CN113560615B - 机床、超声波刀柄、超声波加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了机床、超声波刀柄、超声波加工装置。其中，超声波加工装置的法兰中心与螺帽的前端面之间的距离(L₁)、螺帽的前端面与加工刀具的前端面之间的距离(L₂)、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(λ″)之间满足公式：L₁+L₂＝λ′＝n×λ″，因此其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，进而能量输出效率高、阻抗小、稳定性好。本发明提供的超声波刀柄、机床同样具有加工效率更高的优点。

Description

机床、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、超声波刀柄、超声波加工装置。

背景技术

在加工作业的过程中导入高频的振动加工机制，不仅可改善切削加工面的表面粗糙度和提高加工精度，更可降低切削阻力，增加刀具的寿命，因此，超声波加工技术具有非常广泛的应用前景。

超声波刀柄是超声波加工技术的一种具体应用，其可以认为是在普通刀柄上增加了超声波换能器，以实现高频振动。然而，现有的超声波刀柄并未对参数进行特殊的限定，因此存在能量输出效率低、阻抗大、稳定性差等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能量输出效率高、阻抗小、稳定性好的超声波加工装置。

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

刀柄本体，其具有自其前端面向后延伸的容置腔；

设于所述刀柄本体前端的变幅杆，其包括杆体以及设于所述杆体外侧面上的法兰，所述法兰与所述刀柄本体相连接，所述杆体具有自其前端面向后延伸的插孔，所述插孔与所述容置腔同轴设置，并呈从前至后孔径逐渐减小的锥形；

套设于所述加工刀具外部的筒夹，其与所述加工刀具一起插设于所述插孔内，所述筒夹包括与所述插孔相适配的锥筒段，所述筒夹具有多条沿其周向间隔分布的第一变形槽，所述第一变形槽延伸至或延伸经过所述锥筒段，所述插孔的孔壁面与所述锥筒段的外侧面相抵接，使得所述筒夹沿其径向收缩变形，并夹紧所述加工刀具；

套设于所述加工刀具外部的螺帽，其与所述杆体的前端相连接，并压紧所述筒夹；以及

超声波换能器，其设于所述容置腔内，并与所述杆体的后端相连接；

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

本发明的一些实施例中，所述法兰的后端面与所述刀柄本体的前端面相贴合；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。

本发明的一些实施例中，所述筒夹还包括连接于所述锥筒段前端的第一直筒段，所述第一直筒段的外径小于所述锥筒段的最大外径。

本发明的一些实施例中，所述筒夹还包括连接于所述锥筒段后端的第二直筒段，所述第二直筒段的外径等于所述锥筒段的最小外径。

本发明的一些实施例中，所述第一变形槽连通所述筒夹的外侧面与内侧面；所述第一变形槽自所述第一直筒段的前端面沿所述筒夹的轴向向后依次贯穿所述第一直筒段和所述锥筒段，并延伸至距离所述第二直筒段的后端面A毫米的位置，A＞0。

本发明的一些实施例中，所述筒夹还具有多条沿其周向间隔分布的第二变形槽，所述第二变形槽延伸至或延伸经过所述锥筒段，且所述第二变形槽与所述第一变形槽交错间隔设置。

本发明的一些实施例中，任意相邻的两条所述第二变形槽之间至少设有两条所述第一变形槽。

本发明的一些实施例中，所述第二变形槽连通所述筒夹的外侧面与内侧面；所述第二变形槽自距离所述锥筒段的前端面B毫米的位置沿所述筒夹的轴向向后延伸至距离所述第二直筒段的后端面C毫米的位置，B＞0，C＞0。

本发明的一些实施例中，所述螺帽的内底面开设有沉槽，所述第一直筒段位于所述插孔外，且插入所述沉槽内。

本发明的一些实施例中，所述第一直筒段的前端沿其径向凸出形成第二凸环，所述沉槽的槽壁面开设有用于容纳所述第二凸环的第二环槽。

本发明的一些实施例中，所述超声波加工装置的基础振动频率为F₁赫兹，所述超声波加工装置的高阶振动频率为F₂赫兹，所述变幅杆的密度为ρ克每立方厘米，所述变幅杆的杨氏模量为E千兆帕斯卡，所述杆体的外径为D毫米，上述参数值之间存在如下函数关系：

F₂＝m×F₁

其中，1<m≤15，10≤L₁≤250，6≤D≤65，K为修正系数，0.8≤K≤1.2。

本发明的一些实施例中，10≤L₁≤150。

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

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的法兰中心与螺帽的前端面之间的距离(L₁)、螺帽的前端面与加工刀具的前端面之间的距离(L₂)、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(λ″)之间满足公式：L₁+L₂＝λ′＝n×λ″，因此其振动零点位于变幅杆的法兰中心，且振幅最大处位于加工刀具的前端面，进而，超声波换能器产生的能量能够通过加工刀具充分地传递至被加工件上，提高加工效果，并且阻抗小、稳定性好。

