CN108436185B - 一种用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆，其特征在于，包括变幅杆内冷连接螺钉，超声切削变幅杆连接座、快换式超声切削变幅杆芯和超声切削刀具。本发明从超声切削实际出发，在满足蜂窝芯超声切削高质高效加工需求的同时，具有拆卸方便互换性强等优点，可提高蜂窝芯超声切削的加工效率和自动化水平。

Description

一种用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆

技术领域

本发明涉及一种用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆，属于蜂窝芯材料超声切削加工领域。

背景技术

蜂窝芯材料作为一种轻质高强的填充材料，常被应用于航空航天领域。蜂窝芯材料的超声切削具有加工效率高，加工后表面质量好等特点，相对传统的高速铣削方法具有明显的加工优势。

蜂窝芯材超声切削工艺的实现离不开超声切削变幅杆。在具体切割过程中，超声切削变幅杆将换能器的超声振动进行放大，进而驱动变幅杆前端连接的超声切削刀具，实现蜂窝芯材料的超声切削加工。相对于传统的超声辅助磨削、超声辅助钻削和超声辅助铣削等超声振动系统，超声切削系统的刀具振幅要求极高，往往是其它超声辅助加工系统振幅的5～10倍以上，这对超声振动系统变幅杆的设计提出了极高的要求和挑战。除此之外，超声切削振动系统还有系统稳定性要求高、装夹精度要求高等特点。

因此，用于超声切削系统的变幅杆和传统变幅杆相比，有如下特点：

超声切削变幅杆的振幅要求高：与传统的超声车削、超声磨削、超声钻削、超声焊接与喷丸加工的数微米振幅需求不同，超声切削的振幅是传统超声加工振幅大小的5～10倍，在超声换能器输出振动振幅一定的前提下，要求超声变幅杆的放大倍数要高于传统变幅杆振动放大倍数的5～10倍，从而实现超声刀具几十微米的大振幅输出，完成蜂窝芯材料的超声切削加工。现有变幅杆由于振幅小，不能直接应用于蜂窝芯的超声切削。如何将换能器产生的数微米的超声振动进行高倍放大，是超声切削变幅杆不同于传统超声变幅杆的设计难点；

传统的超声变幅杆常采用整体式变幅杆结构，由于不同的刀具负载对于超声变幅杆的谐振状态影响较大，这种整体式变幅杆无法同时满足更换不同刀具的使用需求；尤其在蜂窝芯超声切削领域，为实现特定结构的加工，常用到不同规格的圆片刀和直刃尖刀等超声刀具，需要多把刀具配合使用，才能实现最终的蜂窝芯材料加工。由于刀具的形状和规格差异较大，如果沿用传统的整体式变幅杆设计，需要针对于每种超声刀具规格，分别设计不同的变幅杆从而组成不同的超声振动系统；而多振动系统的设计使得振动系统的制造成本成倍增加；同时整体式变幅杆为了实现不同超声刀具的转换，只能对于整个超声振动系统进行更换。而对于超声振动系统的更换需要设计专用的复杂的机械和电气结构才能实现，进一步增加了系统的设计难度和制造成本。多振动系统间的更换降低了加工效率和系统的稳定性，从而限制了超声切削的自动化水平。

超声切削变幅杆在其实际使用过程中所面对的其它问题：包括如何在保证超声切削刀具稳定可靠、高精度装夹的同时，不影响超声振幅的有效传递，是超声切削变幅杆需要考虑的问题。此外超声切削变幅杆在数十微米的大振幅条件下，刀具连接面间会出现严重的发热现象，如何进行散热，保证系统的稳定工作也是超声切削变幅杆的设计难点。此外超声切削变幅杆还需要考虑结构隔振等问题，这些问题都为超声切削变幅杆的设计带来了严峻的挑战。

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超声切削系统的变幅杆，其为具备大振幅输出能力的考虑不同振动系统间互换性要求的蜂窝芯超声切削变幅杆，解决了传统超声加工系统无法切削蜂窝芯材料的难题，提高了超声切削的自动化水平。

