CN114083003B - 一种超声波二维椭圆振动切削刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声波二维椭圆振动切削刀具，包括安装在装夹装置内的刀具主体，所述刀具主体包括变幅杆，所述变幅杆包括依次连接的第一圆柱体，所述第一圆柱体的第一端与换能器1固定连接，第二端与偏圆锥体的大径端连接，所述偏圆锥体的小径端与第二圆柱体的第一端连接，所述第二圆柱体的第二端通过联接螺栓固定刀片，所述第一圆柱体的中心轴线与换能器的中心轴线重合，所述第二圆柱体与第一圆柱体相切。本发明能够有效的减小切削力，延长刀具的寿命。

Description

一种超声波二维椭圆振动切削刀具
技术领域
本发明涉及超声波振动加工技术领域，特别涉及一种超声波二维椭圆振动切削刀具。
背景技术
随技术的进步，现代装备对零件的加工质量提出了更高的要求，不仅要求零件具有较高尺寸精度，同时要求具有较高的表面完整性。作为一种先进的切削加工技术，超声波切削加工时切削力小、切削温度低，可以获得更好的的表面加工质量。超声波椭圆振动切削是指在切削刀具上施加二维超声振动，使其在切削进给方向和切削深度方向所确定的平面内呈现椭圆振动轨迹的切削方法。相比超声波一维振动切削，二维超声波椭圆振动切削可以获得更小的切削力和更低的切削热、断屑性能更好，因而可以进一步提高表面质量，扩展超声波切削材料范围。
CN111360284A公开了一种二维夹角式双激励椭圆超声振动车削方法，该结构中变幅器为“飞镖”形，其水平方向的一端设计为小端，另一端向外辐射分别设计为第一大端和第二大端，并在第一大端和第二大端分别设置一组反射端、压电陶瓷片和铜电极。该装置采用双激励，对换能器的精度要求过高，而且成本较高。
CN110976259A公开了一种双激励超声椭圆振动切削装置，该装置是通过纵向振动超声振子在装置径向和弯曲超声振子在装置轴向的两相具有一定相位差的激励，是装置呈现双弯曲振动模式，从而在刀具上输出椭圆振动轨迹。该装置的纵向振动超声振子和弯曲振动超声振子是垂直放置，因此占用空间较大、振动能量损失较多。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种超声波二维椭圆振动切削刀具。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种超声波二维椭圆振动切削刀具，包括安装在装夹装置内的刀具主体，所述刀具主体包括变幅杆，所述变幅杆包括第一圆柱体，所述第一圆柱体的第一端与换能器1固定连接，第二端与偏圆锥体的大径端连接，所述偏圆锥体的小径端与第二圆柱体的第一端连接，所述第二圆柱体的第二端通过联接螺栓固定刀片，所述第一圆柱体的中心轴线与换能器的中心轴线重合，所述第二圆柱体与第一圆柱体相切。
所述变幅杆的长度等于超声波的半波长或其整数倍。
所述偏圆锥体偏角的范围为20°至120°。
所述第一圆柱体的直径与第二圆柱体的直径之比为2∶1。
所述偏圆锥体偏角为59°。
所述第一圆柱体、第二圆柱体、偏圆锥体的长度为之比为15∶10∶9。
所述装夹装置包括内套，所述内套的第一端设有凹槽，所述凹槽与变幅杆上的法兰配合。
所述法兰的位置为变幅杆的节点位置，所述节点位置为变幅杆振幅为零处。
所述装夹装置还包括外壳，所述内套嵌套在外壳内，并通过H形螺钉连接固定。
所述外壳上安装有航空插头，所述航空插头的一端连接超声波发生器的接头，另一端连接换能器的接头。
本发明具有以下技术效果：
本发明采用单激励实现超声波二维椭圆振动，可以获得更加紧凑的结构，制造简单，且能够有效的减小切削力，延长刀具的寿命，获得更好的表面加工质量。
本发明可在超声振动切削加工领域广泛推广。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图1为本发明的结构示意图。
附图2为偏圆锥超声波二维椭圆振动装置的结构示意图。
附图3 为偏圆锥超声波二维椭圆振动刀具剖面图。
附图4为超声振动在变幅杆内的变化原理图。
附图5为变幅杆的结构示意图。
图中，1-换能器，2-法兰，3-刀片，4-变幅杆，4.1-第一圆柱体，4.2-偏圆锥体，4.3-第二圆柱体，5-外壳，6-内套，7-航空插头。
具体实施方式
以下仅为本发明的具体实施方式，但是本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明中所述的“前”、“后”、“内”、“外”等描述方向关系的词语仅为了实施例的描述方便，不视为对本发明的限定。所述“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。所述固定连接方式包括但不限于焊接、螺接、卡接、过盈配合、一体成型。
附图1至附图5为本发明的一种具体实施例。该实施例提供了一种超声波二维椭圆振动切削刀具，包括换能器1、刀片3、变幅杆4，其中换能器1固定安装在变幅杆4的第一端，刀片3可拆卸的安装在变幅杆4的第二端，形成刀具主体，换能器1安装在内套6中，变幅杆4通过法兰2与内套6连接，内套6嵌套在外壳内。
