CN113145883B - 机床、冷压超声波刀柄、超声波加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了机床、冷压超声波刀柄、超声波加工装置。其中，超声波加工装置通过冷压的方式固定加工刀具，无论是加工刀具配合筒夹一起压装于变幅杆的插孔内，还是加工刀具直接压装于变幅杆的插孔内，均省略了密封螺帽，因此可减少不同部件之间的接触面，降低超声波传递过程中的能量损耗，提高加工效果，同时可避免密封螺帽卡滞及筒夹的内锥度精度流失等问题，保证加工质量和加工精度，且质量更轻，转动惯量更小；冷压超声波刀柄具有能量损耗低、加工质量好、加工精度高、重量轻、转动惯量小等优点；机床具有加工质量好、加工精度高、加工性能优异等优点。

Description

机床、冷压超声波刀柄、超声波加工装置

技术领域

本发明涉及精加工设备技术领域，特别是涉及机床、冷压超声波刀柄、超声波加工装置。

背景技术

就目前的超声波加工装置而言，加工刀具主要通过密封螺帽安装于超声波刀柄上，具体方法为：先将加工刀具插入筒夹内，然后将筒夹插设于变幅杆的插孔内，最后在加工刀具的前端套设密封螺帽，密封螺帽与变幅杆之间为螺纹连接，从而使得筒夹发生径向的弹性变形，以夹紧加工刀具。

但是，由于筒夹、密封螺帽等组件之间形成多个接触面，并且筒夹与密封螺帽的材料也通常不同，因此在超声波的传导过程中，各组件之间的接触面会由于介质的突变而对能量产生较大的耗损，且在实际使用过程中，筒夹和密封螺帽的连接位置发热严重，造成密封螺帽容易卡死，筒夹的内锥精度快速流失，使得加工质量和加工精度得不到保证。

发明内容

本申请的目的在于提供一种能够减小工作过程中超声波能量的耗损，以保证加工质量和加工精度的超声波加工装置、冷压超声波刀柄以及机床。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超声波加工装置，其包括冷压超声波刀柄和加工刀具，所述冷压超声波刀柄包括：

刀柄本体，其开设有自其前端面向后延伸的容置腔；

变幅杆，其包括杆体以及设于所述杆体外周面上的法兰，所述法兰连接于所述刀柄本体的前端，所述杆体的后端伸入所述容置腔内，所述杆体开设有自其前端面向后延伸的插孔，所述插孔呈从前至后孔径逐渐减小的锥形并与所述容置腔同轴设置；

筒夹，其套设于所述加工刀具的外部，并与所述加工刀具一起通过冷压的方式压装于所述插孔内，所述筒夹的外轮廓呈与所述插孔相适配的锥形，所述筒夹开设有多条沿其周向间隔分布的变形槽，所述筒夹的外侧面与所述插孔的孔壁面相抵接，使得所述筒夹沿径向向内收缩变形，以夹紧所述加工刀具，且所述筒夹的外侧面与所述插孔的孔壁面之间产生轴向的自锁摩擦力，以防止所述筒夹向前移动并与所述杆体脱离；以及

超声波换能器，其设于所述容置腔内且安装于所述杆体的后端；

其中，所述法兰的中心与所述杆体的前端面之间的距离为L₁(mm)，所述杆体的前端面与所述加工刀具的前端面之间的距离为L₂(mm)，所述超声波换能器在基础振动频率下的波长的1/4为λ′(mm)，所述超声波换能器在高阶振动频率下的波长的1/4为λ″(mm)，L₁+L₂＝λ′＝n×λ″，且15≤L₁+L₂≤300，1<n≤10。

本申请的一些实施例中，所述法兰的后端面与所述刀柄本体的前端面相贴合，且所述法兰的后端面上设有环绕所述杆体的第一凸环，所述刀柄本体的前端面开设有与所述第一凸环相适配的第一环槽。

本申请的一些实施例中，所述超声波加工装置的基础振动频率为F₁(Hz)，所述超声波加工装置的高阶振动频率为F₂(Hz)，F₁、F₂、L₁之间满足如下函数关系：

F₂＝m×F₁

其中，1<m≤15，10≤L₁≤250，K₁为修正系数，0.7≤K₁≤1.3。

本申请的一些实施例中，所述变幅杆的密度为ρ(g/cm³)，所述变幅杆的杨氏模量为E(GPa)，所述杆体的外径为D(mm)，上述参数值之间满足如下函数关系：

其中，6≤D≤65，K₂为修正系数，0.9<K₂≤1.1。

本申请的一些实施例中，10≤L₁≤150。

本申请的一些实施例中，所述变形槽连通所述筒夹的外周面与内周面，且所述变形槽自所述筒夹的前端面沿所述筒夹的轴向向后延伸至距所述筒夹的后端面一定距离A(mm)，A＞0。

本申请的一些实施例中，3≤A≤20。

本申请的一些实施例中，所述变形槽在所述筒夹的前端面上形成的开口与所述筒夹的内周面相距一定距离B(mm)，B＞0。

本申请的一些实施例中，2≤B≤5。

本发明还提供了另一种超声波加工装置，其包括冷压超声波刀柄和加工刀具，所述冷压超声波刀柄包括：

刀柄本体，其开设有自其前端面向后延伸的容置腔；

变幅杆，其包括杆体以及设于所述杆体外周面上的法兰，所述法兰连接于所述刀柄本体的前端，所述杆体的后端伸入所述容置腔内，所述杆体开设有自其前端面向后延伸的插孔和变形槽，所述插孔与所述容置腔同轴设置，所述变形槽设为多条并围绕所述插孔间隔分布，所述加工刀具通过冷压的方式直接压装于所述插孔内；以及

超声波换能器，其设于所述容置腔内且安装于所述杆体的后端；

其中，所述法兰的中心与所述杆体的前端面之间的距离为L₁(mm)，所述杆体的前端面与所述加工刀具的前端面之间的距离为L₂(mm)，所述超声波换能器在基础振动频率下的波长的1/4为λ′(mm)，所述超声波换能器在高阶振动频率下的波长的1/4为λ″(mm)，L₁+L₂＝λ′＝n×λ″，且15≤L₁+L₂≤300，1<n≤10。

