动铣削换能器的其他部分进行连接。

该紧固螺栓用于将超声振动铣削换能器的前盖板、陶瓷堆和后盖板进行连接，并施加相应的预紧力，从而组成超声振动铣削换能器。

所述非标BT50刀柄内部设有空腔、一端带锥柄另一端带法兰连接部位和导电滑环连接部位，其功能有三：一是用于与机床主轴定心连接；二是容纳超声振动铣削换能器的装置，且内部做成空心为超声振动铣削换能器气冷做准备；三是与导电滑环进行连接。

该空腔是将原有标准BT50刀柄内部掏空所形成的，其目的是将超声振动铣削换能器放入其中，并且为超声振动铣削换能器的气冷提供条件。

该锥柄与标准BT50刀柄规格一致，作用也相同，用于与机床连接。

该法兰连接部位用于和超声振动铣削换能器连接，该法兰连接部位设有6个螺纹孔，用于通过标准的M4的螺栓将超声振动铣削换能器进行很好的固定。

该导电滑环连接部位，用于和导电滑环进行连接，该导电滑环连接部位设有6个螺纹孔，用于通过标准的M3的螺栓将导电滑环固定到非标BT50刀柄上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明采用超声纵振形式与铣削工艺相结合，制作出超声铣削刀柄，该刀柄相较于传统铣削方式，能够提高工件的加工精度、质量和效率。

2、本发明采用纵向激励的方式，实现铣刀的超声纵向振动的同时，保证刀柄具有良好的刚性。非标铣刀相当于超声振动铣削换能器的变幅杆，具有振幅大、效率高的优点。

3、本发明非标的非标铣刀，在标准硬质合金铣刀末端热装螺纹头，然后连接到超声振动铣削换能器的前盖板上面，该螺纹连接方式拆装方便且不会产生掉刀现象。

4、本发明可应用于多数数控加工铣床，可以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。

5、本发明充分考虑到超声振动铣削换能器由于工作时间长而产生的发热问题，并通过将标准BT50刀柄制作成空心结构，以及在超声振动铣削换能器的前盖板上面设有通气孔的方式，实现超声振动铣削换能器的气冷，从而解决超声振动铣削换能器的发热问题。

附图说明：

图1是本发明一种纵向激励式超声振动铣削刀柄装置的整体外观图。

图2是本发明一种纵向激励式超声振动铣削刀柄装置的剖视图。

图3为本发明一种纵向激励式超声振动铣削刀柄装置的分解图。

图4是本发明的导电滑环部分。

图5是本发明超声振动铣削换能器及其分解图。

图5A是本发明换能器的变幅杆也即本发明的非标铣刀。

图5B是本发明换能器的前盖板。

图5C是本发明换能器的陶瓷堆。

图5D是本发明换能器的后盖板。

图5E是本发明换能器的紧固螺栓。

图6是本发明的非标BT50刀柄。

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，本发明是一种纵向激励式超声振动铣削刀柄装置，组成构件包括：导电滑环1、超声铣削换能器2、非标BT50刀柄3三大部分。它们相互之间的连接关系是：超声振动铣削换能器2通过法兰与非标BT50刀柄3通过标准的M4螺栓5进行连接，最后将导电滑环1用标准的M3的螺栓4固定在非标BT50刀柄3上。

一、导电滑环1

导电滑环1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超声刀柄提供激励电压；导电滑环定子设有定子固定部位1.1，间接固定在机床主轴外壳上，不旋转，从而实现了回转供电；

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通过端口1.3为刀柄提供超声激励电压。用标准的M3的螺栓4通过与B非标T50刀柄导电滑环配合面上的螺纹孔Ⅰ3.1和定子固定部位1.1上的6个通孔1.2的配合，将导电滑环1固定到非标BT50刀柄3的导电滑环连接部位3.5上面，从而实现在非标BT50刀柄3在高速旋转的同时，导电滑环1对超声振动铣削换能器2进行旋转供电。

二、超声振动铣削换能器2

参见图5所示，超声振动铣削换能器是由非标铣刀(变幅杆)2.1、前盖板2.2、陶瓷堆2.3、后盖板2.4和紧固螺栓2.5组成，它们的连接关系是非标铣刀2.1通过螺纹的连接方式连接到前盖板2.2上，然后前盖板2.2、陶瓷堆2.3和后盖板2.4依次通过紧固螺栓2.5连接起来。

如图5A所示，为非标铣刀2.1也是超声振动铣削换能器的变幅杆部分，该非标铣刀2.1是由标准硬质合金铣刀2.1.1和热装螺纹接口2.1.2组成，用于与前盖板螺纹孔Ⅰ2.2.1进行连接，该连接方式拆装方便而且不易产生掉刀，实现了硬质合金铣刀2.1.1与超声振动铣削换能器前盖板2.2的方便连接，同时也提供了一种新的连接方式。

如图5B所示，为超声振动铣削换能器的前盖板2.2，其上设置有连接非标铣刀2.1的螺纹孔Ⅰ2.2.1；以及为了与非标BT50刀柄3很好的连接，在前盖板2.2上设置有前盖板法兰2.2.2，并且前盖板法兰2.2.2上设有前盖板通孔2.2.4；用标准的M4的螺栓5通过非标BT50刀柄的法兰连接部位3.3和非标BT50刀柄的螺纹孔Ⅱ3.2将前盖板法兰2.2.2固定在非标BT50刀柄3上；

