CN113427286A - 一种高频超声刀柄、刀具装置及超声机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频超声刀柄，包括：依次连接在刀柄本体前端的筒夹和用于接收换能器转换的高频机械振动的变幅杆；所述刀柄本体的前端开设有第一容置腔，所述筒夹与所述刀柄本体可拆卸连接且部分插设于所述第一容置腔中；在所述筒夹与所述变幅杆连接部分设置有振动能量阻断结构，所述振动能量阻断结构用于减少所述变幅杆传递的高频机械振动传递到所述筒夹上。这种高频超声刀柄、刀具装置及超声机床的结构精简小巧，能量损失少，能够满足超高频振动的需求。

Description

一种高频超声刀柄、刀具装置及超声机床

技术领域

本发明涉及超声加工技术领域，尤其涉及一种高频超声刀柄、刀具装置及超声机床。

背景技术

随着技术的发展，超声加工技术也越来越被人们所应用，通过在传统切削加工的工具与工件相对运动的基础上，在切削工具或工件上施加超声振动，通过机械切削作用、高频微撞击作用以及超声空化作用等进行材料去除，获得更好加工性能的加工方法。超高转速(例如6000转以上)的机床需要使用超高频率(80－100kHz以上)的超声刀柄，否则超声振动的频率无法匹配其线速度，难以保证其加工品质、精度、效率和刀具寿命。

然而，现有能实现超高频频率振动能量的超声刀柄尺寸较大，难以实现超高频率(100kHz以上时，波长极小)的振动。换能器、刀具以及筒夹常套设在变幅杆中，造成变幅杆和换能器的直径过大，难以达到理想的尺寸。此外，由于现有的超声刀柄与刀具之间的连接固定结构较为复杂且部件较多，导致超声电源难以确认真正的谐振频率，还会造成声阻抗大，消耗高频机械振动能量，刀具难以实现超高频率振动，加工效果差。再加上复杂连接结构使得整个超声刀柄长度和重量增加，容易引起跳动和惯性差等问题，使得现有技术中难以制造超高频率的超声刀柄。

发明内容

为了克服现有技术中缺陷的至少其中之一，本发明的目的在于提供一种高频超声刀柄、刀具装置及超声机床，其结构精简小巧，能量损失少，能够满足超高频振动的需求。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种高频超声刀柄，包括：依次连接在刀柄本体前端的筒夹和用于接收换能器转换的高频机械振动的变幅杆；所述刀柄本体的前端开设有第一容置腔，所述筒夹与所述刀柄本体可拆卸连接且部分插设于所述第一容置腔中；在所述筒夹与所述变幅杆连接部分设置有振动能量阻断结构，所述振动能量阻断结构用于减少所述变幅杆传递的高频机械振动传递到所述筒夹上。

进一步地，所述高频超声刀柄的振动频率为80kHz至120kHz。

进一步地，所述振动能量阻断结构包括设置于所述筒夹的前端的第二容置腔，所述变幅杆的后端设于所述第二容置腔内，所述变幅杆的前端延伸出所述第二容置腔。

进一步地，所述换能器设置于所述变幅杆的后端并位于所述第二容置腔内。

进一步地，所述变幅杆包括变幅杆本体及安装于所述变幅杆本体后端的螺杆，所述换能器套设于所述螺杆的外周。

进一步地，所述变幅杆本体和所述螺杆同轴设置。

进一步地，所述变幅杆本体的外径大于所述螺杆的外径并小于所述第二容置腔的内径。

进一步地，所述振动能量阻断结构还包括支撑环，所述支撑环设于所述变幅杆的中部外周，所述变幅杆通过所述支撑环与所述筒夹连接，使得所述变幅杆的后端和所述换能器悬空于所述第二容置腔中。