本申请的一些实施例中，所述法兰的后端面与所述刀柄本体的前端面相贴合，且所述法兰的后端面上设有环绕所述杆体的第一凸环，所述刀柄本体的前端面开设有与所述第一凸环相适配的第一环槽。

本申请的一些实施例中，所述超声波加工装置的基础振动频率为F₁(Hz)，所述超声波加工装置的高阶振动频率为F₂(Hz)，F₁、F₂、L₁之间满足如下函数关系：

F₂＝m×F₁

其中，1<m≤15，10≤L₁≤250，K₁为修正系数，0.7≤K₁≤1.3。

本申请的一些实施例中，所述变幅杆的密度为ρ(g/cm³)，所述变幅杆的杨氏模量为E(GPa)，所述杆体的外径为D(mm)，上述参数值之间满足如下函数关系：

其中，6≤D≤65，K₂为修正系数，0.9<K₂≤1.1。

本申请的一些实施例中，10≤L₁≤150。

本申请的一些实施例中，所述插孔和所述变形槽均沿所述杆体的轴向向后延伸至所述杆体的后端面。

本申请的一些实施例中，所述变形槽包括第一槽段和第二槽段，所述第一槽段呈圆心重合于所述插孔的中心线的圆弧形，所述第二槽段设于所述第一槽段与所述插孔之间，且所述第二槽段的一端与所述第一槽段相连通，所述第二槽段的另一端与所述插孔相连通。

本申请的一些实施例中，所述第二槽段沿所述杆体的径向延伸，且所述第二槽段与所述第一槽段的连通处位于所述第一槽段的中部。

本申请的一些实施例中，所述杆体的外周面上设有位于所述法兰前侧的定位凸台，所述定位凸台的外周面包括与所述变形槽一一对应的定位面，且所述定位面垂直于与其相对应的所述变形槽的第二槽段。

基于同样的目的，本发明还提供了一种冷压超声波刀柄，其为应用于上述超声波加工装置的冷压超声波刀柄。

基于同样的目的，本发明还提供了一种机床，其包括上述冷压超声波刀柄。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明提供的超声波加工装置通过冷压的方式固定加工刀具，无论是加工刀具配合筒夹一起压装于变幅杆的插孔内，还是加工刀具直接压装于变幅杆的插孔内，均省略了密封螺帽，因此可减少不同部件之间的接触面，有效降低超声波传递过程中的能量损耗，提高加工效果，同时可避免密封螺帽与筒夹之间的发热所带来的密封螺帽卡滞及筒夹的内锥度精度流失等问题，保证加工质量和加工精度，并且质量更轻，转动惯量更小；另外，由于L₁(法兰的中心与杆体的前端面之间的距离)、L₂(杆体的前端面与加工刀具的前端面之间的距离)、λ′(超声波换能器在基础振动频率下的波长的1/4)、λ″(超声波换能器在高阶振动频率下的波长的1/4)之间满足L₁+L₂＝λ′＝n×λ″，因此本发明提供的超声波加工装置的振动零点位于变幅杆的法兰中心，振幅最大处则位于加工刀具的前端面，进而，本发明提供的超声波加工装置可实现更高效、更节能、更优质的精加工。

本发明提供的冷压超声波刀柄同样具有能量损耗低、加工质量好、加工精度高、重量轻、转动惯量小等优点。

本发明提供的机床由于采用了上述冷压超声波刀柄，因此具有加工质量好、加工精度高、加工性能优异等优点。

附图说明

以下结合附图和优选实施例来对本申请进行进一步详细描述，本领域技术人员需要领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为本申请范围的限制。除非特别指出，附图仅是意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并可能包含夸张性显示，并且附图也并非一定按比例绘制。此外，在不同的附图中，相同的参考标号表示相同或大致相同的组件。

