CN108340023A - 一种用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，包括依次连接的第一级超声振动系统，第二级超声振动系统和超声切削刀具；第一级超声振动系统包括第一级换能器和第一级变幅杆；所述第二级超声振动系统包括第二级换能器和第二级变幅杆，第二级换能器包括第二级压电陶瓷片和第二级后盖板；所述第一级变幅杆的前端与所述第二级变幅杆连接。本发明产生大振幅的同时减小了超声振动系统的整体尺寸，有效降低由径向尺寸过大而产生的横向振动和由轴向尺寸过大而引起的超声切削刀具体积大转速低的问题，不仅可以满足超声切削纸蜂窝材料的需求，而且能减少能量传递损耗，降低加工成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声振动系统，具体涉及用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统。
背景技术
蜂窝芯复合材料因密度小质轻、高的比强度与比刚度、抗冲击能力强、良好的自熄性等特点而被广泛应用于航空航天、高速列车等诸多领域。蜂窝芯构件的加工传统上在高速机床上采用铣刀高速铣削的方法，但采用高速铣削加工蜂窝芯构件时，在铣刀铣削力的作用下经常出现蜂窝壁压溃缺陷，加工质量差，产生大量粉尘。近年来采用超声波机床以直刃尖刀或圆盘刀切削加工蜂窝芯，超声波切削加工蜂窝芯切削力小，表面质量高，毛刺和粉尘少，有很好的发展前景。
传统的超声辅助加工，超声振幅较小，如超声辅助磨削，要求砂轮高速回转，转速一般＞3000r/min，振幅范围在2～10微米，主要在超声振动冲击辅助下，以砂轮的高速划擦去除材料；超声辅助钻削，钻头转速范围在500～3000r/min，要求超声振幅大于10微米，在超声振动辅助作用下以切削刃的高速切削作用去除材料；而纸蜂窝的超声切削加工过程中，直刃尖刀不回转，圆盘刀转速很低，一般小于1500r/min，主要靠刀具的超声振动去除材料，这就要求超声振动系统振幅大于30微米，因此要求超声系统的放大倍数是传统振动系统振动放大倍数的5-10倍。
超声换能器产生的振幅经单一型变幅杆放大一般只有几或十几微米，很难满足超声切削蜂窝芯的加工要求。为了改善变幅杆的振动性能而获得较大的振幅，需要将单一型变幅杆组合成复合型变幅杆或多级变幅杆。复合型变幅杆或多级变幅杆为了获得更大的输出端振幅，轴向尺寸和径向尺寸较大，由此带来变幅杆轴向刚度差或超声振动系统整体尺寸过大的问题。超声焊接领域采用将几个超声振动系统级联的方式，几个超声变幅杆输出端振幅叠加后传递给焊接头；二维椭圆超声辅助车削领域将两个超声振动系统成一定角度放置(一般为相互垂直)，从而使车刀获得椭圆振动轨迹。前种方法由于体积和重量较大，无法直接应用于超声切削，后种方法难以实现单一方向的大振幅输出。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统。本发明采用的技术手段如下：
一种用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，包括依次连接的第一级超声振动系统，第二级超声振动系统和超声切削刀具；
所述第一级超声振动系统包括第一级换能器和第一级变幅杆，所述第一级换能器包括第一级压电陶瓷片和第一级后盖板，所述第一级变幅杆的后端具有第一级压电陶瓷片连接柱，所述第一级压电陶瓷片套接在所述第一级压电陶瓷片连接柱并通过所述第一级后盖板压紧在所述第一级变幅杆的后端；
所述第二级超声振动系统包括第二级换能器和第二级变幅杆，所述第二级换能器包括第二级压电陶瓷片和第二级后盖板，所述第二级变幅杆的后端具有第二级压电陶瓷片连接柱，所述第二级压电陶瓷片套接在所述第二级压电陶瓷片连接柱并通过所述第二级后盖板压紧在所述第二级变幅杆的后端；
所述第一级变幅杆的前端与所述第二级变幅杆连接；