本发明提供的超声波刀柄和机床同样具有能量输出效率高、稳定性好的优点。

附图说明

以下结合附图和优选实施例来对本发明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发明范围的限制。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为本发明实施例中的超声波加工装置的分体结构示意图；

附图2为本发明实施例中的超声波加工装置的整体结构示意图；

附图3为附图2中的I-I视图；

附图4为本发明实施例中的筒夹的结构示意图之一；

附图5为本发明实施例中的筒夹的结构示意图之二；

附图6为本发明实施例中的刀柄本体和安装架的结构示意图；

附图7为本发明实施例中的超声波加工装置工作时的振动状态示意图；

附图8为本发明实施例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、限位凸台；101、容置腔；102、第一环槽；103、第二过线槽；2、变幅杆；21、杆体；211、插孔；212、振动导向槽；22、法兰；23、第一凸环；3、筒夹；31、锥筒段；32、第一直筒段；33、第二直筒段；34、第二凸环；301、第一变形槽；302、第二变形槽；4、螺帽；401、沉槽；402、第二环槽；5、超声波换能器；51、螺杆；52、压电振子；53、后盖；6、安装架；601、环形凹槽；602、第一过线槽；100、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发明的优选实施例。本领域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发明的保护范围。

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发明的其他实施例。

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，在不脱离本发明范围的情况下，“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。

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

超声波刀柄100包括刀柄本体1、变幅杆2、筒夹3、螺帽4以及超声波换能器5。刀柄本体1具有自其前端面向后延伸的容置腔101。变幅杆2设于刀柄本体1的前端，其包括杆体21以及设于杆体21外侧面上的法兰22；法兰22与刀柄本体1相连接；杆体21具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与容置腔101同轴设置，并呈从前至后孔径逐渐减小的锥形。筒夹3插设于插孔211内，用于夹持加工刀具200，其包括与插孔211相适配的锥筒段31，并具有多条沿其周向间隔分布的第一变形槽301，第一变形槽301延伸至或延伸经过锥筒段31。螺帽4与杆体21的前端相连接，用于压紧筒夹3。超声波换能器5设于容置腔101内，并与杆体21的后端相连接。

加工刀具200可以是刀盘、铣刀、磨刀或其它工具，其可拆卸的安装于超声波刀柄100上。具体而言，筒夹3套设于加工刀具200的外部，二者一起插设于插孔211内，此时锥筒段31的外侧面与插孔211的孔壁面相抵接，使得筒夹3沿其径向收缩变形，以夹紧加工刀具200；连接于杆体21前端的螺帽4也套设于加工刀具200的外部，其压紧筒夹3，防止筒夹3向前移动而最终造成加工刀具200脱落。

可选的，如附图2和附图3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102；优选的，第一环槽102与容置腔101相连通。

可选的，如附图3和附图4所示，在本实施例中，筒夹3还包括第一直筒段32和第二直筒段33；第一直筒段32连接于锥筒段31的前端，其外径小于锥筒段31的最大外径；第二直筒段33连接于锥筒段31的后端，其外径等于锥筒段31的最小外径。

进一步的，为了使筒夹3在径向上具有足够的收缩量，确保夹紧设于其内的加工刀具200，第一变形槽301连通筒夹3的外侧面与内侧面，并且，第一变形槽301自第一直筒段32的前端面沿筒夹3的轴向向后依次贯穿第一直筒段32和锥筒段31，并延伸至距离第二直筒段33的后端面A毫米的位置，A＞0。如此，筒夹3不仅具有足够的夹紧力，可稳定的夹持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。

可选的，如附图3和附图4所示，在本实施例中，为了提高筒夹3的变形能力，筒夹3还具有多条沿其周向间隔分布的第二变形槽302，第二变形槽302延伸至或延伸经过锥筒段31，且第二变形槽302与第一变形槽301交错间隔设置。

进一步的，第二变形槽302也连通筒夹3的外侧面与内侧面，但与第一变形槽301不同的是，第二变形槽302自距离锥筒段31的前端面B毫米的位置沿筒夹3的轴向向后延伸至距离第二直筒段33的后端面C毫米的位置，其中，B＞0，C＞0。

进一步的，第一变形槽301和第二变形槽302的槽宽均介于0.1毫米～1毫米之间(含两端点)；更优选的，第一变形槽301和第二变形槽302的槽宽均介于0.4毫米～0.6毫米之间(含两端点)。