附图1为本发明实施例一中的超声波加工装置的结构示意图；

附图2为本发明实施例一中的超声波加工装置的纵剖面示意图；

附图3为本发明实施例一中的筒夹的结构示意图之一；

附图4为本发明实施例一中的筒夹的结构示意图之二；

附图5为本发明实施例一中的筒夹的结构示意图之三；

附图6为本发明实施例一中的变幅杆的结构示意图；

附图7为本发明实施例一中的刀柄本体和安装架的结构示意图；

附图8为本发明实施例一中的超声波加工装置工作时的振动状态示意图；

附图9为本发明实施例一中的超声波加工装置五与超声波加工装置一的振幅数据对比图；

附图10为本发明实施例一中的超声波加工装置六与超声波加工装置二的振幅数据对比图；

附图11为本发明实施例一中的超声波加工装置七与超声波加工装置三的振幅数据对比图；

附图12为本发明实施例一中的超声波加工装置八与超声波加工装置四的振幅数据对比图；

附图13为本发明实施例一中的超声波加工装置五与传统超声波加工装置一的振幅数据对比图；

附图14为本发明实施例一中的超声波加工装置六与传统超声波加工装置二的振幅数据对比图；

附图15为本发明实施例一中的超声波加工装置七与传统超声波加工装置三的振幅数据对比图；

附图16为本发明实施例一中的超声波加工装置八与传统超声波加工装置四的振幅数据对比图；

附图17为本发明实施例一中的超声波加工装置的组装方法的流程示意图；

附图18为本发明实施例二中的超声波加工装置的结构示意图；

附图19为本发明实施例二中的超声波加工装置的纵剖面示意图；

附图20为本发明实施例二中的变幅杆的端面示意图；

附图21为本发明实施例二中的超声波加工装置工作时的振动状态示意图；

附图22为本发明实施例二中的超声波加工装置十三与冷压超声波加工装九的振幅数据对比图；

附图23为本发明实施例二中的超声波加工装置十四与超声波加工装置十的振幅数据对比图；

附图24为本发明实施例二中的超声波加工装置十五与超声波加工装置十一的振幅数据对比图；

附图25为本发明实施例二中的超声波加工装置十六与超声波加工装置十二的振幅数据对比图；

附图26为本发明实施例二中的超声波加工装置十三与传统超声波加工装置五的振幅数据对比图；

附图27为本发明实施例二中的超声波加工装置十四与传统超声波加工装置六的振幅数据对比图；

附图28为本发明实施例二中的超声波加工装置十五与传统超声波加工装置七的振幅数据对比图；

附图29为本发明实施例二中的超声波加工装置十六与传统超声波加工装置八的振幅数据对比图；

附图30为本发明实施例二中的超声波加工装置的组装方法的流程示意图。

附图中：1、刀柄本体；11、容置腔；12、第一环槽；13、限位凸台；14、第二线槽；2、变幅杆；21、杆体；211、插孔；212、第二环槽；213、振动导向槽；22、法兰；23、第一凸环；24、定位凸台；241、定位面；3、超声波换能器；31、螺杆；32、压电振子；33、后盖；34、前盖；4、筒夹；41、变形槽；411、第一槽段；412、第二槽段；42、第二凸环；5、安装架；51、环形凹槽；52、第一线槽；100、冷压超声波刀柄；200、加工刀具。

具体实施方式

以下将参考附图来详细描述本申请的优选实施例。本领域中的技术人员将领会的是，这些描述仅为描述性的、示例性的，并且不应当被解释为限定了本申请的保护范围。

首先，需要说明的是，在本文中所提到的顶部、底部、朝上、朝下等方位是相对于各个附图中的方向来定义的，它们是相对的概念，并且因此能够根据其所处于的不同位置和不同的实用状态而改变，所以不应将这些或其他方位用于理解为限制性用语。同时，术语“包括”并不排除其他要素或步骤，并且“一”或“一个”并不排除复数。

此外，还应当指出的是，对于本文的实施例中描述或隐含的任意单个技术特征，或在附图中示出或隐含的任意单个技术特征，仍能够在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行组合，从而获得未在本文中直接提及的本申请的其他实施例。

另外，还应当理解的是，本文中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

实施例一

参阅附图1至附图3，本实施例提供一种超声波加工装置，其包括冷压超声波刀柄100和加工刀具200。

冷压超声波刀柄100包括刀柄本体1、变幅杆2、超声波换能器3以及筒夹4；刀柄本体1开设有自其前端面向后延伸的容置腔11；变幅杆2包括杆体21以及设于杆体21外周面上的法兰22，法兰22连接于刀柄本体1的前端，杆体21的后端伸入容置腔11内，杆体21开设有自其前端面向后延伸但未延伸至其后端面的插孔211，插孔211呈从前至后孔径逐渐减小的锥形并与容置腔11同轴设置；超声波换能器3设于容置腔11内且安装于杆体21的后端；筒夹4用于夹持加工刀具200，其通过冷压的方式压装于插孔211内，筒夹4的外轮廓呈与插孔211相适配的锥形，筒夹4开设有多条沿其周向间隔分布的变形槽41。

加工刀具200可以是刀盘、铣刀、磨刀或其它工具，其可拆卸的安装于冷压超声波刀柄100上。具体而言，筒夹4套设于加工刀具200的外部，且二者通过冷压的方式压装于插孔211内，此时，筒夹4的外周面与插孔211的孔壁面相抵接，使得筒夹4沿径向向内收缩变形，以夹紧加工刀具200，且筒夹4的外周面与插孔211的孔壁面之间产生轴向的自锁摩擦力，以防止筒夹4向前移动并与变幅杆2的杆体21脱离，而最终造成加工刀具200脱落。

基于上述结构，由于筒夹4与插孔211之间采用锥面配合，并且筒夹4开设有多条变形槽41，因此通过冷压的方式将筒夹4以及加工刀具200一起压装于变幅杆2的插孔211内，利用筒夹4的微量弹性变形即可夹紧加工刀具200。

与现有技术相比，本实施例提供的超声波加工装置可省略密封螺帽，减少不同部件之间的接触面，有效降低超声波传递过程中的能量损耗，提高加工效果，同时可避免密封螺帽与筒夹4之间的发热所带来的密封螺帽卡滞及筒夹4的内锥度精度流失等问题，保证加工质量和加工精度，并且质量更轻、转动惯量更小。也即，本实施例中的冷压超声波刀柄100具有能量损耗低、加工质量好、加工精度高、重量轻、转动惯量小等优点。

可选的，如附图2和附图6所示，在本实施例中，变幅杆2的杆体21与法兰22一体成型，并且，为了保证变幅杆2的安装牢固可靠，法兰22与刀柄本体1焊接。

进一步的，为了提高变幅杆2振动时的稳定性，法兰22的后端面与刀柄本体1的前端面相贴合，且法兰22的后端面上设有环绕杆体21的第一凸环23，刀柄本体1的前端面开设有与第一凸环23相适配的第一环槽12；优选的，第一环槽12与容置腔11相连通。

可选的，如附图2所示，在本实施例中，为了确保筒夹4能够不依靠密封螺帽便能够稳定的安装于变幅杆2的插孔211内，插孔211的锥度取0.5°～4°，也即，筒夹4与插孔211之间采用锥度较小的锥面配合。如此，利用筒夹4与变幅杆2之间的自锁摩擦力便能够保证二者的连接稳定可靠，在超声波加工装置的工作过程中，加工刀具200不会由于振动等原因而发生松动。

为了进一步地方便筒夹4和加工刀具200进行冷压安装，以及提高加工刀具200安装后的稳定性，插孔211的锥度优选0.5°～1°，此时，筒夹4的外轮廓也呈锥角为0.5°～1°的锥形。更优选的，插孔211的锥度为0.7°。

可选的，如附图3至附图5所示，在本实施例中，为了使筒夹4能够在径向上具有一定的收缩量，确保夹紧设于其内的加工刀具200，变形槽41连通筒夹4的外周面与内周面并沿筒夹4的轴向延伸。