变幅杆4的结构如附图5所示，包括依次连接的第一圆柱体4.1、偏圆锥体4.2、第二圆柱体4.3，第一圆柱体4.1的直径大于第二圆柱体4.3的直径，并且第一圆柱体4.1的直径与第二圆柱体4.3的直径之比为2比1。变幅杆4的结构尺寸满足“半波长”设计要求，即为获得较大的振幅,应使变幅杆的固有频率和外激振动频率相等,使之处于共振状态。为此,在设计制造变幅杆时,应使变幅杆的长度等于超声波的半波长或其整数倍，即：L=λ/2=1/2*c/f；式中L为变幅杆长度,单位为mm；λ为超声波波长,单位为mm；c为超声波在杆件中的声速,单位为m/s；f为振动频率,单位为Hz。第一圆柱体4.1的第一端与换能器1固定连接，第二端与偏圆锥体4.2的大径端连接，偏圆锥体4.2的小径端与第二圆柱体4.3的第一端连接，第二圆柱体4.3的第二端通过连接螺栓固定刀片3。
变幅杆的第一圆柱体4.1的中心轴线与换能器1的中心轴线重合，第二圆柱体4.3与第一圆柱体4.1相切；中间部分的偏圆锥体4.2，将左右两端连接起来，其侧壁的第一部与第一圆柱体4.1、第二圆柱体4.3均相切，第二部倾斜。换能器1远离第一圆柱体4.1的一端设有圆锥型过渡，与第一圆柱体4.1连接的一端为圆柱形，通过螺栓与第一圆柱体4.1连接。
外壳5与内套6嵌套，通过H形螺钉连接固定构成装夹装置，内套6的截面呈圆形，且内部中空，第一端开口、第二端封闭的桶状结构，换能器1安装在内套6内，内套6的第一端设有凹槽，该凹槽与安装在变幅杆4上的法兰2配合，并通过螺栓将变幅杆4与内套6连接起来，第二圆柱体4.3位于内套6的外部。
加工时，由超声波发生器根据需要产生相应的高频电激励信号，经换能器1处理后，将电能转换为机械能并传递给变幅杆2。振动能量由变幅杆4的第一圆柱体4.1传递到第二圆柱体4.3，经过偏圆锥斜面的反射，将振动能量分成了纵向振动和弯曲振动两个方向的振动分量，且这两个方向的振动分量存在一定的相位差，进而在第二圆柱体4.3复合形成了椭圆轨迹的振动。
如附图4所示，超声波振动能量自第一圆柱体4.1输入端沿轴向输入，当经过偏圆锥体4.2的斜面时，由于超声波的反射现象，将振动能量反射为两个方向，因此在第二圆柱体4.3端复合形成椭圆轨迹。偏圆锥体偏角φ的范围为20°至120°，即图4、图5中φ角范围为20°至120°。本实例中，偏圆锥体偏角为59°。
本实例中，变幅杆4的总长为102mm，第一圆柱体4.1直径为30mm、长度为45mm，第二圆柱体4.3直径为15mm、长度为30mm，偏圆锥体的偏角为59°、长度为27mm，节点距离大端面为45mm。节点位置为变幅杆振幅为0处，在节点处设置法兰2，通过法兰2将变幅杆与内套连接，不影响变幅杆的振动效果。
刀具3要求为车刀。第一圆柱体4.1的第一端通过螺栓与换能器连接。变幅杆4通过法兰2的6个螺栓与内套6配合。内套6与外壳5之间通过螺栓连接。
在外壳5上设有凸台，并通过该凸台部分装夹在机床上，进行固定。外壳5与内套6嵌套安装。内套6的第二端在外壳5里，第一端位于外壳5的外部并与变幅杆4上的法兰2配合。
外壳5上安装有航空插头7。航空插头的一端连接超声波发生器的接头，另一端连接换能器的接头。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种超声波二维椭圆振动切削刀具，其特征在于：包括安装在装夹装置内的刀具主体，所述刀具主体包括变幅杆（4），所述变幅杆（4）包括第一圆柱体（4.1），所述第一圆柱体（4.1）的第一端与换能器（1）固定连接，第二端与偏圆锥体（4.2）的大径端连接，所述偏圆锥体（4.2）的小径端与第二圆柱体（4.3）的第一端连接，所述第二圆柱体（4.3）的第二端通过联接螺栓固定刀片（3），所述第一圆柱体（4.1）的中心轴线与换能器（1）的中心轴线重合，所述第二圆柱体（4.3）与第一圆柱体（4.1）相切；所述第一圆柱体（4.1）、第二圆柱体（4.3）、偏圆锥体（4.2）的长度为之比为15∶10∶9；所述装夹装置包括内套（6），所述内套（6）的第一端设有凹槽，所述凹槽与安装在变幅杆（4）上的法兰（2）配合；所述法兰（2）设置在变幅杆（4）的节点位置，所述节点位置为变幅杆（4）振幅为零处。
2.根据权利要求1所述的超声波二维椭圆振动切削刀具，其特征在于：所述变幅杆的长度等于超声波的半波长或其整数倍。
3.根据权利要求1所述的超声波二维椭圆振动切削刀具，其特征在于：所述偏圆锥体偏角的范围为20°至120°。
4.根据权利要求1所述的超声波二维椭圆振动切削刀具，其特征在于：所述第一圆柱体（4.1）的直径与第二圆柱体（4.3）的直径之比为2∶1。
5.根据权利要求1所述的超声波二维椭圆振动切削刀具，其特征在于：所述偏圆锥体偏角为59°。
6.根据权利要求5所述的超声波二维椭圆振动切削刀具，其特征在于：所述装夹装置还包括外壳（5），所述内套（6）嵌套在外壳（5）内，并通过H形螺钉连接固定。
7.根据权利要求6所述的超声波二维椭圆振动切削刀具，其特征在于：所述外壳（5）上安装有航空插头（7），所述航空插头的一端连接超声波发生器的接头，另一端连接换能器的接头。
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