本发明采用的技术手段如下：

一种用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆，包括变幅杆内冷连接螺钉，超声切削变幅杆连接座、快换式超声切削变幅杆芯和超声切削刀具；

所述变幅杆内冷连接螺钉呈圆柱形，其内部具有沿所述变幅杆内冷连接螺钉的轴线贯穿所述变幅杆内冷连接螺钉两端的内冷连接腔，所述变幅杆内冷连接螺钉的外壁具有内冷连接螺钉螺纹；

所述超声切削变幅杆连接座呈圆柱形，所述超声切削变幅杆连接座的下端具有与变幅杆安装与定位接口相匹配的定位连接法兰(所述定位连接法兰与所述变幅杆安装与定位接口采用端面和径向定位，保证所述用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆轴向和径向的准确定位和整体精度；所述定位连接法兰与所述变幅杆安装与定位接口可采用螺纹连接、过盈配合连接或夹紧连接等连接形式)，所述超声切削变幅杆连接座的轴线位置设有贯穿所述超声切削变幅杆连接座两端的阶梯孔，所述阶梯孔包括从所述超声切削变幅杆连接座的上端穿出的小径孔和从所述超声切削变幅杆连接座的下端穿出的大径孔，所述小径孔呈圆柱形，其孔壁设有与所述内冷连接螺钉螺纹相匹配的小径孔螺纹，所述大径孔为锥形孔，其小端与所述小径孔连通，所述大径孔的孔壁上部设有环形内冷连接腔，所述超声切削变幅杆连接座内设有多个以所述超声切削变幅杆连接座的轴线为轴周向均匀分布的横向内冷孔，所述横向内冷孔由所述环形内冷连接腔的一侧穿进，由所述环形内冷连接腔的另一侧穿出，所述横向内冷孔的两端分别通过横向内冷孔填充块密封，位于所述横向内冷孔下侧的所述超声切削变幅杆连接座内设有环形冷却槽，所述环形冷却槽的上端与所述横向内冷孔连通，所述环形冷却槽的下端从所述定位连接法兰的下端穿出；

所述快换式超声切削变幅杆芯的上端具有与所述大径孔的锥度相匹配的圆锥台，所述快换式超声切削变幅杆芯通过所述圆锥台与所述大径孔自锁锥面配合连接(采用自锁锥面配合连接，在方便切换不同超声切削系统的同时，保证了所述用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆的连接精度和超声能量的可靠传递，所述自锁锥面可采用包括莫氏锥度在内的具有自锁功能的连接锥面，由于超声切削的转速不超过1500r/min，且超声切削时刀具的受力小，所以使用过程中，只需要依靠自锁力就可以实现二者的快速连接)，所述圆锥台的上端与所述小径孔之间具有间隙，所述圆锥台内具有倒T形孔，所述倒T形孔的上端与所述间隙连通，所述倒T形孔的下端分别与所述环形内冷连接腔连通，所述倒T形孔的下端的轴线与所述横向内冷孔的轴线位于同一直线上，所述快换式超声切削变幅杆芯的中部具有拆卸盘，所述拆卸盘具有拆卸盘外螺纹(通过带有与所述拆卸盘外螺纹相匹配的内螺纹的变幅杆芯拆卸环，依靠螺纹升力和所述超声切削变幅杆连接座间的反作用力，可快速实现所述快换式超声切削变幅杆芯的灵活更换，实现不同超声切削系统的切换)，所述快换式超声切削变幅杆芯的下端具有连接所述超声切削刀具的超声切削刀具连接柱。

所述超声切削刀具连接柱的下端具有连接所述超声切削刀具的螺纹盲孔，所述螺纹盲孔包括螺纹盲孔螺纹段和位于所述螺纹盲孔开口的锥孔，所述超声切削刀具的连接部具有与所述螺纹盲孔螺纹段和所述锥孔相匹配的螺纹段和锥段(方便所述超声切削刀具的自动定心和装夹，同时保证超声能量的有效传递，相比传统的柱面与端面配合，锥面配合可以实现所述超声切削刀具的轴向和径向定位和紧固，提高了所述超声切削刀具与所述快换式超声切削变幅杆芯之间的配合精度和超声能量传递效率)。