另外为了超声振动铣削换能器2的冷却，在前盖板法兰2.2.2上还设有前盖板通气孔2.2.3，解决了超声振动铣削换能器2的发热问题。用紧固螺栓2.5通过前盖板螺纹孔Ⅱ2.2.5与陶瓷堆2.3和后盖板2.4连接。

该超声振动铣削换能器2发热问题的解决是通过机床主轴中心出气、非标BT50刀柄3以及超声振动铣削换能器前盖板的通气孔2.2.3三个位置实现的。其实现方式为：机床主轴中心出来的气体，通过非标BT50刀柄的内部空腔3.4吹到超声振动铣削换能器2上面，然后气体从超声振动铣削换能器前盖板的通气孔2.2.3吹出，从而气体将超声振动铣削换能器2的热量带走，实现超声振动铣削换能器2的冷却，解决了超声振动铣削换能器2的发热问题。

如图5C所示，为超声振动铣削换能器的陶瓷堆2.3，该陶瓷堆2.3是由压电陶瓷片2.3.1和铜电极2.3.2构成，将四片纵向极化的压电陶瓷片2.3.1，按照相邻两片压电陶瓷片2.3.1极化方向相反布置，将铜电极2.3.2放置到两片压电陶瓷片2.3.1之间，用于向压电陶瓷片2.3.1加载电压，然后将其粘接起来。

如图5D所示，为超声振动铣削换能器的后盖板2.4，该后盖板上面开有通孔2.4.1，用于螺栓2.5的通过，连接陶瓷堆2.3和前盖板2.2。

如图5E所示，为超声振动铣削换能器的紧固螺栓2.5，通过与前盖板螺纹孔Ⅱ2.2.5的配合将后盖板2.4、陶瓷堆2.3和前盖板2.2进行连接，施加预紧力，从而组成超声振动铣削换能器2。

三、非标BT50刀柄

如图6所示，为本发明一种纵向激励式超声振动铣削刀柄装置中的非标BT50刀柄3，该刀柄不同于传统的BT50刀柄，所述非标BT50刀柄3设有内部空腔3.4、一端带锥柄3.6另一端带法兰连接部位3.3和导电滑环连接部位3.5，并且该非标BT50刀柄的法兰连接部位3.3和导电滑环连接部位3.5分别设置有螺纹孔Ⅰ和螺纹孔Ⅱ，分别用于导电滑环1和超声振动铣削换能器2的固定；

该非标BT50刀柄3其功能有三：一是用于与机床主轴定心连接；二是容纳超声振动铣削换能器2的装置，且内部做成空心为超声振动铣削换能器气2冷做准备；三是与导电滑环1进行连接。

如其剖视图所示，为了将其与换能器耦合到一起，其设有内部空腔3.4，该空腔3.4是将原有标准BT50刀柄内部掏空所形成的，其目的是将超声振动铣削换能器2放入其中，并且为超声振动铣削换能器2的气冷提供条件。

非标BT50刀柄3的锥柄3.6与标准BT50刀柄规格一致，作用也相同，用于与机床连接。

该非标BT50刀柄3的法兰连接部位3.3用于和超声振动铣削换能器2连接，该法兰连接部位3.3设有6个螺纹孔，用于通过标准的M4的螺栓5将超声振动铣削换能器2进行很好的固定。

该非标BT50刀柄3的导电滑环连接部位3.5，用于和导电滑环1进行连接，该导电滑环连接部位3.5设有6个螺纹孔3.2，用于通过标准的M3的螺栓4将导电滑环1固定到非标BT50刀柄3上。

Claims (1)

1.一种纵向激励式超声振动铣削刀柄装置，其特征在于：它是由导电滑环，超声振动铣削换能器，非标BT50刀柄组成；它们相互之间的连接关系是：超声振动铣削换能器通过法兰与非标BT50刀柄通过螺栓进行连接，最后将导电滑环用螺栓固定在非标BT50刀柄上；

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超声刀柄提供激励电压；该导电滑环包括转子和定子，导电滑环定子设有定子固定部位，间接固定在机床主轴外壳上，不旋转，从而实现了回转供电；该定子固定部位是将导电滑环定子直径方向伸出一部分，并在上面设有通孔；

所述超声振动铣削换能器是由非标铣刀、前盖板、陶瓷堆、后盖板以及紧固螺栓组成；它们的连接关系是非标铣刀通过螺纹的连接方式连接到前盖板上，然后前盖板、陶瓷堆和后盖板通过紧固螺栓连接起来；

该非标铣刀是将标准的硬质合金铣刀末端热装螺纹头，用于与前盖板螺纹孔进行连接；

该前盖板设有前盖板法兰，且前盖板法兰上面开有通孔，用于与非标BT50刀柄的法兰连接部位配合连接；该前盖板法兰上面还开有通气孔；

该陶瓷堆是由压电陶瓷片和铜电极构成，将四片纵向极化的压电陶瓷片，按照相邻两片压电陶瓷片极化方向相反布置，将铜电极放置到两片压电陶瓷片之间，用于向压电陶瓷片加载电压；

该后盖板上面开有通孔，用于紧固螺栓的通过；

所述非标BT50刀柄内部设有空腔、一端带锥柄另一端带法兰连接部位和导电滑环连接部位；该空腔是将原有标准BT50刀柄内部掏空所形成；该法兰连接部位用于和超声振动铣削换能器连接，该法兰连接部位设有螺纹孔；该导电滑环连接部位，用于和导电滑环进行连接，该导电滑环连接部位设有螺纹孔，用于通过螺栓将导电滑环固定到非标BT50刀柄上。