具体的，变形槽41自筒夹4的前端面向后延伸至距筒夹4的后端面一定距离A(mm)，A＞0，作为优选，3≤A≤20；变形槽41在筒夹4的前端面上形成的开口与筒夹4的内周面相距一定距离B(mm)，B＞0，作为优选，2≤B≤5。如此，变形槽41并未在前后方向上贯穿筒夹4，使得筒夹4不但具有足够的夹紧力，可稳定的夹紧设于其内的加工刀具200，同时还具有较高的强度，反复拆装后不易变形失效。

进一步的，为了适配筒夹4与插孔211之间的锥面配合，变形槽41的槽宽优选0.1mm～1mm。更优选的，变形槽41的槽宽为0.4mm～0.6mm。

更进一步的，为了使筒夹4能够对加工刀具200施加均衡的夹紧力，变形槽41沿筒夹4的周向均匀分布。示例性的，变形槽41设为三条，且三条变形槽41沿筒夹4的周向间隔120°分布。

可选的，在本实施例中，筒夹4及加工刀具200的压装和拆卸均需要借助夹具，该夹具通常包括夹座及可相对夹座滑动以靠近或远离夹座的夹板。对此，如附图2、附图3以及附图6所示，为了便于筒夹4及加工刀具200的拆装，筒夹4的前端沿其径向向外突出形成第二凸环42，变幅杆2的杆体21外周面靠近杆体21前端的位置开设有用来与夹具的夹座卡接配合的第二环槽212。

基于上述结构，在压装过程中，夹板朝靠近夹座的方向滑动并抵推第二凸环42，以将筒夹4连同加工刀具200一起压入变幅杆2的插孔211内，使得筒夹4夹紧加工刀具200；在拆卸过程中，夹板朝远离夹座的方向滑动并抵推第二凸环42，以将筒夹4连同加工刀具200一起从变幅杆2的插孔211内拉出，使得筒夹4松开加工刀具200。

可选的，如附图6所示，在本实施例中，变幅杆2的杆体21外周面开设有多条沿其周向均匀分布的振动导向槽213，这些振动导向槽213组成螺旋状，从而能够将超声波的部分纵振转换成扭振，使得传递至加工刀具200上的振动为纵扭复合的超声波振动，进而提高加工效果。

可选的，参阅附图2，在本实施例中，超声波换能器3包括螺杆31、压电振子32以及后盖33，螺杆31的前端与变幅杆2的杆体21后端相连接，压电振子32和后盖33均套设于螺杆31的外部，并且，后盖33从后往前压紧压电振子32。

可选的，参阅附图1、附图2以及附图7，在本实施例中，冷压超声波刀柄100还包括套设于刀柄本体1外部的安装架5，刀柄本体1的外周面具有环形的限位凸台13，安装架5的前端面与限位凸台13的后端面相贴合，且安装架5与限位凸台13焊接。安装架5开设有用于容纳无线接收装置的环形凹槽51，环形凹槽51朝后敞开，以便于无线接收装置的封装。

进一步的，安装架5的内侧壁开设有与环形凹槽51连通的第一线槽52，刀柄本体1的侧壁上相对于第一线槽52的位置开设有与容置腔11相连通的第二线槽14；压电振子32上连接有导线，该导线依次穿过第二线槽14、第一线槽52后与设于环形凹槽51内的无线接收装置相连接，从而实现了无线接收装置与压电振子32之间的电导通。

为了实现更高效、更节能、更优质的精加工，在工作状态下，本实施例提供的超声波加工装置的振动零点(振幅始终为零的位置)位于变幅杆2的法兰22的中心，振幅最大处则位于加工刀具200的前端面。

为了确保本实施例提供的超声波加工装置拥有上述特性，定义法兰22的中心与杆体21的前端面之间的距离为L₁(mm)，加工刀具200的前端面与杆体21的前端面之间的距离为L₂(mm)，超声波换能器3在基础振动频率下的波长的1/4为λ′(mm)，超声波换能器3在高阶振动频率下的波长的1/4为λ″(mm)，则参数值L₁、L₂、λ′、λ″之间需满足如下函数关系：

L₁+L₂＝λ′＝n×λ″；

其中，15≤L₁+L₂≤300，1<n≤10。

附图8所示的即为L₁+L₂＝λ′时，本实施例提供的超声波加工装置的振动状态示意图。

进一步的，定义超声波加工装置的基础振动频率为F₁(Hz)，超声波加工装置的高阶振动频率为F₂(Hz)，则参数值F₁与F₂之间存在如下函数关系：

F₂＝m×F₁；

其中，1<m≤15。

需要说明的是，在本实施例中，基础振动频率和高阶振动频率均是指纵振频率。

进一步的，在通常情况下，参数值L₂远比参数值L₁要小，因此前者对超声波加工装置的振动影响较小，而后者对超声波加工装置的振动影响较大。基于此，为了确保本实施例提供的超声波加工装置能够正常工作，即工作时加工刀具200能够产生振幅，参数值F₁与L₁之间需满足如下函数关系：

其中，10≤L₁≤250，K₁为修正系数，0.7≤K₁≤1.3。

更优选的，10≤L₁≤150。

进一步的，在满足公式(1)的基础上，为了获得更好的加工性能，即工作时加工刀具200能够产生更大的振幅，以满足更高的使用要求，本实施例提供的超声波加工装置还需满足如下要求：

定义变幅杆2的密度为ρ(g/cm³)，变幅杆2的杨氏模量为E(GPa)，变幅杆2的杆体21外径为D(mm)，变幅杆2与其杆体21长度相关的谐振频率为F_L(Hz)，变幅杆2随杆体21的外径增大而增加的谐振频率变化量为F_D(Hz)，超声波换能器3的波速为V(m/s)；