进一步地，所述支撑环设于所述变幅杆本体的外周。

进一步地，所述第二容置腔容纳所述变幅杆部分的横截面的最小直线距离大于所述变幅杆在预设高频机械振动频率下的2倍振幅。

进一步地，所述第二容置腔沿轴向横截面的形状与所述变幅杆位于所述第二容置腔内的结构形状相匹配。

进一步地，所述第二容置腔容纳所述螺杆部分沿轴向的截面为锥台形，且所述锥台形的底部朝向所述变幅杆的前端。

进一步地，所述第二容置腔中与所述锥台形的底部连接的部分沿轴向的截面为长方形，所述第二容置腔中锥台形底部的垂直于轴线的距离大于所述长方形垂直于轴线的距离。

进一步地，所述第二容置腔中锥台形部分和长方形部分同轴设置。

进一步地，所述支撑环的外周面设有所述筒夹的前端面贴合的台阶面，且所述台阶面与所述筒夹相互焊接。

进一步地，所述刀柄本体的第一容置腔内设有第一导电部，所述筒夹上设有第二导电部，所述第一导电部与所述第二导电部接触式电连接；所述第二导电部与所述换能器之间采用导电线电连接。

进一步地，所述第一导电部设于所述第一容置腔的后端内侧，所述第二导电部设于所述筒夹的后端外侧，所述第一导电部与所述第二导电部弹性接触。

进一步地，所述筒夹与刀柄本体之间通过螺纹结构连接。

进一步地，还包括具有内螺纹的螺套，所述刀柄本体外侧设有与所述内螺纹匹配的外螺纹；所述螺套套设于所述刀柄本体和筒夹外，所述内螺纹与所述外螺纹螺合；所述螺套的前端具有卡接位，所述卡接位抵贴于所述筒夹的前端，使得所述筒夹被压紧于所述第一容置腔中。

进一步地，所述筒夹的后端外侧具有第一圆锥面，所述筒夹的前端外侧具有第二圆锥面，所述第一容置腔的内壁具有第三圆锥面，所述卡接位的内侧具有第四圆锥面，所述第一圆锥面和第三圆锥面同轴贴触，所述第二圆锥面和第四圆锥面同轴贴触；所述第一圆锥面、第二圆锥面、变幅杆同轴。

一种高频超声刀具装置，包括刀具以及所述的高频超声刀柄，所述高频超声刀柄包括变幅杆，所述变幅杆的前端与所述刀具后端同轴连接。

进一步地，所述换能器的直径、变幅杆本体的直径和刀具的直径这三者中的最大值为所述高频超声刀柄的振动频率所对应波长的0.2至0.3倍，所述支撑环距离所述刀具前端的长度为所述高频超声刀柄的振动频率所对应波长的0.7至0.8倍。

进一步地，所述刀具和变幅杆焊接连接。

一种超声机床，包括机床本体、设置在所述本体上的主轴以及所述的高频超声刀具装置，所述高频超声刀具装置与所述主轴连接。

1.本申请中的高频超声刀柄，将筒夹和变幅杆连接的位置进行了调换，且筒夹与刀柄本体可拆卸连接，使得筒夹固定变幅杆并与之形成一个整体，在变幅杆前端设置有刀具且需要拆卸更换时，利用筒夹与刀柄本体之间的可拆卸连接，将筒夹、变幅杆和刀具整体拆下即可，由于刀具无需反复拆卸，因此刀具的安装更加稳定，精度更高。同时，筒夹与变幅杆之间连接的能量阻断结构，能够减少变幅杆上的高频振动能量传递到其他结构上，使得高频振动的主要能量能够传递到变幅杆前端，进而使得刀具能够获得高频超声振动。降低了高频机械振动在传递过程中的能量损失。

2.本申请中高频超声刀柄，通过在筒夹内部设置第二容置腔，使得变幅杆的后端能够设置于第二容置腔中，进而在变幅杆接收到高频机械振动时，不会与筒夹接触，减少了变幅杆和筒夹的摩擦，进而减少了变幅杆上的高频机械振动能量的损失，使得变幅杆上高频机械振动的大部分能量能够传递到变幅杆前端，并将该能量传递到刀具上，保证刀具的高频振动频率。由于变幅杆设置于筒夹内部，不需要与刀柄本体直接连接，进而大幅度减小了变幅杆的尺寸，不容易引起跳动且惯性较好，同时还降低了超声电源搜频的难度。

