CN114523495A - 一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀及其使用方法,具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀包括超声振动换能器和曲线刃尖形刀具；相较于普通的具有直刃尖形刀具的超声振动切割刀，采用本发明具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀加工芳纶纸蜂窝材料时，曲线刃尖形刀具可以改变切割合力的方向，减低曲线刃尖形刀具的切割合力，同时减小刃面夹角，降低切割方向的切割力，抑制芳纶纸蜂窝材料加工表面毛刺的产生，提高芳纶纸蜂窝材料的加工质量。

Description

一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀及其使用方法

技术领域

本发明涉及超声振动加工领域，具体是一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀。

背景技术

芳纶纸蜂窝材料化学名称为聚间苯二甲醜间苯二胺纤维，是一种具有多孔薄壁蜂窝结构的复合材料，拥有极高的比强度、比刚度和良好的抗冲击性，具备减振、消声、隔热等功能，被广泛应用于航空航天、船舶和高速列车等领域。目前多采用高速铣削方式进行芳纶纸蜂窝材料的加工，这种加工方式加工时容易出现蜂窝坍塌、撕裂、纤维拉毛等问题，并且会产生大量粉尘导致加工环境变差，此外还会导致刀具磨损严重。为了解决目前存在的这类问题，本发明提供了一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀。超声振动会对蜂窝材料产生瞬时高速冲击力，改变了材料可加工性能，从而使芳纶纸蜂窝材料更容易断裂，有效地提高了材料去除率，此外还降低了曲线刃尖形刀具与芳纶纸蜂窝材料之间的摩擦力，减少了曲线刃尖形刀具与芳纶纸蜂窝材料的接触时间，从而减少了切割力，并改善降低刀具磨损程度。曲线刃尖形刀具可增大切割合力F_N与切割方向间的夹角α，减小了切割方向的切割力F_h，可改善蜂窝坍塌、撕裂、纤维拉毛等问题，从而提高芳纶纸蜂窝材料的加工质量。

发明内容

本发明提供了一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀，目的是为了改善芳纶纸蜂窝材料加工时出现的蜂窝坍塌、撕裂、纤维拉毛等问题，提高芳纶纸蜂窝材料的加工质量。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀，其特征在于，包括超声振动换能器、曲线刃尖形刀具。

超声振动换能器包括：螺栓、后盖板、压电陶瓷、一级变幅杆、二级变幅杆；螺栓依次穿过后盖板、压电陶瓷片和一级变幅杆，并通过螺栓同轴压紧，二级变幅杆设置在一级变幅杆前端；曲线刃尖形刀具设置在二级变幅杆前端。

曲线刃尖形刀具的刀刃采用特定函数曲线形状设计，设曲线刃尖形刀具轴向为y轴，刀刃两端点连线为x轴，刀刃关于y轴左右对称，将曲线刃尖形刀具在XoY平面进行投影，在第一象限内，曲线刃尖形刀具的刀刃曲线方程为：

A、B、n、C_N、d、b、r为非负实数，m、k、s为负实数，N、M为正整数。

采用上述的具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀切割蜂窝材料时，可通过改变M、 A、B、n、C_N、d、b、s、m、k、r来改变曲线的形状，增大切割合力F_N与切割方向间的夹角α，从而减小切割方向的切割力F_h。

曲线刃尖形刀具截面有对称的曲形结构；取刀具高度为H(M+B)/A处的截面，设曲线刃尖形刀具截面左右两端点连线为x轴，截面关于x轴上下对称，关于y轴左右对称，在第一象限内曲线刃尖形刀具截面的方程为：

q、i为非负实数，p、j为负实数，采用上述的具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀切割蜂窝材料时，可通过改变p、q、j、i 来改变曲线的形状，减小刃面夹角r。从而增大切割蜂窝材料时的压强。改善蜂窝坍塌、撕裂、纤维拉毛等问题，从而提高芳纶纸蜂窝材料的加工质量。

进一步的，二级变幅杆与曲线刃尖形刀具通过螺纹联接；

进一步的，曲线刃尖形刀具刀刃与基座连接部分设置有倒角；

进一步的，一级变幅杆前端的直径与所述的二级变幅杆前端的直径比大于等于2；

进一步的，一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀的工作频率在15kHz-75kHz；

进一步的，二级变幅杆设置有扳手槽，便于曲线刃尖形刀具的装卸；

进一步的，使用方法包括以下步骤。

步骤一、选择曲线刃尖形刀具：根据所加工蜂窝材料种类、孔格尺寸，选择合适M、A、B、n、CN、d、b、s、m、k、r的数值，使得若干个椭圆于上顶点相交，并有一条过这些椭圆交点的对数曲线取其上半部分组成刀具刀刃的曲线外轮廓。