所述第二级变幅杆的前端具有与所述超声切削刀具的连接端连接的刀具连接柱，所述刀具连接柱与所述超声切削刀具的连接端通过位于所述刀具连接柱上的螺纹盲孔连接。
所述第一级超声振动系统与所述第二级超声振动系统的谐振频率相差整数倍。
所述第一级变幅杆为1/4波长变幅杆，所述第二级变幅杆为整波长变幅杆，所述第一级变幅杆与所述第二级变幅杆的连接端(所述第一级变幅杆的前端与所述第二级变幅杆的连接处)为振动节点位置。
所述第一级超声振动系统和所述第二级超声振动系统与同一个超声电源的两个输出端相连，两个所述输出端分别输出频率相差整数倍、相位不同的两路超声电信号，使所述第一级超声振动系统和所述第二级超声振动系统达到不同的谐振状态。
所述第一级变幅杆与所述第二级变幅杆通过经磨削处理的法兰盘端面或者配合锥面定位，采用螺纹或过盈配合或焊接连接，连接后所述第一级超声振动系统与所述第二级超声振动系统同轴。
所述第一级变幅杆将由第一级换能器产生的纵向振动传递给第二级变幅杆，第二级变幅杆由第二级换能器产生的纵向振动与第一级变幅杆的纵向振动叠加后一同传递给超声切削刀具，使超声切削刀具的刀尖处的超声振幅达到最大值。
所述第一级变幅杆的前端具有第一级节面法兰盘和穿过所述第一级节面法兰盘的圆柱形凹槽；
所述第二级变幅杆的后端呈圆柱形，所述第二级变幅杆的中段呈圆台形，所述第二级变幅杆的中段大端通过第二级节面法兰盘与所述第二级变幅杆的后端连接，所述第二级变幅杆的中段小端与所述刀具连接柱连接；
所述第二级换能器和所述第二级变幅杆的后端位于所述圆柱形凹槽内，所述第二级换能器和所述第二级变幅杆的后端与所述圆柱形凹槽之间具有间隙，所述第一级变幅杆与所述圆柱形凹槽所对应的杆壁上设有两个对称设置且与所述圆柱形凹槽连通的出线口；
所述第一级节面法兰盘与所述第二级节面法兰盘贴合且通过连接螺栓连接。
所述第一级节面法兰盘与所述第二级节面法兰盘的直径相等；
所述第二级变幅杆的后端直径小于所述第二级节面法兰盘的直径；
所述第二级变幅杆的中段大端直径大小位于所述第二级变幅杆的后端直径和所述第二级节面法兰盘直径之间；
所述第二级变幅杆的中段小端直径等于所述刀具连接柱的直径且小于所述第二级变幅杆的后端直径。
所述第一级变幅杆的前端具有第一级连接柱；
所述第二级变幅杆的后端呈圆柱形；
所述第二级压电陶瓷片连接柱具有穿过所述第二级变幅杆的后端的圆柱形凹槽，与所述第二级换能器相对应的所述圆柱形凹槽的内壁具有内螺纹。
所述第一级连接柱的前端与所述圆柱形凹槽的槽底贴合，所述第一级连接柱的外壁设有与所述内螺纹相匹配的外螺纹，所述第一级变幅杆的前端与所述第二级压电陶瓷片连接柱和所述第二级后盖板之间具有间隙，避免因接触而产生声波干涉。
所述第二级变幅杆的前端呈圆台形，所述第二级变幅杆的后端和所述第二级变幅杆的前端之间通过圆盘连接，所述圆盘的位于所述第二级变幅杆的后端的端面与所述圆柱形凹槽的槽底位于同一平面内，所述第二级变幅杆的前端的大端与所述圆盘连接，所述第二级变幅杆的前端的小端与所述刀具连接柱；
所述第二级变幅杆的前端直径等于所述第二级变幅杆的前端的大端直径且小于所述圆盘的直径，所述第二级变幅杆的前端的小端直径大于所述刀具连接柱的直径。
与现有技术相比，本发明所述的一种用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，产生大振幅的同时减小了超声振动系统的整体尺寸，有效降低由径向尺寸过大而产生的横向振动和由轴向尺寸过大而引起的超声切削刀具体积大转速低的问题，不仅可以满足超声切削纸蜂窝材料的需求，而且能减少能量传递损耗，降低加工成本。
基于上述理由本发明可在加工技术等领域广泛推广。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明的实施例1中用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统的结构示意图。