3.本申请中高频超声刀柄，通过在变幅杆中部设置支撑环，使得变幅杆后端以及变幅杆后端的换能器都能够稳定悬空于第二容置腔中，进而避免在变幅杆传递高频振动的过程中变幅杆与筒夹之间产生摩擦，同时变幅杆能够以支撑环的位置作为高频机械振动基点，将高频机械振动传递到变幅杆前端，并能够进一步地减少变幅杆传递的高频机械振动能量传递到筒夹及筒夹以外的结构上，进而减少了高频机械振动的能量损失，使得高频机械振动的大部分能量能够传递到变幅杆前端，并传递给刀具，保证刀具的高频振动频率。同时，换能器设置于变幅杆后端并容纳在第二容置腔中，使得换能器之后的结构件复杂程度降低，进一步降低了超声电源搜频的难度，同时声阻抗也不会过多增加，减小了能量的消耗。

4.本申请中的高频超声刀具装置，刀具的后端面与变幅杆的前端面同轴相连，而非变幅杆套设在刀具外的结构，这使得变幅杆的直径能够大幅减小，不但降低了超声电源搜频的难度，而且当振动通过变幅杆传递到刀具上时，不会因为刀具与外套部件之间的摩擦干扰而损耗能量；精简的结构便于减小换能器、变幅杆和刀具的直径，从而能够满足更高频率振动对直径的小尺寸要求，不容易引起跳动且惯性较好，实现高频振动的效果。

附图说明

图1为本发明的一种高频超声刀柄的剖视示意图；

图2为本发明的一种高频超声刀柄的爆炸示意图；

图3为本发明的一种高频超声刀柄的立体示意图；

图4为本发明的一种高频超声刀柄振动时的振动幅度模态分布图；

图5为现有技术中高频超声刀柄振动时的振动幅度模态分布图；

其中，1－刀柄本体，11－第一容置腔，12－第一导电部，2－筒夹，21－第二容置腔，22－第二导电部，23－第一圆锥面，24－第二圆锥面，3－换能器，4－变幅杆，41－支撑环，411－台阶面，42－螺杆，43－变幅杆本体，5－刀具，6－螺套，61－卡接位，611－第四圆锥面。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。其中，“前”为采用本实施例中的高频超声刀柄进行加工时，靠近加工工件的一端，“后”为背离加工工件的一端。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上，或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1至3示出了本发明的一种高频超声刀柄，包括依次连接在刀柄本体1后端的筒夹2和用于接收换能器3转换的高频机械振动的变幅杆4；所述刀柄本体1的前端开设有第一容置腔11，所述筒夹2与所述刀柄本体1可拆卸连接且部分插设于所述第一容置腔11中；为了减少所述变幅杆4传递高频机械振动过程中的振动能量损失，在所述筒夹2与所述变幅杆4连接部分设置有振动能量阻断结构。考虑到本实施例中的高频超声刀柄尤其适用于超高频振动中，当振动幅度越大时，换能器3、变幅杆4和刀具5的直径需要越小，而刀柄本体1需要配合机床等安装和制造，其尺寸难以更改，那么，当直径更小的换能器3和变幅杆4安装在原尺寸大小的刀柄本体1上时，将会出现不能匹配，难以安装的情况。若将换能器3和变幅杆4通过一般的螺纹结构简单连接，一方面难以保证对中精度，给安装带来了困难；另一方面由于高频振动的能量过大，换能器3上的巨大能量若没有合适的结构阻断其与刀柄本体1之间的能量传递，在振动过程中，能够轻易地将换能器3和变幅杆4整体震动脱离刀柄本体1。若为了结构稳定将换能器3和变幅杆4直接焊接在刀柄本体1上，在换能器3、变幅杆4或刀具5需要更换时，需要更换整个高频超声刀柄，成本将会变得极高。

为了解决上述问题，本申请将筒夹2和变幅杆4连接的位置进行了调换，且筒夹2与刀柄本体1可拆卸连接，进而在变幅杆4前端设置有刀具5且需要拆卸更换时，利用筒夹2与刀柄本体1之间的可拆卸连接，则不需要依次拆卸刀具5、变幅杆4和筒夹2，即能够将筒夹2、变幅杆4和刀具5整体拆下，避免多次和反复拆卸。由于刀具无需反复拆卸，因此刀具的安装更加稳定，精度更高。