其中，参数值ρ、E、V之间存在如下函数关系：

参数值V、L₁、F_L之间存在如下函数关系：

参数值F_L、V、λ′之间存在如下函数关系：

参数值D、V、F_L、F_D之间存在如下函数关系：

参数值F₁、F_L、F_D、D、λ′之间存在如下函数关系：

至此，将公式(2)、(3)、(4)、(5)带入公式(6)中，则可得出参数值F₁、L₁、D、ρ、E之间需满足如下函数关系：

其中，6≤D≤65，K₂为修正系数，0.9≤K₂≤1.1。

需要说明的是，在本实施例中，若变幅杆2的杆体21是由外径不同的多个分段构成，则参数值D取杆体21的各分段外径的平均值；变幅杆2的密度和杨氏模量与其材料有关，就本实施例而言，变幅杆2的常用材料有4Cr13不锈钢、304不锈钢等，其中，4Cr13不锈钢的密度为7.75(g/cm³)，采用4Cr13不锈钢的变幅杆2的杨氏模量为215(GPa)，304不锈钢的密度为7.93(g/cm³)，采用304不锈钢的变幅杆2的杨氏模量为194.02(GPa)。

为了验证在公式(7)的限定下，本实施例提供的超声波加工装置是否具备更好的加工性能，即工作时加工刀具200能否产生更大的振幅，研发人员进行了三组测试：

第一组测试对象为本实施例提供的满足公式(1)，但不满足公式(7)的超声波加工装置，其加工刀具200的工作状态测试结果如表1所示；

第二组测试对象为本实施例提供的满足公式(1)，且满足公式(7)的超声波加工装置，其加工刀具200的工作状态测试结果如表2所示；

第三组测试对象为传统的采用密封螺帽的超声波加工装置，其加工刀具的工作状态测试结果如表3所示。需要指出的是，该组超声波加工装置的振动零点也位于变幅杆的法兰中心，振幅最大处也位于加工刀具的前端面。

表1(本实施例提供的不满足公式(7)的超声波加工装置的加工刀具200的工作状态测试结果)

表2(本实施例提供的满足公式(7)的超声波加工装置的加工刀具200的工作状态测试结果)

表3(传统的采用密封螺帽的超声波加工装置的加工刀具的工作状态测试结果)

附图9至附图12所示的是表1中的四组振幅数据与表2中的四组振幅数据的对比，从中可以直观地看出，在相同的测试条件下，具有相同振动频率的本实施例提供的不满足公式(7)的超声波加工装置与满足公式(7)的超声波加工装置相比，后者的加工刀具200的振幅始终更大，且随着标定系数的增加，二者之间的振幅差值呈逐渐增大的趋势。

附图13至附图16所示的是表2中的四组振幅数据与表3中的四组振幅数据的对比，从中可以直观地看出，在相同的测试条件下，具有相同振动频率的本实施例提供的满足公式(7)的超声波加工装置与传统的采用密封螺帽的超声波加工装置相比，前者的加工刀具200的振幅始终更大，且随着标定系数的增加，二者之间的振幅差值呈逐渐增大的趋势。

上述测试结果足以表明，公式(7)的限定能够显著提高本实施例提供的超声波加工装置的振幅上限，有效增强其加工性能，使其甚至能够超过传统的采用密封螺帽的超声波加工装置。

另外，从表1和表2中的振幅数据也可以看出，本实施例提供的满足公式(1)的超声波加工装置能够正常工作，可满足正常的使用要求，其中，不满足公式(7)的超声波加工装置虽然振幅不够大，但其依然能够适用部分应用场景。

参阅附图17，本实施例还提供一种上述超声波加工装置的组装方法，其包括如下步骤：

S1、将加工刀具200插设于筒夹4内；

S2、将筒夹4的后端对准变幅杆2的插孔211，对筒夹4施加轴向向后的压力，通过冷压的方式将筒夹4连同加工刀具200一起压入插孔211内，在此过程中，筒夹4沿径向向内收缩变形，以夹紧加工刀具200；

S3、将超声波换能器3安装于变幅杆2的杆体21后端；

S4、将变幅杆2的杆体21后端连同超声波换能器3一起伸入刀柄本体1的容置腔11内，再将变幅杆2的法兰22与刀柄本体1的前端相连接。

该组装方法可实现加工刀具200的可靠安装，并且步骤简单、易于实施，能够大幅提高工作效率。

实施例二

参阅附图18至附图20，本实施例提供另一种超声波加工装置，其同样包括冷压超声波刀柄100和加工刀具200。

具体的，冷压超声波刀柄100包括刀柄本体1、变幅杆2以及超声波换能器3；刀柄本体1开设有自其前端面向后延伸的容置腔11；变幅杆2包括杆体21以及设于杆体21外周面上的法兰22，法兰22连接于刀柄本体1的前端，杆体21的后端伸入容置腔11内，且杆体21开设有自其前端面向后延伸的插孔211和变形槽41，插孔211与容置腔11同轴设置，变形槽41设为多条并围绕插孔211间隔分布。加工刀具200通过冷压的方式压装于插孔211内。

基于上述结构，在压装过程中，通过在变幅杆2的杆体21外周面上对应于各变形槽41的位置施加径向向内的压力，可使得插孔211发生扩张变形，将加工刀具200插入插孔211后，卸载压力，变幅杆2的杆体21随即回弹恢复，实现对加工刀具200的稳定夹持。

与现有技术相比，本实施例提供的超声波加工装置可省略密封螺帽，减少不同部件之间的接触面，有效降低超声波传递过程中的能量损耗，提高加工效果；此外，与实施例一相比，本实施例中的冷压超声波刀柄100还省略了筒夹4，因此重量更轻、转动惯量更小、生产成本更低、使用更方便，并且能够从根本上避免密封螺帽与筒夹4之间的发热所带来的密封螺帽卡滞及筒夹4的内锥度精度流失等问题，保证加工质量和加工精度。也即，本实施例中的冷压超声波刀柄100具有能量损耗低、加工质量好、加工精度高、重量轻、转动惯量小、使用方便等优点。

可选的，如附图19至附图20所示，在本实施例中，变形槽41包括第一槽段411和第二槽段412，第一槽段411呈圆心重合于插孔211的中心线的圆弧形，第二槽段412设于第一槽段411与插孔211之间，且第二槽段412的一端与第一槽段411相连通，第二槽段412的另一端与插孔211相连通。

进一步的，为了确保插孔211在受到径向向内的压力时能够发生有效的变形，变形槽41的第二槽段412沿杆体21的径向延伸，且第二槽段412与第一槽段411的连通处位于第一槽段411的中部。