图2是本发明的实施例1中用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统半剖示意图及其对应的振幅位移曲线图。
图3是本发明的实施例2中用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统的结构示意图。
图4是本发明的实施例2中用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统半剖示意图及其对应的振幅位移曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。
实施例1
如图1和图2所示，一种用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，包括依次连接的第一级超声振动系统，第二级超声振动系统和超声切削刀具1；
所述第一级超声振动系统包括第一级换能器和第一级变幅杆2，所述第一级换能器包括第一级压电陶瓷片3和第一级后盖板4，所述第一级变幅杆2的后端具有第一级压电陶瓷片连接柱5，所述第一级压电陶瓷片3套接在所述第一级压电陶瓷片连接柱5并通过所述第一级后盖板4压紧在所述第一级变幅杆2的后端；
所述第二级超声振动系统包括第二级换能器和第二级变幅杆6，所述第二级换能器包括第二级压电陶瓷片7和第二级后盖板8，所述第二级变幅杆6的后端具有第二级压电陶瓷片连接柱9，所述第二级压电陶瓷片套7接在所述第二级压电陶瓷片连接柱9并通过所述第二级后盖板8压紧在所述第二级变幅杆6的后端；
所述第一级变幅杆2的前端与所述第二级变幅杆6连接；
所述第二级变幅杆6的前端具有与所述超声切削刀具1的连接端连接的刀具连接柱10，所述刀具连接柱10与所述超声切削刀具1的连接端通过位于所述刀具连接柱10上的螺纹盲孔连接。
所述第一级超声振动系统与所述第二级超声振动系统的谐振频率相差整数倍。
所述第一级变幅杆2为1/4波长变幅杆，所述第二级变幅杆6为整波长变幅杆，所述第一级变幅杆2与所述第二级变幅杆6的连接端为振动节点位置。
所述第一级超声振动系统和所述第二级超声振动系统与同一个超声电源的两个输出端相连，两个所述输出端分别输出频率相差整数倍、相位不同的两路超声电信号。
所述第一级变幅杆2的前端具有第一级节面法兰盘11和穿过所述第一级节面法兰盘11的圆柱形凹槽12；
所述第二级变幅杆6的后端呈圆柱形，所述第二级变幅杆6的中段呈圆台形，所述第二级变幅杆6的中段大端通过第二级节面法兰盘13与所述第二级变幅杆6的后端连接，所述第二级变幅杆6的中段小端与所述刀具连接柱10连接；
所述第二级换能器和所述第二级变幅杆6的后端位于所述圆柱形凹槽12内，所述第二级换能器和所述第二级变幅杆6的后端与所述圆柱形凹槽12之间具有间隙，所述第一级变幅杆2与所述圆柱形凹槽12所对应的杆壁上设有两个对称设置且与所述圆柱形凹槽12连通的出线口14；
所述第一级节面法兰盘11与所述第二级节面法兰盘13贴合且通过周向均布的四个或多个连接螺栓15连接。
所述第一级节面法兰盘11与所述第二级节面法兰盘13的直径相等；
所述第二级变幅杆6的后端直径小于所述第二级节面法兰盘13的直径；
所述第二级变幅杆6的中段大端直径大小位于所述第二级变幅杆6的后端直径和所述第二级节面法兰盘13直径之间；
所述第二级变幅杆6的中段小端直径等于所述刀具连接柱10的直径且小于所述第二级变幅杆6的后端直径。
所述第一级变幅杆2和所述第二级变幅杆6采用同种材料制造，为保证连接可靠性及超声能量的有效传递，所述第一级节面法兰盘11与所述第二级节面法兰盘13的法兰盘端面为磨削端面，连接后所述第一级超声振动系统与所述第二级超声振动系统同轴。
从而使所述超声切削刀具1切削刃处的振幅达到最大值，如图2所示。
实施例2