此外，为了使得变幅杆4传递的高频机械振动能够传递到变幅杆4前端，通过筒夹2与变幅杆4之间连接的能量阻断结构，能够减少变幅杆上的高频振动能量传递到其他结构上，进而使得刀具5能够获得高频超声振动，降低了高频机械振动在传递过程中的能量损失。可选地，振动能量阻断结构用于减少所述变幅杆4传递的高频机械振动传递到筒夹上，使得高频机械振动能量主要集中在变幅杆上，并往变幅杆4的前端传递，保证刀具的高频超声振动。

在本申请提供的一种实施例中，高频超声刀柄的振动频率为80kHz至120kHz。现有的一般的超声刀柄难以达到这一水平，本实施例由于采用了上述方案，一方面能够大幅度降低换能器和变幅杆的尺寸，使得高频振动成为可能；另一方面同构能量阻断结构使得换能器3的绝大部分能量都能被传递到刀具5上去，而不是传递到刀柄本体1上去造成能量浪费，此外，各组件之间的连接结构更加简洁，能量损耗更低，使其非常适用于80kHz至120kHz范围的超高频振动，更适用于100kHz以上。

在本申请提供的一种实施例中，刀柄本体1的前端开设有第一容置腔11，用于容置安装换能器3和变幅杆4；筒夹2与刀柄本体1可拆卸式连接，且筒夹2部分插设于第一容置腔11中以便于筒夹2与刀柄本体1之间的连接，筒夹2的前端开设有第二容置腔21，振动能量阻断结构包括第二容置腔21.变幅杆4的后端设于第二容置腔21内，变幅杆4的前端向前伸出于第二容置腔21，进而减少了变幅杆4的结构尺寸，同时变幅杆4的后端位于第二容置腔21中，使得变幅杆4延伸出的尺寸缩短，减小了整个刀柄结构的尺寸。本实施例中的变幅杆4优选为一体式结构，采用一体成型的方式加工，以尽量减少部件的数量和接触面，便于减小直径尺寸，也利于搜频和降低能量损失；换能器3安装于变幅杆4的后端并设于第二容置腔21内，使得变幅杆4能够直接接收换能器3转换的高频机械振动，并将该高频机械振动传递到变幅杆前端。此外，变幅杆4也可能为多个部件相互组合的结构，此时变幅杆4可以采用螺纹连接、卡接等各种连接方式连接固定。本实施例中的变幅杆的优选方案为：变幅杆4的前端包括变幅杆本体43及安装于变幅杆本体43后端的螺杆42，换能器3包括环形的压电振子，压电振子套设于螺杆42外周，用于直接接受换能器3提供的能量；螺杆42的前端连接变幅杆本体43的后端，变幅杆本体43的前端外侧设置支撑环41；变幅杆本体43的外径大于螺杆42的外径并小于第二容置腔21的内径，变幅杆本体43的外径大于螺杆42的外径主要是为了以较大的尺寸来聚能和增大振幅，小于第二容置腔21的内径是为了防止在振动的过程中撞击到筒夹2，引起能量损耗。更加具体地，变幅杆4本体包括直径不变的直筒段和由直筒段朝向与下述支撑环变小的锥形段，使得整个变幅杆的直径呈现中部粗，两端细的结构，且中部最粗的部分位于第二容置腔内，从而使其振动最大的部位处于内部悬空状态。

为了变幅杆4的振动更好地传递到刀具5上，所述振动能量阻断结构还包括支撑环41，支撑环41设于变幅杆4的中部外周，变幅杆4通过支撑环41与筒夹2相连，使得变幅杆4的前端和换能器3悬空于第二容置腔21中。支撑环41一方面用于将变幅杆4固定连接在筒夹2上，另一方面将变幅杆4的前端和换能器3悬空起来，避免和筒夹2进行接触，而支撑环41的前端支撑着刀具5，在换能器3振动时，整个变幅杆4能够以支撑环41为振动幅度最小的基点，向前端的刀具5传递振动，内部的换能器3也不会因为撞击到筒夹2而减损能量，振动能量的利用达到最大化，利于实现高频振动。