可选的，如附图18至附图20所示，在本实施例中，为了便于对变幅杆2的杆体21施加压力，杆体21的外周面上设有位于法兰22前侧的环形定位凸台24，定位凸台24的外周面包括与变形槽41一一对应的定位面241，且定位面241垂直于与其相对应的变形槽41的第二槽段412。如此，在压装过程中，只需垂直定位面241施加压力即可使插孔211发生有效的变形，操作简单方便。作为优选，定位面241与杆体21的外周面相切。

可选的，如附图19至附图20所示，在本实施例中，为了确保加工刀具200的后端能够被变幅杆2的杆体21夹紧，插孔211和变形槽41均沿杆体21的轴向向后延伸至杆体21的后端面。

进一步的，为了使变幅杆2的杆体21能够对加工刀具200施加均衡的夹紧力，变形槽41沿插孔211的周向均匀分布。示例性的，变形槽41设为三条，且三条变形槽41沿插孔211的周向间隔120°分布。

可选的，如附图20所示，在本实施例中，为了便于压装，同时为了确保变幅杆2的杆体21能够稳定地夹持加工刀具200，第一槽段411和第二槽段412的槽宽为0.1mm～1mm。优选的，第一槽段411和第二槽段412的槽宽为0.4mm～0.6mm。

进一步的，为了权衡压装所需的压力和夹持稳定性，定义变幅杆2的杆体21外径为D(mm)，变形槽41的第一槽段411与插孔211的孔壁面之间的距离为H(mm)，第一槽段411与杆体21的外周面之间的距离为T(mm)，则上述参数值之间需满足D:H:T＝40:(3～10):(3～9)。

可选的，参阅附图19，在本实施例中，超声波换能器3包括前盖34、螺杆31、压电振子32以及后盖33，前盖34安装于变幅杆2的杆体21后端，螺杆31的前端与前盖34相连接，压电振子32和后盖33均套设于螺杆31的外部且位于前盖34的后侧，其中，后盖33从后往前压紧压电振子32。

与实施例一相同，为了实现更高效、更节能、更优质的精加工，在工作状态下，本实施例提供的超声波加工装置的振动零点(振幅始终为零的位置)也位于变幅杆2的法兰22的中心，振幅最大处也位于加工刀具200的前端面。

同样的，为了确保本实施例提供的超声波加工装置拥有上述特性，定义法兰22的中心与杆体21的前端面之间的距离为L₁(mm)，加工刀具200的前端面与杆体21的前端面之间的距离为L₂(mm)，超声波换能器3在基础振动频率下的波长的1/4为λ′(mm)，超声波换能器3在高阶振动频率下的波长的1/4为λ″(mm)，则参数值L₁、L₂、λ′、λ″之间需满足如下函数关系：

L₁+L₂＝λ′＝n×λ″；

其中，15≤L₁+L₂≤300，1<n≤10。

附图21所示的即为L₁+L₂＝λ′时，本实施例提供的超声波加工装置的振动状态示意图。

进一步的，定义超声波加工装置的基础振动频率为F₁(Hz)，超声波加工装置的高阶振动频率为F₂(Hz)，则参数值F₁与F₂之间存在如下函数关系：

F₂＝m×F₁；

其中，1<m≤15。

需要说明的是，在本实施例中，基础振动频率和高阶振动频率均是指纵振频率。

进一步的，在通常情况下，参数值L₂远比参数值L₁要小，因此前者对超声波加工装置的振动影响较小，而后者对超声波加工装置的振动影响较大。基于此，为了确保本实施例提供的超声波加工装置能够正常工作，即工作时加工刀具200能够产生振幅，参数值F₁与L₁之间需满足如下函数关系：

其中，10≤L₁≤250，K₁为修正系数，0.7≤K₁≤1.3。

更优选的，10≤L₁≤150。

进一步的，在满足公式(8)的基础上，为了获得更好的加工性能，即工作时加工刀具200能够产生更大的振幅，以满足更高的使用要求，本实施例提供的超声波加工装置还需满足如下要求：

定义变幅杆2的密度为ρ(g/cm³)，变幅杆2的杨氏模量为E(GPa)，变幅杆2的杆体21外径为D(mm)，变幅杆2与其杆体21长度相关的谐振频率为F_L(Hz)，变幅杆2随杆体21的外径增大而增加的谐振频率变化量为F_D(Hz)，超声波换能器3的波速为V(m/s)；

其中，参数值ρ、E、V之间存在如下函数关系：

参数值V、L₁、F_L之间存在如下函数关系：

参数值F_L、V、λ′之间存在如下函数关系：

参数值D、V、F_L、F_D之间存在如下函数关系：

参数值F₁、F_L、F_D、D、λ′之间存在如下函数关系：

至此，将公式(9)、(10)、(11)、(12)带入公式(13)中，则可得出参数值F₁、L₁、D、ρ、E之间需满足如下函数关系：

其中，6≤D≤65，K₂为修正系数，0.9≤K₂≤1.1。

需要说明的是，在本实施例中，若变幅杆2的杆体21是由外径不同的多个分段构成，则参数值D取杆体21的各分段外径的平均值；变幅杆2的密度和杨氏模量与其材料有关，就本实施例而言，变幅杆2的常用材料为Cr8，其密度为7.85(g/cm³)，采用Cr8的变幅杆2的杨氏模量为218(GPa)。

为了验证在公式(14)的限定下，本实施例提供的超声波加工装置是否具备更好的加工性能，即工作时加工刀具200能否产生更大的振幅，研发人员进行了三组测试：

第一组测试对象为本实施例提供的满足公式(8)，但不满足公式(14)的超声波加工装置，其加工刀具200的工作状态测试结果如表4所示；

第二组测试对象为本实施例提供的满足公式(8)，且满足公式(14)的超声波加工装置，其加工刀具200的工作状态测试结果如表5所示；

第三组测试对象为传统的采用密封螺帽的超声波加工装置，其加工刀具的工作状态测试结果如表6所示。需要指出的是，该组超声波加工装置的振动零点也位于变幅杆的法兰中心，振幅最大处也位于加工刀具的前端面。