步骤二、将具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀安装在机床上，并调整其工作频率以及超声振动幅度。

步骤三、打开机床电源，数控系统启动完成后，操作机床，把超声振动切割刀调回机床坐标原点。

步骤四、将蜂窝材料固定在工作台上；

步骤五、在数控系统中编制蜂窝材料加工程序并保存：设置超声振动切割刀刀倾角为θ＝π/A-π/B-nπ，避免刀倾角过小导致切割过程中蜂窝材料被重复切割，同时设置切割速度 Ve＝2πf Acos(θ+nπ)，切割过程为断续切割，根据加工要求设置切割轨迹。

步骤六、进行蜂窝材料加工：打开超声波发生器电源，超声振动切割刀按设置的切割轨迹进行切割，待程序完成后，超声振动切割刀退出加工区域。

步骤七、加工完成后，超声振动切割刀暂停工作并回到机床原点。

本发明采用一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀，与一般普通的具有直刃尖形刀具的超声振动切割刀相比，曲线刃尖形刀具可以改变切割合力F_N的方向，减低曲线刃尖形刀具的切割合力，增大切割合力F_N与切割方向间的夹角α，减少切割方向的切割力F_h，同时减小刃面夹角γ，即减小切割时切割过程中刀刃面与蜂窝材料的有效接触面积，则所需的切割力减小，可改善蜂窝压溃，孔格变形，纤维拉毛等质量问题，并抑制芳纶纸蜂窝材料加工表面毛刺的产生，从而提高芳纶纸蜂窝材料的加工质量。

附图说明

图1是本发明实施例的具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀的立体结构示意图；

图2为本发明的一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀的剖视图；

图3为本发明的曲线刃尖形刀具示意图；

图4为本发明的曲线刃尖形刀具的刀刃曲线示意图；

图5是本发明的芳纶纸蜂窝材料受力对比示意图；

图6是本发明的曲线刃尖形刀具的截面示意图；

图7是本发明的应用实例示意图；

图中标号说明：

1-曲线刃尖形刀具，2-二级变幅杆，3-一级变幅杆，4-压电陶瓷，5-螺栓，6-后盖板，7-保护外壳，8-副边线圈，9-原边线圈，10-超声波发生器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明：

一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀：包括超声振动换能器、曲线刃尖形刀具1。超声振动换能器包括：螺栓5、后盖板6、压电陶瓷4、一级变幅杆3、二级变幅杆2；螺栓5 依次穿过后盖板6、压电陶瓷片4和一级变幅杆3，并通过螺栓5同轴压紧，二级变幅杆2设置在一级变幅杆3前端；

曲线刃尖形刀具采用特定函数曲线形状设计,针对提高蜂窝材料超声振动切割加工效率，减少蜂窝壁撕裂开胶等问题。设曲线刃尖形刀具轴向为y轴，刀刃两端点连线为x轴，在曲线刃尖形刀具的XoY平面中，第一象限的函数曲线部分参数方程可以表示为：

式中A、B、n、C_N、d、b、r为非负实数，m、k、s为负实数，N、M为正整数。

采用上述的一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀切割蜂窝材料时，可通过改变 M、A、B、n、C_N、d、b、s、m、k、r来改变曲线的形状。采用曲线刃尖形刀具可以在刀倾角一定的情况下，增大切割合力F_N与切割方向间的夹角α，减小切割方向的切割力F_h。刀具截面具有曲形结构，两边薄，中间厚。取刀具高度为H(M+B)/A处的截面，设曲线刃尖形刀具截面左右两端点连线为x轴，截面关于x轴上下对称，关于y轴左右对称，在第一象限内曲线刃尖形刀具截面的方程可以表示为

q、i为非负实数，p、j为负实数，

采用上述的一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀切割蜂窝材料时，可通过改变p、q、 j、i来改变曲线的形状，采用曲线刃尖形刀具可以在切割过程中减小刃面夹角r，即减小刀刃面与蜂窝材料的接触面积S，从而增大切割蜂窝材料时的压强，减小切割所需的分离抗力F_L，则切割时的切割合力F_N减小。

结合图7所示，运行时，超声波发生器10发出的高频交流电信号传输给原边线圈9，原边线圈9在高频交流电信号激励下产生高频磁场，副边线圈8则在此高频磁场作用下，耦合产生高频交流电信号并传输至超声振动换能器。超声振动换能器接收到高频交流电信号后通过压电陶瓷4的逆压电效应，将高频交流电信号转换为超声振动换能器高频振动的机械能，一级变幅杆3和二级变幅杆2能够将超声振动换能器产生的机械振动质点位移进行放大，并驱动前端曲线刃尖形刀具1刀尖处产生数十微米的振幅。