除上述结构之外，本申请还提供一种实施方式，在筒夹2的第二容置腔21中填充弹性缓冲材料，当换能器3和变幅杆4被支撑环41支撑于第二容置腔21中时，其并非处于悬空状态，而是被弹性缓冲材料包裹，从而起到缓冲和阻断振动能量传递到刀柄本体1上的作用。比起完全悬空的结构而言，这种结构可以对换能器3和变幅杆4起到弹性反推的作用，有利于进一步提高振动频率。

在本申请提供的一种实施例中，所述第二容置腔21容纳所述变幅杆4部分的横截面的最小直线距离大于所述变幅杆4在预设高频机械振动频率下的2倍振幅，使得变幅杆4后端的在传递振动过程中，不会与筒夹2的第二容置腔21产生摩擦，也不会因为摩擦产生热量，进而减少了能量损失。为了能过最大幅度的减少能能量损失，在变幅杆4后端设置有换能器3时，由于变幅杆4接收到高频机械振动的瞬间，换能器3也会同时出现振动，第二容置腔21容纳变幅杆部分的横截面的最小直线距离大于换能器3在预设高频机械振动频率下的2倍振幅，避免换能器3振动时与第二容置腔21内壁产生摩擦。需要说明的是，振幅为在变幅杆4的轴线上下的振动幅度。

为了在变幅杆4振动时，保证第二容置腔21内壁不会与换能器3内壁摩擦，所述第二容置腔21沿轴向横截面的形状与所述变幅杆4位于所述第二容置腔21内的结构形状相匹配，同时还能够避免在筒夹2内部开设过大的第二容置腔21，保证筒夹2结构的稳定性以及刚性和强度。

在一种实施方式中，为了进一步避免第二容置腔21内部尺寸过大，变幅杆4后端设置有直径小于变幅杆本体43直径的螺杆42，所述第二容置腔21容纳所述螺杆42部分沿轴向的截面为锥台形，且所述锥台形的底部朝向所述变幅杆4的前端，使得第二容置腔内部形状能够与筒夹外部形状相匹配，保证筒夹各个结构的稳定性，同时使得变幅杆4和换能器3能够悬空于第二容置腔21中，且第二容置腔21中还有变幅杆4和换能器3的振动空间。

在一种可选的实施方式中，所述第二容置腔21中与所述锥台形的底部连接的部分沿轴向的截面为长方形，所述第二容置腔21中锥台形底部的垂直于轴线的距离大于所述长方形垂直于轴线的距离，简化筒夹2开设第二容置腔21的操作，同时便于该部分与支撑环41的外周面贴合或者过盈配合。第二容置腔21中锥台形部分和长方形部分同轴设置。由于变幅杆4各个结构为同轴设置，进而使得变幅杆更便于安装在第二容置腔21中，且悬空于变幅杆4的各个部位不会与第二容置腔21内壁接触，并保证了变幅杆4各个部位的振动空间，同时也便于第二容置腔21的加工。

为了进一步精简变幅杆4和筒夹2的连接结构，减小可相对活动的接触面，支撑环41的外侧具有台阶面411，台阶面411卡合于筒夹2的前端边缘，且台阶面411与筒夹2相互焊接，其中，台阶面411使得支撑受力位置更加靠近内部区域，能够更好地在振动中保持支撑环41的稳定性，减小振动幅度；一体式连接优选为焊接。

由于本实施例采用了筒夹2、换能器3、变幅杆4和刀具5整体可拆卸的结构，而换能器3需要供电，在电路连接结构上，刀柄本体1的第一容置腔11的后端设有第一导电部12，筒夹2后端设有第二导电部22，第一导电部12与第二导电部22接触式电连接；第二导电部22与换能器3之间采用导电线电连接，导线的两端分别焊接在第二导电部22和换能器3上(图中未示出)，从而刀柄本体1与换能器3之间的电路导通，刀柄本体1与筒夹2之间可分离式的接触式的电连接结构便于反复多次更换和安装；第二导电部22与换能器3之间的导线可变形能避免对换能器3的振动形成限制，换能器3在振动的时候也能保持与第二导电部22之间的电连接。