表4(本实施例提供的不满足公式(14)的超声波加工装置的加工刀具200的工作状态测试结果)

表5(本实施例提供的满足公式(14)的超声波加工装置的加工刀具200的工作状态测试结果)

表6(传统的采用密封螺帽的超声波加工装置的加工刀具的工作状态测试结果)

附图22至附图25所示的是表4中的四组振幅数据与表5中的四组振幅数据的对比，从中可以直观地看出，在相同的测试条件下，具有相同振动频率的本实施例提供的不满足公式(14)的超声波加工装置与满足公式(14)的超声波加工装置相比，后者的加工刀具200的振幅始终更大，且随着标定系数的增加，二者之间的振幅差值呈逐渐增大的趋势。

附图26至附图29所示的是表5中的四组振幅数据与表6中的四组振幅数据的对比，从中可以直观地看出，在相同的测试条件下，具有相同振动频率的本实施例提供的满足公式(14)的超声波加工装置与传统的采用密封螺帽的超声波加工装置相比，前者的加工刀具200的振幅始终更大，且随着标定系数的增加，二者之间的振幅差值呈逐渐增大的趋势。

上述测试结果足以表明，公式(14)的限定能够显著提高本实施例提供的超声波加工装置的振幅上限，有效增强其加工性能，使其甚至能够超过传统的采用密封螺帽的超声波加工装置。

另外，从表4和表5中的振幅数据也可以看出，本实施例提供的满足公式(8)的超声波加工装置能够正常工作，可满足正常的使用要求，其中，不满足公式(14)的超声波加工装置虽然振幅不够大，但其依然能够适用部分应用场景。

除上述结构以外，本实施例提供的超声波加工装置的其他结构以及有益效果可参考实施例一，后文不再赘述。

参阅附图30，本实施例还提供一种上述超声波加工装置的组装方法，其包括如下步骤：

S1、在变幅杆2的杆体21外周面上对应于各变形槽41的位置(即定位面241上)施加径向向内的压力，使插孔211发生扩张变形；

S2、将加工刀具200插入插孔211内，然后卸载压力，变幅杆2的杆体21随即回弹恢复，以夹紧加工刀具200；

S3、将超声波换能器3安装于变幅杆2的杆体21后端；

S4、将变幅杆2的杆体21后端连同超声波换能器3一起伸入刀柄本体1的容置腔11内，再将变幅杆2的法兰22与刀柄本体1的前端相连接。

该组装方法可实现加工刀具200的可靠安装，并且步骤简单、易于实施，能够大幅提高工作效率。

实施例三

本实施例提供一种机床，其采用了实施例一或实施例二中所述的冷压超声波刀柄100。基于此，该机床具有加工质量好、加工精度高、加工性能优异等优点。

综上所述，本发明提供的超声波加工装置通过冷压的方式固定加工刀具200，无论是加工刀具200配合筒夹4一起压装于变幅杆2的插孔211内，还是加工刀具200直接压装于变幅杆2的插孔211内，均省略了密封螺帽，因此可减少不同部件之间的接触面，有效降低超声波传递过程中的能量损耗，提高加工效果，同时可避免密封螺帽与筒夹4之间的发热所带来的密封螺帽卡滞及筒夹4的内锥度精度流失等问题，保证加工质量和加工精度，并且质量更轻，转动惯量更小；

另外，由于L₁(法兰22的中心与杆体21的前端面之间的距离)、L₂(杆体21的前端面与加工刀具200的前端面之间的距离)、λ′(超声波换能器3在基础振动频率下的波长的1/4)、λ″(超声波换能器3在高阶振动频率下的波长的1/4)之间满足L₁+L₂＝λ′＝n×λ″，因此本发明提供的超声波加工装置的振动零点位于变幅杆的法兰中心，振幅最大处则位于加工刀具的前端面，进而，本发明提供的超声波加工装置可实现更高效、更节能、更优质的精加工；

更为重要的是，在特定函数关系的限定下，本发明提供的超声波加工装置不仅能够正常工作，而且还具有更高的振幅上限，甚至超过了传统的采用密封螺帽的超声波加工装置，正因如此，本发明提供的超声波加工装置的加工性能更优异，可满足更高的使用要求。

本发明提供的超声波加工装置的组装方法可实现加工刀具200的可靠安装，并且步骤简单、易于实施，能够大幅提高工作效率。

本发明提供的冷压超声波刀柄100同样具有能量损耗低、加工质量好、加工精度高、重量轻、转动惯量小、振幅上限高等优点。

本发明提供的机床由于采用了上述冷压超声波刀柄100，因此具有加工质量好、加工精度高、加工性能优异等优点。

本说明书参考附图来公开本申请，并且还使本领域中的技术人员能够实施本申请，包括制造和使用任何装置或系统、采用合适的材料以及使用任何结合的方法。本申请的范围由请求保护的技术方案限定，并且包括本领域中的技术人员想到的其他实例。只要此类其他实例包括并非不同于请求保护的技术方案字面语言的结构元件，或此类其他实例包含与请求保护的技术方案的字面语言没有实质性区别的等价结构元件，则此类其他实例应当被认为处于本申请请求保护的技术方案所确定的保护范围内。

Claims (20)

1.一种超声波加工装置，其特征在于，包括冷压超声波刀柄和加工刀具，所述冷压超声波刀柄包括：

刀柄本体，其开设有自其前端面向后延伸的容置腔；

变幅杆，其包括杆体以及设于所述杆体外周面上的法兰，所述法兰连接于所述刀柄本体的前端，所述杆体的后端伸入所述容置腔内，所述杆体开设有自其前端面向后延伸的插孔，所述插孔呈从前至后孔径逐渐减小的锥形并与所述容置腔同轴设置；

筒夹，其套设于所述加工刀具的外部，并与所述加工刀具一起通过冷压的方式压装于所述插孔内，所述筒夹的外轮廓呈与所述插孔相适配的锥形，所述筒夹开设有多条沿其周向间隔分布的变形槽，所述筒夹的外侧面与所述插孔的孔壁面相抵接，使得所述筒夹沿径向向内收缩变形，以夹紧所述加工刀具，且所述筒夹的外侧面与所述插孔的孔壁面之间产生轴向的自锁摩擦力，以防止所述筒夹向前移动并与所述杆体脱离；以及

