CN110479568B - 一种提高纵扭转化效率的超声振动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高纵扭转化效率的超声振动装置。拉杆上下两端均开有细螺纹，压帽通过螺纹紧固将压电陶瓷、铜片、绝缘套固定在纵扭超声变幅杆上；纵扭超声变幅杆底部内锥面通过夹簧、螺母与刀具相连。纵扭超声变幅杆内部开有通孔，在其外壁与内壁上均开有多个斜槽，使得内外壁两侧的纵振分量均可以转化为扭振分量，并减小了扭转振动在材料内部因摩擦损耗而造成的能量损失。本发明的超声振动变幅杆内外壁双层开槽，既可以保证稳定可控的纵向振动，又可以极大的提高扭振分量的转化效率与传递效率。
Description
技术领域
本发明属于特种材料超声加工技术领域，尤其是涉及了一种提高纵扭转化效率的超声振动装置。
背景技术
随着航空航天领域、3C行业等高新行业的快速发展，以陶瓷、蓝宝石、玻璃、碳纤维复合材料等为代表的硬脆材料在市场上的需求量越来越大。使用传统的加工工艺非常困难，而旋转超声加工技术可通过刀具的高频振动实现非连续切削，降低硬脆材料加工过程中的切削力，提高加工效率。但是单一的纵向超声振动，容易导致轴向冲击力过大，影响硬脆材料的表面加工效果；而纵扭复合的超声振动加工则不受此限制，在降低切削力的同时，能够提高刀具的扭转及弯曲刚度，改善加工质量。
目前实现纵扭复合超声振动的方式有两种，一是将压电陶瓷沿切向极化，但是在技术上很难实现，工艺复杂，成本昂贵；二是通过在实心变幅杆外壁开斜槽/螺旋槽的方式实现扭转振动，该方法工艺简单，成本低廉，但是其扭振转化效率一直很低。究其原因，在于这种实心变幅杆只在外壁开槽，这些斜槽/螺旋槽只能够将外壁的部分纵向振动转化为扭转振动，其变幅杆内部大量的纵向振动能量将得不到转化；其次在扭转振动沿实心变幅杆的传递过程中，将有大部分能量损耗于内部材料的摩擦作用，导致扭转振动传递效率低，最终导致其扭转分量很小。
发明内容
为了弥补现有技术中的缺失，本发明的目的在于提供一种提高纵扭转化效率的超声振动装置，内外壁双层开槽的纵扭复合式超声振动变幅杆可以将内外壁两侧的纵振分量均转化为扭振分量，提高了纵扭转化效率，并通过变幅杆中间通孔的结构设计减小了扭转振动在材料内部因摩擦损耗而造成的能量损失，提高了扭转振动传递效率。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括纵扭超声变幅杆、刀具、拉杆、压帽、铜片和压电陶瓷，纵扭超声变幅杆的内部中空形成空腔，空腔沿纵扭超声变幅杆的轴线方向开设且贯通至纵扭超声变幅杆的两端外，纵扭超声变幅杆上设有双层槽，双层槽包括外壁斜槽和内壁斜槽，外壁斜槽开设在纵扭超声变幅杆的外周面上且倾斜于纵扭超声变幅杆轴线设置，纵扭超声变幅杆的内周面在对应外壁斜槽的位置处开有结构相同的内壁斜槽，多个双层槽间隔均匀地沿纵扭超声变幅杆的同一圆周方向开设形成一组双层槽，多组双层槽沿纵扭超声变幅杆的轴线方向依次间隔设置；纵扭超声变幅杆的内周面是指纵扭超声变幅杆内部空腔的内壁面。
纵扭超声变幅杆的一端与拉杆的一端紧固连接，拉杆上交替套装有压电陶瓷和铜片，拉杆的另一端通过压帽将压电陶瓷和铜片进行压紧固定；纵扭超声变幅杆的另一端与刀具连接。
所述的外壁斜槽和内壁斜槽之间不连通，外壁斜槽和内壁斜槽结构相同是指外壁斜槽与内壁斜槽的数量、相对位置、斜槽角度、槽宽均保持一致。外壁斜槽和内壁斜槽的倾斜角度大于0度小于90度。
为了保证变幅杆的刚度及纵向振动的传递，所述的中空的纵扭超声变幅杆的壁厚满足以下关系：
其中△为壁厚，D为纵扭超声变幅杆横截面的外直径。