如图3和图4所示，一种用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，包括依次连接的第一级超声振动系统，第二级超声振动系统和超声切削刀具1，连接后所述第一级超声振动系统与所述第二级超声振动系统同轴。
所述第一级超声振动系统包括第一级换能器和第一级变幅杆2，所述第一级换能器包括第一级压电陶瓷片3和第一级后盖板4，所述第一级变幅杆2的后端具有第一级压电陶瓷片连接柱5，所述第一级压电陶瓷片3套接在所述第一级压电陶瓷片连接柱5并通过所述第一级后盖板4压紧在所述第一级变幅杆2的后端；
所述第二级超声振动系统包括第二级换能器和第二级变幅杆6，所述第二级换能器包括第二级压电陶瓷片7和第二级后盖板8，所述第二级变幅杆6的后端具有第二级压电陶瓷片连接柱9，所述第二级压电陶瓷片套7接在所述第二级压电陶瓷片连接柱9并通过所述第二级后盖板8压紧在所述第二级变幅杆6的后端；
所述第一级变幅杆2的前端与所述第二级变幅杆6连接；
所述第二级变幅杆6的前端具有与所述超声切削刀具1的连接端连接的刀具连接柱10，所述刀具连接柱10与所述超声切削刀具1的连接端通过位于所述刀具连接柱10上的螺纹盲孔连接。
所述第一级超声振动系统与所述第二级超声振动系统的谐振频率相差整数倍。
所述第一级变幅杆2为1/4波长变幅杆，所述第二级变幅杆6为整波长变幅杆，所述第一级变幅杆2与所述第二级变幅杆6的连接端为振动节点位置。
所述第一级超声振动系统和所述第二级超声振动系统与同一个超声电源的两个输出端相连，两个所述输出端分别输出频率相差整数倍、相位不同的两路超声电信号。
所述第一级变幅杆2的前端具有第一级连接柱11；
所述第二级变幅杆2的后端呈圆柱形；
所述第二级压电陶瓷片连接柱9具有穿过所述第二级变幅杆6的后端的圆柱形凹槽12，与所述第二级换能器相对应的所述圆柱形凹槽12的内壁具有内螺纹；
所述第一级连接柱11的前端与所述圆柱形凹槽12的槽底贴合，所述第一级连接柱11的外壁设有与所述内螺纹相匹配的外螺纹，所述第一级变幅杆2的前端与所述第二级压电陶瓷片连接柱9和所述第二级后盖板8之间具有间隙。
所述第二级变幅杆6的前端呈圆台形，所述第二级变幅杆6的后端和所述第二级变幅杆6的前端之间通过圆盘13连接，所述圆盘13的位于所述第二级变幅杆6的后端的端面与所述圆柱形凹槽12的槽底位于同一平面内，所述第二级变幅杆6的前端的大端与所述圆盘13连接，所述第二级变幅杆6的前端的小端与所述刀具连接柱10；
所述第二级变幅杆6的前端直径等于所述第二级变幅杆6的前端的大端直径且小于所述圆盘13的直径，所述第二级变幅杆6的前端的小端直径大于所述刀具连接柱10的直径。
从而使所述超声切削刀具1切削刃处的振幅达到最大值，如图4所示。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，其特征在于，包括依次连接的第一级超声振动系统，第二级超声振动系统和超声切削刀具；
所述第一级超声振动系统包括第一级换能器和第一级变幅杆，所述第一级换能器包括第一级压电陶瓷片和第一级后盖板，所述第一级变幅杆的后端具有第一级压电陶瓷片连接柱，所述第一级压电陶瓷片套接在所述第一级压电陶瓷片连接柱并通过所述第一级后盖板压紧在所述第一级变幅杆的后端；
所述第二级超声振动系统包括第二级换能器和第二级变幅杆，所述第二级换能器包括第二级压电陶瓷片和第二级后盖板，所述第二级变幅杆的后端具有第二级压电陶瓷片连接柱，所述第二级压电陶瓷片套接在所述第二级压电陶瓷片连接柱并通过所述第二级后盖板压紧在所述第二级变幅杆的后端；
所述第一级变幅杆的前端与所述第二级变幅杆连接；
所述第二级变幅杆的前端具有与所述超声切削刀具的连接端连接的刀具连接柱，所述刀具连接柱与所述超声切削刀具的连接端通过位于所述刀具连接柱上的螺纹盲孔连接。
2.根据权利要求1所述的用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，其特征在于，所述第一级超声振动系统与所述第二级超声振动系统的谐振频率相差整数倍。