超声波换能器，其设于所述容置腔内且安装于所述杆体的后端；

其中，所述法兰的中心与所述杆体的前端面之间的距离为L₁(mm)，所述杆体的前端面与所述加工刀具的前端面之间的距离为L₂(mm)，所述超声波换能器在基础振动频率下的波长的1/4为λ′(mm)，所述超声波换能器在高阶振动频率下的波长的1/4为λ″(mm)，L₁+L₂＝λ′＝n×λ″，且15≤L₁+L₂≤300，1<n≤10。

2.根据权利要求1所述的超声波加工装置，其特征在于，所述法兰的后端面与所述刀柄本体的前端面相贴合，且所述法兰的后端面上设有环绕所述杆体的第一凸环，所述刀柄本体的前端面开设有与所述第一凸环相适配的第一环槽。

3.根据权利要求1所述的超声波加工装置，其特征在于，所述超声波加工装置的基础振动频率为F₁(Hz)，所述超声波加工装置的高阶振动频率为F₂(Hz)，F₁、F₂、L₁之间满足如下函数关系：

F₂＝m×F₁

其中，1<m≤15，10≤L₁≤250，K₁为修正系数，0.7≤K₁≤1.3。

4.根据权利要求3所述的超声波加工装置，其特征在于，所述变幅杆的密度为ρ(g/cm³)，所述变幅杆的杨氏模量为E(GPa)，所述杆体的外径为D(mm)，上述参数值之间满足如下函数关系：

其中，6≤D≤65，K₂为修正系数，0.9<K₂≤1.1。

5.根据权利要求3所述的超声波加工装置，其特征在于，10≤L₁≤150。

6.根据权利要求1所述的超声波加工装置，其特征在于，所述变形槽连通所述筒夹的外周面与内周面，且所述变形槽自所述筒夹的前端面沿所述筒夹的轴向向后延伸至距所述筒夹的后端面一定距离A(mm)，A＞0。

7.根据权利要求6所述的超声波加工装置，其特征在于，3≤A≤20。

8.根据权利要求6所述的超声波加工装置，其特征在于，所述变形槽在所述筒夹的前端面上形成的开口与所述筒夹的内周面相距一定距离B(mm)，B＞0。

9.根据权利要求8所述的超声波加工装置，其特征在于，2≤B≤5。

10.一种超声波加工装置，其特征在于，包括冷压超声波刀柄和加工刀具，所述冷压超声波刀柄包括：

刀柄本体，其开设有自其前端面向后延伸的容置腔；

变幅杆，其包括杆体以及设于所述杆体外周面上的法兰，所述法兰连接于所述刀柄本体的前端，所述杆体的后端伸入所述容置腔内，所述杆体开设有自其前端面向后延伸的插孔和变形槽，所述插孔与所述容置腔同轴设置，所述变形槽设为多条并围绕所述插孔间隔分布，所述加工刀具通过冷压的方式直接压装于所述插孔内；以及

超声波换能器，其设于所述容置腔内且安装于所述杆体的后端；

其中，所述法兰的中心与所述杆体的前端面之间的距离为L₁(mm)，所述杆体的前端面与所述加工刀具的前端面之间的距离为L₂(mm)，所述超声波换能器在基础振动频率下的波长的1/4为λ′(mm)，所述超声波换能器在高阶振动频率下的波长的1/4为λ″(mm)，L₁+L₂＝λ′＝n×λ″，且15≤L₁+L₂≤300，1<n≤10。

11.根据权利要求10所述的超声波加工装置，其特征在于，所述法兰的后端面与所述刀柄本体的前端面相贴合，且所述法兰的后端面上设有环绕所述杆体的第一凸环，所述刀柄本体的前端面开设有与所述第一凸环相适配的第一环槽。

12.根据权利要求10所述的超声波加工装置，其特征在于，所述超声波加工装置的基础振动频率为F₁(Hz)，所述超声波加工装置的高阶振动频率为F₂(Hz)，F₁、F₂、L₁之间满足如下函数关系：

F₂＝m×F₁

其中，1<m≤15，10≤L₁≤250，K₁为修正系数，0.7≤K₁≤1.3。

13.根据权利要求12所述的超声波加工装置，其特征在于，所述变幅杆的密度为ρ(g/cm³)，所述变幅杆的杨氏模量为E(GPa)，所述杆体的外径为D(mm)，上述参数值之间满足如下函数关系：

其中，6≤D≤65，K₂为修正系数，0.9<K₂≤1.1。

14.根据权利要求12所述的超声波加工装置，其特征在于，10≤L₁≤150。

15.根据权利要求10所述的超声波加工装置，其特征在于，所述插孔和所述变形槽均沿所述杆体的轴向向后延伸至所述杆体的后端面。

16.根据权利要求10所述的超声波加工装置，其特征在于，所述变形槽包括第一槽段和第二槽段，所述第一槽段呈圆心重合于所述插孔的中心线的圆弧形，所述第二槽段设于所述第一槽段与所述插孔之间，且所述第二槽段的一端与所述第一槽段相连通，所述第二槽段的另一端与所述插孔相连通。

17.根据权利要求16所述的超声波加工装置，其特征在于，所述第二槽段沿所述杆体的径向延伸，且所述第二槽段与所述第一槽段的连通处位于所述第一槽段的中部。

18.根据权利要求17所述的超声波加工装置，其特征在于，所述杆体的外周面上设有位于所述法兰前侧的定位凸台，所述定位凸台的外周面包括与所述变形槽一一对应的定位面，且所述定位面垂直于与其相对应的所述变形槽的第二槽段。

19.一种冷压超声波刀柄，其特征在于，为应用于权利要求1-18任一项所述的超声波加工装置的冷压超声波刀柄。

20.一种机床，其特征在于，包括如权利要求19所述的冷压超声波刀柄。

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