纵扭超声变幅杆另一端通过夹簧和螺母与刀具连接，具体是：纵扭超声变幅杆的端部开有内端小外端大的锥孔，夹簧的一端嵌入安装在锥孔中，夹簧内安装刀具，并且刀具的一端伸入纵扭超声变幅杆的空腔中，刀具的另一端外露于纵扭超声变幅杆外，夹簧的外围套装螺母，纵扭超声变幅杆端部的外周面开有螺纹，螺母通过与纵扭超声变幅杆的螺纹连接使得刀具与纵扭超声变幅杆紧固连接。
所述的拉杆的外周面先套装绝缘套，绝缘套外再套装压电陶瓷和铜片。
纵扭超声变幅杆的一端的内周面设有内螺纹，拉杆的一端设有与内螺纹配合安装的外螺纹，拉杆通过内外螺纹配合与纵扭超声变幅杆连接，拉杆在靠近纵扭超声变幅杆的端面处首先套装压电陶瓷，纵扭超声变幅杆的内径小于压电陶瓷的外径，纵扭超声变幅杆的端面开有用于装配压电陶瓷的沉孔，压电陶瓷嵌装于沉孔中使压电陶瓷的表面能够与纵扭超声变幅杆的端面紧密贴合。
纵扭超声变幅杆与拉杆相连接的一端的外缘固定安装有法兰，法兰的上下两端面均开有环形槽，上下两端面的环形槽的直径不同且不互相连通，环形槽用于阻隔超声振动向刀柄传递，减小超声振动对机床主轴的影响。
所述的压电陶瓷设置为偶数个，相邻的两个压电陶瓷之间设置铜片，压电陶瓷与铜片焊接相连，相邻的两个压电陶瓷极化方向相反，所有压电陶瓷依次串联后再与超声电源连接。压电陶瓷4的总个数不做限制，压电陶瓷个数越多，所产生的超声纵振能量越大。
本发明具有的有益效果是：
(1)采用在纵扭超声变幅杆内外壁均开有斜槽的结构设计，实现了变幅杆内外壁两侧的纵向振动向扭转振动的转化，提高了纵扭转化效率，极大的增加了纵扭复合振动中的扭转振动比例。
(2)采用在纵扭超声变幅杆内部开有通孔的结构设计，减小了扭转振动在传输过程中所经历的材料体积，从而减小了扭振振动在材料内部因摩擦损耗而造成的能量损失，提高了扭转振动的能量传递效率。
(3)该发明并不受限于变幅杆的尺寸形状，对于阶梯型、圆锥型、指数型、悬链型、级联型等各种变幅杆，均可以通过中间通孔、内外壁两侧开有斜槽的方式增大其扭振分量的输出，并提高能量传递效率。
(4)通过在超声变幅杆上下端面开有环形槽，可以阻隔超声振动向机床传递，降低超声振动对机床稳定性的影响。
附图说明
图1为本发明装配图；
图2为本发明爆炸视图；
图3为本发明剖面视图。
图中：拉杆1、压帽2、铜片3、压电陶瓷4、纵扭超声变幅杆5、螺母6、刀具7、绝缘套8、夹簧9、法兰51、外壁斜槽52、内壁斜槽56、环形槽54、内锥面58。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，拉杆1、纵扭超声变幅杆5和刀具7自上而下依次连接，拉杆1上下两端均车有细螺纹，压帽2通过螺纹紧固将压电陶瓷4、铜片3、绝缘套8固定在纵扭超声变幅杆5上。纵扭超声变幅杆5底部内锥面通过夹簧9、螺母6与刀具7相连。
如图3所示，纵扭超声变幅杆5内部开有圆柱形空腔，为了保证变幅杆的刚度及纵向振动的传递，其壁厚满足以下关系：
其中△为壁厚，D为变幅杆横截面直径；若变幅杆壁厚太薄，则导致变幅杆刚度变差，导致加工精度降低，若变幅杆壁厚为0，则阻碍纵向振动的传递，导致振动能量传递效率降低。纵扭超声变幅杆5的外壁与内壁上均开有多个斜槽，使得内外壁两侧的纵振分量均可以转化为扭振分量，并减小了材料内部摩擦导致的能量损失。
如图2所示，纵扭超声变幅杆斜槽横截面并不限制为四边形，所有能够使得纵波发生反射的横截面形状均可，如：螺旋槽、椭圆槽、圆形槽等。进一步的，外壁斜槽52与内壁斜槽56的数量、位置、斜槽角度、槽宽均保持一致。
具体实施中，通过控制斜槽角度、槽宽、槽深，可以调整纵扭转化效率。对于不同尺寸形状的变幅杆，其斜槽角度、槽宽、槽深可以通过comsol有限元仿真进行确定，以达实现扭振转化效率最大化。如表1所示，以下给出阶梯型纵扭超声变幅杆5，具有最佳扭振转化效率的斜槽结构参数：