3.根据权利要求1所述的用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，其特征在于，所述第一级变幅杆为1/4波长变幅杆，所述第二级变幅杆为整波长变幅杆，所述第一级变幅杆与所述第二级变幅杆的连接端为振动节点位置。
4.根据权利要求1所述的用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，其特征在于，所述第一级超声振动系统和所述第二级超声振动系统与同一个超声电源的两个输出端相连，两个所述输出端分别输出频率相差整数倍、相位不同的两路超声电信号。
5.根据权利要求1所述的用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，其特征在于，所述第一级变幅杆与所述第二级变幅杆通过经磨削处理的法兰盘端面或者配合锥面定位，采用螺纹或过盈配合或焊接连接，连接后所述第一级超声振动系统与所述第二级超声振动系统同轴。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，其特征在于，所述第一级变幅杆的前端具有第一级节面法兰盘和穿过所述第一级节面法兰盘的圆柱形凹槽；
所述第二级变幅杆的后端呈圆柱形，所述第二级变幅杆的中段呈圆台形，所述第二级变幅杆的中段大端通过第二级节面法兰盘与所述第二级变幅杆的后端连接，所述第二级变幅杆的中段小端与所述刀具连接柱连接；
所述第二级换能器和所述第二级变幅杆的后端位于所述圆柱形凹槽内，所述第二级换能器和所述第二级变幅杆的后端与所述圆柱形凹槽之间具有间隙，所述第一级变幅杆与所述圆柱形凹槽所对应的杆壁上设有两个对称设置且与所述圆柱形凹槽连通的出线口；
所述第一级节面法兰盘与所述第二级节面法兰盘贴合且通过连接螺栓连接。
7.根据权利要求6所述的用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，其特征在于，所述第一级节面法兰盘与所述第二级节面法兰盘的直径相等；
所述第二级变幅杆的后端直径小于所述第二级节面法兰盘的直径；
所述第二级变幅杆的中段大端直径大小位于所述第二级变幅杆的后端直径和所述第二级节面法兰盘直径之间；
所述第二级变幅杆的中段小端直径等于所述刀具连接柱的直径且小于所述第二级变幅杆的后端直径。
8.根据权利要求1-5任一权利要求所述的用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，其特征在于，所述第一级变幅杆的前端具有第一级连接柱；
所述第二级变幅杆的后端呈圆柱形；
所述第二级压电陶瓷片连接柱具有穿过所述第二级变幅杆的后端的圆柱形凹槽，与所述第二级换能器相对应的所述圆柱形凹槽的内壁具有内螺纹；
所述第一级连接柱的前端与所述圆柱形凹槽的槽底贴合，所述第一级连接柱的外壁设有与所述内螺纹相匹配的外螺纹，所述第一级变幅杆的前端与所述第二级压电陶瓷片连接柱和所述第二级后盖板之间具有间隙。
9.根据权利要8所述的用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，其特征在于，所述第二级变幅杆的前端呈圆台形，所述第二级变幅杆的后端和所述第二级变幅杆的前端之间通过圆盘连接，所述圆盘的位于所述第二级变幅杆的后端的端面与所述圆柱形凹槽的槽底位于同一平面内，所述第二级变幅杆的前端的大端与所述圆盘连接，所述第二级变幅杆的前端的小端与所述刀具连接柱；
所述第二级变幅杆的前端直径等于所述第二级变幅杆的前端的大端直径且小于所述圆盘的直径，所述第二级变幅杆的前端的小端直径大于所述刀具连接柱的直径。
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