对200mm*200mm*25mm的芳纶纸蜂窝材料进行超声振动切割加工，设定下列共用参数：切割速度2312mm/min，切割深度25mm，刀倾角23π/72，刀具轴向超声振幅40μm，对切割后的芳纶纸蜂窝材料样件进行取样并观察其微观形貌，取样数为3个，取样尺寸 25mm*25mm，结果取平均值。

使用直刃尖形刀具的超声振动切割刀加工芳纶纸蜂窝材料，在切割方向上切割力F_h为8.48N，双层蜂窝壁之间的粘接间隙为110mm，平均毛刺数量为4，毛刺尺寸大多在0.3mm～0.4mm之间。

使用曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀加工芳纶纸蜂窝材料，曲线刃尖形刀具尺寸如下：M＝3、A＝2mm、B＝8mm、n＝1/36、C₁＝0.9、C₂＝1.8、C₃＝3.9、d＝70.3、b＝52.2、s＝-0.079、 m＝-8.55、k＝-4.36、r＝71.79、p＝-0.37、q＝2.59、j＝-0.32、i＝0.224。在切割方向上切割力F_h为 3.67N，双层蜂窝壁之间的粘接间隙为100mm，平均毛刺数量为1，毛刺尺寸大多在 0.1mm～0.2mm之间。

相比于直刃尖形刀具，曲线刃尖形刀具加工蜂窝材料在切割方向上切割力F_h减小56.7％，粘接间隙减小了9％，毛刺数量减少了75％，毛刺大小减小了57.1％。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀，其特征在于，包括超声振动换能器、曲线刃尖形刀具；

超声振动换能器包括：螺栓、后盖板、压电陶瓷、一级变幅杆、二级变幅杆；螺栓依次穿过后盖板、压电陶瓷片和一级变幅杆，并通过螺栓同轴压紧，二级变幅杆设置在一级变幅杆前端；

曲线刃尖形刀具设置在二级变幅杆前端，曲线刃尖形刀具的刀刃采用特定函数曲线形状设计，设曲线刃尖形刀具轴向为y轴，刀刃两端点连线为x轴，刀刃关于y轴左右对称；

采用具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀切割蜂窝材料时，可通过改变其方程中的系数来改变曲线的形状，增大切割合力与切割方向间的夹角，从而减小切割方向的切割力。

2.根据权利要求1所述的一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀，其特征在于，所述的曲线刃尖形刀具截面有对称的曲形结构；取刀具高度为H(M+B)/A处的截面，设曲线刃尖形刀具截面左右两端点连线为x轴，截面关于x轴上下对称，关于y轴左右对称；

采用具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀切割蜂窝材料时，可通过改变其方程系数来改变曲线的形状，减小刃面夹角。

3.根据权利要求1所述的一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀，其特征在于，所述的二级变幅杆与曲线刃尖形刀具通过螺纹联接。

4.根据权利要求1所述的一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀，其特征在于，所述的曲线刃尖形刀具的刀刃和基座连接部分均设置有倒角。

5.根据权利要求1所述的一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀，其特征在于，所述的一级变幅杆前端的直径大于所述的二级变幅杆前端的直径。

6.根据权利要求1所述的一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀，其特征在于，一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀的工作频率在15kHz-75kHz。

7.根据权利要求1所述的一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀，其特征在于，所述的二级变幅杆设置有扳手槽，便于曲线刃尖形刀具的装卸。

8.根据权利要求1所述的一种具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀，其特征在于，使用方法包括以下步骤：

步骤一、选择曲线刃尖形刀具：根据所加工蜂窝材料种类、孔格尺寸，选择合适M、A、B、n、C_N、d、b、s、m、k、r的数值，使得若干个椭圆于上顶点相交，并有一条过这些椭圆交点的对数曲线取其上半部分组成刀具刀刃的曲线外轮廓；

步骤二、将具有曲线刃尖形刀具的超声振动切割刀安装在机床上，并调整其工作频率以及超声振动幅度；

步骤三、打开机床电源，数控系统启动完成后，操作机床，把超声振动切割刀调回机床坐标原点；

步骤四、将蜂窝材料固定在工作台上；

步骤五、在数控系统中编制蜂窝材料加工程序并保存：设置超声振动切割刀刀倾角为θ＝π/A-π/B-nπ，避免刀倾角过小导致切割过程中蜂窝材料被重复切割，同时设置切割速度V_e＝2πf Acos(θ+nπ)，切割过程为断续切割，根据加工要求设置切割轨迹；

步骤六、进行蜂窝材料加工：打开超声波发生器电源，超声振动切割刀按设置的切割轨迹进行切割，待程序完成后，超声振动切割刀退出加工区域；

步骤七、加工完成后，超声振动切割刀暂停工作并回到机床原点。

Images