表1 相关结构参数数据
如图3所示，超声变幅杆5满足“全波长”设计原则，其全波谐振频率为30KHz-50KHz，全波谐振模态中具有波峰、波谷与两个波节，其中压帽1的末端与刀具7的末端分别处于波峰及波谷处，变幅杆的法兰51则处于波节处，理想情况下波节处无振动，可保证超声振动不向机床传递。法兰51的设置位于“全波谐振”的第一个波节处。并在法兰51上下两端面开有环形槽，阻隔超声振动向刀柄传递，减小超声振动对机床主轴的影响。
所述纵扭超声变幅杆顶部开有0.5mm-2mm的沉孔，保证装配过程中压电陶瓷表面能够与变幅杆顶端紧密贴合。压电陶瓷成对使用，每对压电陶瓷中的两片压电陶瓷极化方向相反，并均与铜片相连；多对压电陶瓷之间为串联关系。其中压电陶瓷对数不做限制，压电陶瓷对数越多，所产生的超声纵振能量越大。
刀具通过夹簧、螺母与纵扭超声变幅杆内锥面连接，其纵扭超声变幅杆可适用于所有现有刀柄的夹持结构，如ER夹簧、SK夹簧等，其夹持刀具直径范围为1mm-20mm，满足不同刀具的安装。
如图1、2所示，安装时，首先将拉杆下端与纵扭超声变幅杆5通过螺纹连接，然后依次将压电陶瓷4、铜片3交替套入拉杆，与纵扭超声变幅杆5端面相接触的为压电陶瓷4，将绝缘套8放置在拉杆1与压电陶瓷4、铜片3的空隙中，防止铜片与螺杆接触导致短路。然后将压帽2与拉杆上端通过螺纹连接，使用扭力扳手对压帽2进行螺纹紧固。所述夹簧9、螺母6、刀具7通过螺纹紧固与超声变幅杆内锥面58相连，保证能够将纵扭复合的超声振动传递到刀具端面。
具体的，如图3所示，纵扭超声纵扭超声变幅杆5采用阶梯型变幅杆，在阶梯型变幅杆的两端阶梯的内外壁上分别开设一组双层槽。与传统的纵扭变幅杆相比，变幅杆大段阶梯面上的双层槽形成的斜槽阵列可以将变幅杆内、外壁上的纵向振动分别部分转化为纵扭振动，极大的提高了扭振转化效率。同时纵扭超声变幅杆5在内部开有通孔，减少了扭振分量在向刀具传递过程中所经历的材料体积，从而减少了扭振分量在传递过程中因材料内部摩擦导致的能量损失，提高了扭振分量的传递效率。变幅杆小段阶梯面上的斜槽阵列将已经放大的纵扭振动中的纵向振动分量进一步转化为扭转振动，最大程度上的提高了传递到刀具上的扭振比例。
具体实施中，纵扭超声纵扭超声变幅杆5并不局限于阶梯型变幅杆，类似于圆锥型、指数型、悬链型、级联型变幅杆，均可以通过中间通孔、内外壁两侧开有斜槽的方式增大其扭振分量的输出。所述的外壁斜槽52和内壁斜槽56的形状并不限制为四边形，所有能够使得纵波发生反射的横截面形状均可，如：螺旋槽、椭圆槽、圆形槽等。
本发明的具体工作过程是：超声电源通过铜片3将高频电压信号输入到压电陶瓷4上，压电陶瓷4由于逆压电效应产生沿轴向的高频振动，该高频振动通过纵扭超声变幅杆5进行传递和放大。当纵向振动传递到大端阶梯的外壁斜槽52、内壁斜槽56时，其外壁和内壁上的纵向振动分量均被部分转化为扭转振动，提高了扭振分量的转化效率。该纵扭振动将继续沿着变幅杆向下传递，通过小端阶梯面时，纵扭振动振幅将被放大，其放大倍数满足以下关系式：
其中M为放大倍数，D1为大端阶梯横截面外直径，D2为小端阶梯横截面外直径。
当纵向振动传递到小端阶梯的外壁斜槽52、内壁斜槽56时，其部分纵扭振动中的部分纵向振动分量被转化为扭转振动，进一步提高了纵扭振动中的扭振比例。与传统的纵扭超声变幅杆相比，在纵扭振动的传递过程中，本发明通过中间通孔式的变幅杆结构设计，极大减小了扭转振动传递所经历的材料体积，减小了扭转振动在传递过程因材料内部摩擦导致的能量损失，提高了扭转振动传递效率；最终在刀具端面实现稳定可控的纵扭复合振动。