具体地，第一导电部12设于第一容置腔11的后端内侧，第二导电部22设于筒夹2的后端外侧，第一导电部12与第二导电部22弹性接触，当筒夹2安装于第一容置腔11中时，第一导电部12与第二导电部22接触并电导通，弹性用于保持良好的接触。在一种实施方式中，筒夹2后端设置有与第二容置腔21连通的套件，套件采用不导电材料制成，套件设有安装第二导电部的通孔，该通孔与第二容置腔21连通，使得导电线在一端与换能器3焊接时，导电线的另一端能够通过该通孔与第二导电部22焊接。其中，第二导电部22和第一导电部21与正极连接，刀柄本体1的外壳设有负极，进而便于将高频电能信号传输给换能器。

在筒夹2和刀柄本体1的连接结构上，可以采用各种可拆卸式结构，例如螺纹或卡扣结构等，本实施例优选采用通过螺纹结构连接，螺纹结构具有拆卸方便，旋紧后稳定性强等优点，适合在需要高频率振动的超声刀柄中使用。

具体地，螺纹结构包括螺套6，螺套6呈环形且设有内螺纹，螺套6的前端具有卡接位61；刀柄本体1外侧设有与内螺纹匹配的外螺纹；螺套6套设于刀柄本体1和筒夹2外，内螺纹与外螺纹螺合，卡接位61抵触于筒夹2的前端，将筒夹2压紧于第一容置腔中，从而实现筒夹2和刀柄本体1之间的连接固定，这种连接方案不但安装稳定，还不会增加换能器3、变幅杆4和刀具5整体的尺寸，有利于获得良好的振幅。

为了降低安装难度和安装引起的同轴度误差，筒夹2的后端外侧具有第一圆锥面23，筒夹2的前端外侧具有第二圆锥面24，第一容置腔11的内壁具有第三圆锥面13，卡接位61的内侧具有第四圆锥面611，第一圆锥面23和第三圆锥面13同轴贴触，第二圆锥面24和第四圆锥面611同轴贴触，第一圆锥面23、第二圆锥面24、变幅杆4和刀具5同轴。由于圆锥面的特殊形状，当两个圆锥面内外接触向内推进至无法推动时即可判定为安装到位，无需过盈配合，拆卸也非常简单，同时能够保证筒夹2和刀柄之间安装的同轴度，进而使得各个角度上的受力均匀，振动起来摆动更加稳定。

基于上述实施例，本申请的实施例还提供了一种高频超声刀具装置，包括刀具5以及本申请中任一实施方式的高频超声刀柄，所述高频超声刀柄包括变幅杆4，所述变幅杆4的前端与所述刀具5同轴连接。刀具5的后端面与变幅杆4的前端面同轴相连，而非变幅杆4套设在刀具5外的结构，这使得变幅杆的直径能够大幅减小，这不但降低了超声电源搜频的难度，而且当振动通过变幅杆4传递到刀具5上时，不会因为刀具5与外套部件之间的摩擦干扰而将本该形成振动的能量损耗为热量，这种转化既不利于刀具5的高能量输出，也使得整个超声刀柄温度过高，甚至需要配备相应的冷却措施，结构将更加复杂。因此本实施例中的超声刀柄通过采用精简的结构，高百分比的能量传递，能够大幅减小换能器3、变幅杆4和刀具5的直径，满足更高频率振动对直径的小尺寸要求，不容易引起跳动且惯性较好，实现高频振动的效果。此外，若刀具5直接与伸出于筒夹2第二容置腔21的变幅杆4焊接式一体连接，刀具5的固定不再需要套设任何部件，更加保证了能量的高效率利用，避免能量损耗。其余能够实现不通过辅助部件实现两者相连的结构不一一列举。

考虑到尺寸对超声刀柄工作状态的影响，本实施例中优选换能器3的直径、变幅杆本体43的直径(支撑环直径除外)和刀具5的直径这三者中的最大值为高频超声刀柄的振动频率所对应波长的0.2至0.3倍，最好为0.25倍，即四分之一，这一尺寸的直径为超声加工系统的良好工作尺寸，能够实现很好的振幅。