位于所述定位连接法兰上部的所述超声切削变幅杆连接座的外壁具有与所述超声切削变幅杆连接座同轴的环形隔振槽，所述环形隔振槽的下端，所述变幅杆安装与定位接口的上端和所述定位连接法兰的上端位于同一平面内(所述环形隔振槽与所述变幅杆安装与定位接口配合发挥作用，同时所述环形冷却槽也起到隔振减振的效果)。

所述超声切削变幅杆连接座的上端直径与所述超声切削刀具连接柱的下端直径的变径比大于等于2。

所述用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆的节点设置在所述定位连接法兰下表面处，振幅最大位置设置在所述超声切削刀具的前端；

所述定位连接法兰的下表面到所述超声切削变幅杆连接座后端的距离为四分之一波长加上半波长的整数倍，所述定位连接法兰的下表面到所述超声切削刀具的前端的距离为四分之三波长加上半波长的整数倍。

所述超声切削刀具连接柱的外壁为圆锥形、圆柱形、圆锥圆柱复合形或指数、阶梯、悬链线、贝塞尔曲线等函数形成的外轮廓面。

所述环形内冷连接腔呈锥环状，且与所述大径孔的锥度相一致。

所述锥孔的锥面角度为1°～10°。

所述内冷连接腔，所述间隙，所述倒T形孔，所述环形内冷连接腔，所述横向内冷孔和所述环形冷却槽可供通入冷却空气，一方面实现在切换所述快换式超声切削变幅杆芯的过程中，使所述大径孔保持清洁，保证所述圆锥台与所述大径孔连接后的清洁和超声的有效传递，另一方面在工作状态下，通过冷却空气还能为工作中的所述超声切削刀具进行散热，提高所述用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆的工作稳定性。

超声切削变幅杆连接座后端与换能器相连接。

更换超声切削刀具时，不需要更换整个系统，只需更换与超声切削刀具相连的快换式超声切削变幅杆芯即可实现达到不同超声切削系统的快速更换的效果。

本发明从超声切削实际出发，在满足蜂窝芯超声切削高质高效加工需求的同时，具有拆卸方便互换性强等优点，可提高蜂窝芯超声切削的加工效率和自动化水平。

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是本发明的具体实施方式中用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆的结构示意图和位移分布曲线示意图。

图2是本发明的具体实施方式中用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆的剖视图。

图3是本发明的具体实施方式中切削变幅杆连接座的剖视图。

图4是本发明的具体实施方式中切削变幅杆连接座的仰视图。

图5是本发明的具体实施方式中快换式超声切削变幅杆芯和超声切削刀具(圆片刀)的装配示意图。

图6是本发明的具体实施方式中快换式超声切削变幅杆芯和超声切削刀具(直刃尖刀)的装配示意图。

图7是本发明的具体实施方式中用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆的拆卸示意图。

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。

如图1～图7所示，一种用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆，包括变幅杆内冷连接螺钉1，超声切削变幅杆连接座2、快换式超声切削变幅杆芯3和超声切削刀具4；

所述变幅杆内冷连接螺钉1呈圆柱形，其内部具有沿所述变幅杆内冷连接螺钉1的轴线贯穿所述变幅杆内冷连接螺钉1两端的内冷连接腔5，所述变幅杆内冷连接螺钉1的外壁具有内冷连接螺钉螺纹6；