可选的，如附图3和附图4所示，在本实施例中，为了使筒夹3能够对加工刀具200施加均衡的夹紧力，第一变形槽301和第二变形槽302均沿筒夹3的周向均匀分布，并且，任意相邻的两条第二变形槽302之间至少设有两条第一变形槽301。示例性的，第一变形槽301设为六条，该六条第一变形槽301沿筒夹3的周向间隔60°分布；第二变形槽302设为三条，该三条第二变形槽302沿筒夹3的周向间隔120°分布，并且，任意相邻的两条第二变形槽302之间设有两条第一变形槽301。

可选的，如附图3所示，在本实施例中，螺帽4的内底面开设有沉槽401，第一直筒段32位于插孔211外，且插入沉槽401内。如此，螺帽4不仅可从前往后沿轴向压紧筒夹3，还可限制筒夹3的径向扩张，使之能够更好地夹持加工刀具200。

进一步的，第一直筒段32的前端沿其径向凸出形成第二凸环34，沉槽401的槽壁面开设有用于容纳第二凸环34的第二环槽402。在螺帽4的拧紧过程中，螺帽4从前往后运动，第二凸环34与螺帽4的内底面相抵接，筒夹3被从前往后压入插孔211内，与此同时，筒夹3沿其径向收缩变形；待到第二凸环34收缩至其外径小于沉槽401的内径时，第一直筒段32随着螺帽4的从前往后运动插入沉槽401内，直至第二凸环34进入第二环槽402内，螺帽4即实现对筒夹3的径向限制。

可选的，如附图1和附图2所示，在本实施例中，变幅杆2的杆体21外侧面开设有多条沿其周向均匀分布且呈螺旋状的振动导向槽212，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1和附图3，在本实施例中，超声波换能器5包括螺杆51、压电振子52以及后盖53，螺杆51的前端与变幅杆2的杆体21后端相连接，压电振子52和后盖53均套设于螺杆51的外部，并且，后盖53从后往前压紧压电振子52。

可选的，参阅附图1、附图2以及附图6，在本实施例中，超声波刀柄100还包括套设于刀柄本体1外部的安装架6，刀柄本体1具有位于其外侧面的环形限位凸台11，安装架6的前端面与限位凸台11的后端面相贴合，且安装架6与限位凸台11焊接。安装架6开设有用于容纳无线接收装置的环形凹槽601，环形凹槽601朝后敞开，以便于无线接收装置的封装。

进一步的，安装架6的内侧壁开设有与环形凹槽601连通的第一过线槽602，刀柄本体1的侧壁上相对于第一过线槽602的位置开设有与容置腔101相连通的第二过线槽103；压电振子52上连接有导线，该导线依次穿过第二过线槽103、第一过线槽602后与设于环形凹槽601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52之间的电导通。

基于本实施例公开的超声波加工装置的上述结构，定义法兰22的中心与螺帽4的前端面之间的距离为L₁毫米，螺帽4的前端面与加工刀具200的前端面之间的距离为L₂毫米，超声波换能器5在基础振动频率下的波长的1/4为λ′毫米，超声波换能器5在高阶振动频率下的波长的1/4为λ″毫米，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。

由此，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，进而，超声波换能器5产生的能量能够通过加工刀具200充分地传递至被加工件上，提高加工效果，并且阻抗小、稳定性好。

需要说明的是，加工刀具200的前端面是指位于加工刀具200的最前端且垂直于加工刀具200轴向的平面。

附图7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，本实施例公开的超声波加工装置的基础振动频率由以下方法计算得出：

定义超声波加工装置的基础振动频率为F₁赫兹，定义变幅杆2的密度为ρ克每立方厘米，变幅杆2的杨氏模量为E千兆帕斯卡，变幅杆2的杆体21外径为D毫米，变幅杆2与其杆体21长度相关的谐振频率为F_L赫兹，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赫兹，超声波换能器5的波速为V米每秒；

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：

基于此，将公式(1)、(2)、(3)、(4)带入公式(5)中，则可得出本实施例公开的超声波加工装置的基础振动频率计算公式：

其中，10≤L₁≤250，6≤D≤65，K为修正系数，0.8≤K≤1.2。

更优选的，10≤L₁≤150。

需要说明的是，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克每立方厘米，采用4Cr13不锈钢的变幅杆2的杨氏模量为215千兆帕斯卡，304不锈钢的密度为7.93克每立方厘米，采用304不锈钢的变幅杆2的杨氏模量为194.02千兆帕斯卡。

进一步的，定义超声波加工装置的高阶振动频率为F₂赫兹，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。

参阅附图8，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3内；

S2、将筒夹3的后端对准变幅杆2的插孔211，然后对筒夹3施加轴向向后的压力，直至筒夹3的锥筒段31连同加工刀具200被一起压入插孔211内，在此过程中，筒夹3沿其径向收缩变形，以夹紧加工刀具200；