为了使得刀具5的端部的振幅达到最大化，本实施例中的支撑环41距离刀具5端部的长度为高频超声刀柄的振动频率所对应波长的0.7至0.8倍，最好为0.75倍，也即四分之三。附图4为本实施例中的超声刀柄振动时的振动幅度模态分布图，各处颜色的深浅不同，代表振动幅度的大小不同。从图中可以看出，支撑环41所在处的变幅杆4因为被筒夹2固定，因此振幅最小(接近0)，可以视为原点；而刀具5的端部刚好距离支撑环41约四分之三个波长，刚好为振幅最大的位置(约为最高的571)，因此，当振幅最大的刀具5端部作用在需要加工的工件上时，能够获得最好的加工效果，配合80kHz至120kHz的超高频率，能够迅速地加工工件至所需程度；从图上也可以看出，通过本实施例中的方案，第二腔体内部悬空的变幅杆4和换能器3振动幅度相较于刀具5而言大幅减小，大部分能量已经传递到了刀具5上，使得变幅杆4最前端的机械振动幅度大于变幅杆4中部以及后端的机械振动幅度。

图5为现有技术中，变幅杆与刀柄本体连接，筒夹套设在变幅杆上的模拟图，通过图5可知，在9万多赫兹接近10万赫兹的振动频率下，与变幅杆连接的刀柄本体、筒夹、螺帽上均有振动能量分布，且换能器与刀柄本体接触的d’和a’位置基本处于中等振幅的状态，进而导致刀具累积的能量小，刀具振动幅度小，不能够实现高频振动；此外，从刀具上的能量分布来看，b’所在位置为振幅最小的位置，相当于原点，而刀具的端部位置一长段则处于次大振幅的位置，使得刀具的端部并非是振幅最大、能量最集中的区域，难以达到最高的加工效率。通过比对图4，其中示出的本申请的一种实施方式可知，在10万赫兹的振动频率下，变幅杆最前端的积累的能量更高，使得变幅杆最前端的振动幅度最大，进而使得与变幅杆连接的刀具的振动幅度达到最大。因此，本实施例中的高频超声刀具装置在高频率振动的高能量传递中，具有巨大效率优势；而且刀具5寿命延长，工件品质和精度也能提升。图4中，变幅杆的a处振幅最小；刀具的b处为二分之一波长处，振动幅度最小；c处为四分之三波长处，振动幅度最大。

本申请的实施例还提供了一种超声机床，包括机床本体、设置在所述本体上的主轴以及与所述主轴连接的高频超声刀具装置。本申请中的超声机床相较于现有技术而言，

将筒夹2和变幅杆4连接的位置进行了调换，且筒夹2与刀柄本体1可拆卸连接，进而在变幅杆4前端设置有刀具5且需要拆卸更换时，利用筒夹2与刀柄本体1之间的可拆卸连接，则不需要依次拆卸刀具5、变幅杆4和筒夹2，即能够将筒夹2、变幅杆4和刀具5整体拆下，避免多次和反复拆卸。由于刀具无需反复拆卸，因此刀具的安装更加稳定，精度更高。此外，为了使得变幅杆4传递的高频机械振动能够传递到变幅杆4前端，通过筒夹2与变幅杆4之间连接的能量阻断结构，能够减少变幅杆上的高频振动能量传递到其他结构上，进而使得刀具5能够获得高频超声振动，降低了高频机械振动在传递过程中的能量损失，还精简了结构，进而能够满足更高频率振动对直径的小尺寸要求，不容易引起跳动且惯性较好，实现高频振动的效果。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (23)

1.一种高频超声刀柄，其特征在于，包括：依次连接在刀柄本体前端的筒夹和用于接收换能器转换的高频机械振动的变幅杆；所述刀柄本体的前端开设有第一容置腔，所述筒夹与所述刀柄本体可拆卸连接且部分插设于所述第一容置腔中；在所述筒夹与所述变幅杆连接部分设置有振动能量阻断结构，所述振动能量阻断结构用于减少所述变幅杆传递的高频机械振动传递到所述筒夹上。

2.如权利要求1所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述高频超声刀柄的固有振动频率为80kHz至120kHz。