所述超声切削变幅杆连接座2呈圆柱形，所述超声切削变幅杆连接座2的下端具有与变幅杆安装与定位接口7相匹配的定位连接法兰8，所述超声切削变幅杆连接座2的轴线位置设有贯穿所述超声切削变幅杆连接座2两端的阶梯孔，所述阶梯孔包括从所述超声切削变幅杆连接座2的上端穿出的小径孔9和从所述超声切削变幅杆连接座2的下端穿出的大径孔10，所述小径孔9呈圆柱形，其孔壁设有与所述内冷连接螺钉螺纹6相匹配的小径孔螺纹11，所述大径孔10为锥形孔，其小端与所述小径孔9连通，所述大径孔10的孔壁上部设有环形内冷连接腔12，所述超声切削变幅杆连接座2内设有多个以所述超声切削变幅杆连接座2的轴线为轴周向均匀分布的横向内冷孔13，所述横向内冷孔13由所述环形内冷连接腔12的一侧穿进，由所述环形内冷连接腔12的另一侧穿出，所述横向内冷孔13的两端分别通过横向内冷孔填充块14密封，位于所述横向内冷孔13下侧的所述超声切削变幅杆连接座2内设有环形冷却槽15，所述环形冷却槽15的上端与所述横向内冷孔13连通，所述环形冷却槽15的下端从所述定位连接法兰8的下端穿出；

所述快换式超声切削变幅杆芯3的上端具有与所述大径孔10的锥度相匹配的圆锥台16，所述快换式超声切削变幅杆芯3通过所述圆锥台16与所述大径孔10自锁锥面配合连接，所述圆锥台16的上端与所述小径孔9之间具有间隙，所述圆锥台16内具有倒T形孔17，所述倒T形孔17的上端与所述间隙连通，所述倒T形孔17的下端分别与所述环形内冷连接腔12连通，所述倒T形孔17的下端的轴线与所述横向内冷孔13的轴线位于同一直线上，所述快换式超声切削变幅杆芯3的中部具有拆卸盘18，所述拆卸盘18具有拆卸盘外螺纹，所述快换式超声切削变幅杆芯3的下端具有连接所述超声切削刀具4的超声切削刀具连接柱19。

所述超声切削刀具连接柱19的下端具有连接所述超声切削刀具的螺纹盲孔，所述螺纹盲孔包括螺纹盲孔螺纹段20和位于所述螺纹盲孔开口的锥孔21，所述超声切削刀具4的连接部具有与所述螺纹盲孔螺纹段20和所述锥孔21相匹配的螺纹段和锥段。

位于所述定位连接法兰8上部的所述超声切削变幅杆连接座2的外壁具有与所述超声切削变幅杆连接座2同轴的环形隔振槽22，所述环形隔振槽22的下端，所述变幅杆安装与定位接口7的上端和所述定位连接法兰8的上端位于同一平面内。

所述超声切削变幅杆连接座2的上端直径与所述超声切削刀具连接柱19的下端直径的变径比大于等于2。

所述用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆的节点设置在所述定位连接法兰8下表面处，振幅最大位置设置在所述超声切削刀具4的前端；

所述定位连接法兰8的下表面到所述超声切削变幅杆连接座2的后端的距离为四分之一波长加上半波长的整数倍，所述定位连接法兰8的下表面到所述超声切削刀具4的前端的距离为四分之三波长加上半波长的整数倍。

所述超声切削刀具连接柱19的外壁为圆柱形，如图2所示；指数形，如图5所示；圆锥圆柱复合形，如图6所示；外壁也可为悬链线、贝塞尔曲线等函数形成的外轮廓面。

所述环形内冷连接腔12呈锥环状，且与所述大径孔10的锥度相一致。

所述锥孔21的锥面角度为1°～10°。

通过带有与所述拆卸盘18外螺纹相匹配的内螺纹的变幅杆芯拆卸环23，依靠螺纹升力和所述超声切削变幅杆连接座2间的反作用力，可快速实现所述快换式超声切削变幅杆芯3灵活更换，实现不同超声切削系统间的切换。

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 (8)

1.一种用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆，其特征在于，包括变幅杆内冷连接螺钉，超声切削变幅杆连接座、快换式超声切削变幅杆芯和超声切削刀具；

所述变幅杆内冷连接螺钉呈圆柱形，其内部具有沿所述变幅杆内冷连接螺钉的轴线贯穿所述变幅杆内冷连接螺钉两端的内冷连接腔，所述变幅杆内冷连接螺钉的外壁具有内冷连接螺钉螺纹；