S3、将螺帽4与变幅杆2的杆体21前端相连接，并使之压紧筒夹3；

S4、将超声波换能器5安装于变幅杆2的杆体21后端；

S5、将变幅杆2的杆体21后端连同超声波换能器5一起伸入刀柄本体1的容置腔101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。

本实施例还提供一种机床，其采用了上述的超声波刀柄100，因而同样具有能量输出效率高、稳定性好的优点。

本说明书的参考附图用来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，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。

本发明的范围由请求保护的技术方案限定，并且包括本领域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发明请求保护的技术方案所确定的保护范围内。

Claims (14)

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

刀柄本体，其具有自其前端面向后延伸的容置腔；

设于所述刀柄本体前端的变幅杆，其包括杆体以及设于所述杆体外侧面上的法兰，所述法兰与所述刀柄本体相连接，所述杆体具有自其前端面向后延伸的插孔，所述插孔与所述容置腔同轴设置，并呈从前至后孔径逐渐减小的锥形；

套设于所述加工刀具外部的筒夹，其与所述加工刀具一起插设于所述插孔内，所述筒夹包括与所述插孔相适配的锥筒段，所述筒夹具有多条沿其周向间隔分布的第一变形槽，所述第一变形槽延伸至或延伸经过所述锥筒段，所述插孔的孔壁面与所述锥筒段的外侧面相抵接，使得所述筒夹沿其径向收缩变形，并夹紧所述加工刀具；

套设于所述加工刀具外部的螺帽，其与所述杆体的前端相连接，并压紧所述筒夹；以及

超声波换能器，其设于所述容置腔内，并与所述杆体的后端相连接；

其中，所述法兰的中心与所述螺帽的前端面之间的距离为L₁毫米，所述螺帽的前端面与所述加工刀具的前端面之间的距离为L₂毫米，所述超声波换能器在基础振动频率下的波长的1/4为λ′毫米，所述超声波换能器在高阶振动频率下的波长的1/4为λ″毫米，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；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，所述筒夹还包括连接于所述锥筒段前端的第一直筒段，所述第一直筒段的外径小于所述锥筒段的最大外径。

4.根据权利要求3所述的超声波加工装置，其特征在于，所述筒夹还包括连接于所述锥筒段后端的第二直筒段，所述第二直筒段的外径等于所述锥筒段的最小外径。

5.根据权利要求4所述的超声波加工装置，其特征在于，所述第一变形槽连通所述筒夹的外侧面与内侧面；所述第一变形槽自所述第一直筒段的前端面沿所述筒夹的轴向向后依次贯穿所述第一直筒段和所述锥筒段，并延伸至距离所述第二直筒段的后端面A毫米的位置，A＞0。

6.根据权利要求5所述的超声波加工装置，其特征在于，所述筒夹还具有多条沿其周向间隔分布的第二变形槽，所述第二变形槽延伸至或延伸经过所述锥筒段，且所述第二变形槽与所述第一变形槽交错间隔设置。

7.根据权利要求6所述的超声波加工装置，其特征在于，任意相邻的两条所述第二变形槽之间至少设有两条所述第一变形槽。

8.根据权利要求6所述的超声波加工装置，其特征在于，所述第二变形槽连通所述筒夹的外侧面与内侧面；所述第二变形槽自距离所述锥筒段的前端面B毫米的位置沿所述筒夹的轴向向后延伸至距离所述第二直筒段的后端面C毫米的位置，B＞0，C＞0。

9.根据权利要求3所述的超声波加工装置，其特征在于，所述螺帽的内底面开设有沉槽，所述第一直筒段位于所述插孔外，且插入所述沉槽内。

10.根据权利要求9所述的超声波加工装置，其特征在于，所述第一直筒段的前端沿其径向凸出形成第二凸环，所述沉槽的槽壁面开设有用于容纳所述第二凸环的第二环槽。

11.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赫兹，所述超声波加工装置的高阶振动频率为F₂赫兹，所述变幅杆的密度为ρ克每立方厘米，所述变幅杆的杨氏模量为E千兆帕斯卡，所述杆体的外径为D毫米，上述参数值之间存在如下函数关系：

F₂＝m×F₁

其中，1<m≤15，10≤L₁≤250，6≤D≤65，K为修正系数，0.8≤K≤1.2。

12.根据权利要求11所述的超声波加工装置，其特征在于，10≤L₁≤150。

13.一种超声波刀柄，其特征在于，为应用于权利要求1-12任一项所述的超声波加工装置的超声波刀柄。

14.一种机床，其特征在于，包括权利要求13所述的超声波刀柄。

Images