3.如权利要求1或2所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述振动能量阻断结构包括设置于所述筒夹的前端的第二容置腔，所述变幅杆的后端设于所述第二容置腔内，所述变幅杆的前端延伸出所述第二容置腔。

4.如权利要求3所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述换能器设置于所述变幅杆的后端并位于所述第二容置腔内。

5.如权利要求3所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述变幅杆包括变幅杆本体及安装于所述变幅杆本体后端的螺杆，所述换能器套设于所述螺杆的外周。

6.如权利要求5所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述变幅杆本体和所述螺杆同轴设置。

7.如权利要求5所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述变幅杆本体的外径大于所述螺杆的外径并小于所述第二容置腔的内径。

8.如权利要求3所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述振动能量阻断结构还包括支撑环，所述支撑环设于所述变幅杆的中部外周，所述变幅杆通过所述支撑环与所述筒夹连接，使得所述变幅杆的后端和所述换能器悬空于所述第二容置腔中。

9.如权利要求8所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述支撑环设于所述变幅杆本体的外周。

10.如权利要求3所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述第二容置腔容纳所述变幅杆部分的横截面的最小直线距离大于所述变幅杆在预设高频机械振动频率下的2倍振幅。

11.如权利要求3所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述第二容置腔沿轴向横截面的形状与所述变幅杆位于所述第二容置腔内的结构形状相匹配。

12.如权利要求5所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述第二容置腔容纳所述螺杆部分沿轴向的截面为锥台形，且所述锥台形的底部朝向所述变幅杆的前端。

13.如权利要求12所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述第二容置腔中与所述锥台形的底部连接的部分沿轴向的截面为长方形，所述第二容置腔中锥台形底部的垂直于轴线的距离大于所述长方形垂直于轴线的距离。

14.如权利要求12所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述第二容置腔中锥台形部分和长方形部分同轴设置。

15.如权利要求8所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述支撑环的外周面设有与所述筒夹的前端面贴合的台阶面，且所述台阶面与所述筒夹焊接。

16.如权利要求1所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述第一容置腔内设有第一导电部，所述筒夹上设有第二导电部，所述第一导电部与所述第二导电部接触式电连接；所述第二导电部与所述换能器之间采用导电线电连接。

17.如权利要求16所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述第一导电部设于所述第一容置腔的后端内侧，所述第二导电部设于所述筒夹的后端外侧，所述第一导电部与所述第二导电部弹性接触。

18.如权利要求1所述的高频超声刀柄，其特征在于，还包括具有内螺纹的螺套，所述刀柄本体外侧设有与所述内螺纹匹配的外螺纹；所述螺套套设于所述刀柄本体和筒夹外，所述内螺纹与所述外螺纹螺合；所述螺套的前端具有卡接位，所述卡接位抵贴于所述筒夹的前端，使得所述筒夹被压紧于所述第一容置腔中。

19.如权利要求18所述的高频超声刀柄，其特征在于，所述筒夹的后端外侧具有第一圆锥面，所述筒夹的前端外侧具有第二圆锥面，所述第一容置腔的内壁具有第三圆锥面，所述卡接位的内侧具有第四圆锥面，所述第一圆锥面和第三圆锥面同轴贴触，所述第二圆锥面和第四圆锥面同轴贴触；所述第一圆锥面、第二圆锥面、变幅杆同轴。

20.一种高频超声刀具装置，其特征在于，包括刀具以及权利要求1至19任一项所述的高频超声刀柄，所述高频超声刀柄包括变幅杆，所述变幅杆的前端与所述刀具后端同轴连接。

21.如权利要求20所述的高频超声刀具装置，其特征在于，所述换能器的直径、变幅杆本体的直径和刀具的直径这三者中的最大值为所述高频超声刀柄的振动频率所对应波长的0.2至0.3倍，所述支撑环距离所述刀具前端的长度为所述高频超声刀柄的振动频率所对应波长的0.7至0.8倍。

22.如权利要求20或21所述的高频超声刀具装置，其特征在于，所述刀具和变幅杆焊接连接。

23.一种超声机床，其特征在于，包括机床本体、设置在所述本体上的主轴以及权利要求20至22任一项所述的高频超声刀具装置，所述高频超声刀具装置与所述主轴连接。

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