所述超声切削变幅杆连接座呈圆柱形，所述超声切削变幅杆连接座的下端具有与变幅杆安装与定位接口相匹配的定位连接法兰，所述超声切削变幅杆连接座的轴线位置设有贯穿所述超声切削变幅杆连接座两端的阶梯孔，所述阶梯孔包括从所述超声切削变幅杆连接座的上端穿出的小径孔和从所述超声切削变幅杆连接座的下端穿出的大径孔，所述小径孔呈圆柱形，其孔壁设有与所述内冷连接螺钉螺纹相匹配的小径孔螺纹，所述大径孔为锥形孔，其小端与所述小径孔连通，所述大径孔的孔壁上部设有环形内冷连接腔，所述超声切削变幅杆连接座内设有多个以所述超声切削变幅杆连接座的轴线为轴周向均匀分布的横向内冷孔，所述横向内冷孔由所述环形内冷连接腔的一侧穿进，由所述环形内冷连接腔的另一侧穿出，所述横向内冷孔的两端分别通过横向内冷孔填充块密封，位于所述横向内冷孔下侧的所述超声切削变幅杆连接座内设有环形冷却槽，所述环形冷却槽的上端与所述横向内冷孔连通，所述环形冷却槽的下端从所述定位连接法兰的下端穿出；

所述快换式超声切削变幅杆芯的上端具有与所述大径孔的锥度相匹配的圆锥台，所述快换式超声切削变幅杆芯通过所述圆锥台与所述大径孔自锁锥面配合连接，所述圆锥台的上端与所述小径孔之间具有间隙，所述圆锥台内具有倒T形孔，所述倒T形孔的上端与所述间隙连通，所述倒T形孔的下端分别与所述环形内冷连接腔连通，所述倒T形孔的下端的轴线与所述横向内冷孔的轴线位于同一直线上，所述快换式超声切削变幅杆芯的中部具有拆卸盘，所述拆卸盘具有拆卸盘外螺纹，所述快换式超声切削变幅杆芯的下端具有连接所述超声切削刀具的超声切削刀具连接柱。

2.根据权利要求1所述的用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆，其特征在于，所述超声切削刀具连接柱的下端具有连接所述超声切削刀具的螺纹盲孔，所述螺纹盲孔包括螺纹盲孔螺纹段和位于所述螺纹盲孔开口的锥孔，所述超声切削刀具的连接部具有与所述螺纹盲孔螺纹段和所述锥孔相匹配的螺纹段和锥段。

3.根据权利要求1所述的用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆，其特征在于，位于所述定位连接法兰上部的所述超声切削变幅杆连接座的外壁具有与所述超声切削变幅杆连接座同轴的环形隔振槽，所述环形隔振槽的下端，所述变幅杆安装与定位接口的上端和所述定位连接法兰的上端位于同一平面内。

4.根据权利要求1所述的用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆，其特征在于，所述超声切削变幅杆连接座的上端直径与所述超声切削刀具连接柱的下端直径的变径比大于等于2。

5.根据权利要求1所述的用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆，其特征在于，所述用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆的节点设置在所述定位连接法兰下表面处，振幅最大位置设置在所述超声切削刀具的前端；

所述定位连接法兰的下表面到所述超声切削变幅杆连接座的后端的距离为四分之一波长加上半波长的整数倍，所述定位连接法兰的下表面到所述超声切削刀具的前端的距离为四分之三波长加上半波长的整数倍。

6.根据权利要求1所述的用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆，其特征在于，所述超声切削刀具连接柱的外壁为圆锥形、圆柱形、圆锥圆柱复合形或指数、阶梯、悬链线、贝塞尔曲线等函数形成的外轮廓面。

7.根据权利要求1所述的用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆，其特征在于，所述环形内冷连接腔呈锥环状，且与所述大径孔的锥度相一致。

8.根据权利要求2所述的用于蜂窝芯超声切削系统的变幅杆，其特征在于，所述锥孔的锥面角度为1°～10°。