以上结合实施例和附图对本发明进行了描述，但仅仅是示意性的，而不是限制性的，本发明所属领域的技术人员在本发明的指导下做出的不脱离本发明宗旨的改动及变形，均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种提高纵扭转化效率的超声振动装置，其特征在于：包括纵扭超声变幅杆（5）、刀具（7）、拉杆（1）、压帽（2）、铜片（3）和压电陶瓷（4），纵扭超声变幅杆（5）的内部中空形成空腔，空腔沿纵扭超声变幅杆（5）的轴线方向开设且贯通至纵扭超声变幅杆（5）的两端外，纵扭超声变幅杆（5）上设有双层槽，双层槽包括外壁斜槽（52）和内壁斜槽（56），外壁斜槽（52）开设在纵扭超声变幅杆（5）的外周面上且倾斜于纵扭超声变幅杆（5）轴线设置，纵扭超声变幅杆（5）的内周面在对应外壁斜槽（52）的位置处开有结构相同的内壁斜槽（56），多个双层槽间隔均匀地沿纵扭超声变幅杆（5）的同一圆周方向开设形成一组双层槽，多组双层槽沿纵扭超声变幅杆（5）的轴线方向依次间隔设置；纵扭超声变幅杆（5）的一端与拉杆（1）的一端紧固连接，拉杆（1）上交替套装有压电陶瓷（4）和铜片（3），拉杆（1）的另一端通过压帽（2）将压电陶瓷（4）和铜片（3）进行压紧固定；纵扭超声变幅杆（5）的另一端与刀具（7）连接；
所述的外壁斜槽（52）和内壁斜槽（56）之间不连通，外壁斜槽（52）与内壁斜槽（56）的数量、相对位置、斜槽角度、槽宽均保持一致；
纵扭超声变幅杆（5）与拉杆（1）相连接的一端的外缘固定安装有法兰（51），法兰（51）的上下两端面均开有环形槽（54），上下两端面的环形槽的直径不同且不互相连通。
2.根据权利要求1所述的一种提高纵扭转化效率的超声振动装置，其特征在于：所述的
中空的纵扭超声变幅杆（5）的壁厚满足以下关系：
，其中
为壁厚，D为纵扭超声变幅
杆（5）横截面的外直径。
3.根据权利要求1所述的一种提高纵扭转化效率的超声振动装置，其特征在于：纵扭超声变幅杆（5）另一端通过夹簧（9）和螺母（6）与刀具（7）连接，具体是：纵扭超声变幅杆（5）的端部开有内端小外端大的锥孔，夹簧（9）的一端嵌入安装在锥孔中，夹簧（9）内安装刀具（7），并且刀具（7）的一端伸入纵扭超声变幅杆（5）的空腔中，刀具（7）的另一端外露于纵扭超声变幅杆（5）外，夹簧（9）的外围套装螺母（6），纵扭超声变幅杆（5）端部的外周面开有螺纹，螺母（6）通过与纵扭超声变幅杆（5）的螺纹连接使得刀具（7）与纵扭超声变幅杆（5）紧固连接。
4.根据权利要求1所述的一种提高纵扭转化效率的超声振动装置，其特征在于：所述的拉杆（1）的外周面先套装绝缘套（8），绝缘套（8）外再套装压电陶瓷（4）和铜片（3）。
5.根据权利要求1所述的一种提高纵扭转化效率的超声振动装置，其特征在于：纵扭超声变幅杆（5）的一端的内周面设有内螺纹，拉杆（1）的一端设有与内螺纹配合安装的外螺纹，拉杆（1）通过内外螺纹配合与纵扭超声变幅杆（5）连接，拉杆（1）在靠近纵扭超声变幅杆（5）的端面处首先套装压电陶瓷（4），纵扭超声变幅杆（5）的内径小于压电陶瓷（4）的外径，纵扭超声变幅杆（5）的端面开有用于装配压电陶瓷（4）的沉孔，压电陶瓷（4）嵌装于沉孔中使压电陶瓷（4）的表面能够与纵扭超声变幅杆（5）的端面紧密贴合。
6.根据权利要求1所述的一种提高纵扭转化效率的超声振动装置，其特征在于：所述的压电陶瓷（4）设置为偶数个，相邻的两个压电陶瓷（4）之间设置铜片（3），压电陶瓷（4）与铜片（3）焊接相连，相邻的两个压电陶瓷（4）极化方向相反，所有压电陶瓷（4）依次串联后再与超声电源连接。
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