CN115069523A - 一种纵扭复合超声振动辅助铣削加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纵扭复合超声振动辅助铣削加工装置，包括非接触电能传输单元和纵‑扭复合超声换能器单元，所述非接触电能传输单元包含刀柄、圆弧形主边磁芯(6)、圆形副边磁芯(2)、主边线圈(14)、副边线圈(13)，圆弧形主边磁芯(6)设置有两个线圈窗口，使得主边线圈(14)缠绕过程中全部位于圆弧形主边磁芯(6)中；所述纵‑扭复合超声换能器单元，包括后盖板(10)，压电陶瓷环(7)，电极片(8)，前盖板(3)和刀具；在前盖板(3)的圆台段加工有波导，波导定向引导声波的传播；其中，波导的加工方法：在满足刚度要求的情况下将圆台段加工出圆台形内腔(19)；在外圆面加工镂空的螺旋槽从而形成波导。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，特别是涉及一种用于硬脆材料加工的纵扭复合超声振动辅助铣削的加工装置。
背景技术
随着各种硬脆性复合材料和陶瓷等难加工材料在航空航天领域越来越广泛的应用，超声振动技术也得到了更多的关注。超声加工是在传统铣削、磨削等加工方法的基础上给刀具或工件施加高频振动而形成的加工技术。传统的一维纵向振动在铣削加工时存在铣削方向与超声振动方向不一致的问题，极大限制了超声加工的表现形式。随着超声振动理论与实践的不断改进和完善，纵-扭，纵-弯，弯-扭等复合振动形式也得到了发展。其中纵-扭复合超声振动与单一纵向超声振动相比，在一维纵向振动的基础上加入沿刀具切向的扭转振动，从而使得加工效率更高，切削力更小，表面质量更好。目前主要有两种方式实现纵-扭复合超声振动辅助铣削，第一种是通过一组轴向极化和一组切向极化的压电陶瓷组合实现纵-扭复合超声振动；第二种是通过在变幅杆表面加工槽式结构将纵向超声振动转换为纵-扭复合超声振动
发明内容
本发明专利目的在于克服现有技术不足，利用波导原理提供一种设计合合理、具有较大纵—扭转换比，同时可以实现快速换刀、具有高能量传输效率的超声振动辅助铣削加工装置。
技术方案如下：
一种纵扭复合超声振动辅助铣削加工装置，包括非接触电能传输单元和纵-扭复合超声换能器单元，其特征在于，
所述非接触电能传输单元包含刀柄、圆弧形主边磁芯6、圆形副边磁芯2、主边线圈14、副边线圈13，圆形副边磁芯2与刀柄端部外圆同轴并固定连接，圆弧形主边磁芯6与刀柄的外圆同轴、与圆形副边磁芯2端面对正，并保持空气间隙，圆弧形主边磁芯6通过圆弧形主边磁芯支架17与机床主轴连接，圆弧形主边磁芯6设置有两个线圈窗口，分别为第一窗口和第二窗口，使得主边线圈14缠绕过程中全部位于圆弧形主边磁芯6中；主边线圈14通过电磁感应方式为副边线圈13提供感应电压；副边线圈13的感应电压被传递到纵-扭复合超声换能器单元；
所述纵-扭复合超声换能器单元，包括后盖板10，压电陶瓷环7，电极片8，前盖板3，弹簧夹头5和刀具；在前盖板3大端面上加工有楔形轴肩，用以保证与刀柄连接的同轴度；后盖板10、压电陶瓷环7和电极片8置于刀柄的端部空腔18中；前盖板3为半波长变幅杆，由圆台段与圆柱段两部分，圆台段固定连接到刀柄前部，圆柱段位于圆台段小端面之后；前盖板3的圆柱段与刀具固定连接；在前盖板3的圆台段加工有波导，波导定向引导声波的传播；其中，波导的加工方法：在满足刚度要求的情况下将圆台段加工出圆台形内腔19；在外圆面加工镂空的螺旋槽从而形成波导。
进一步地，所述的刀柄为HSK刀柄。
进一步地，通过修改螺旋槽的螺旋升角、螺旋槽的个数、圆台段大小端面的直径，得到不同的波导，进而得到不同的纵扭转换比。
进一步地，其特征在于，圆柱段位于圆台段小端面之后；前盖板3的圆柱段通过弹簧夹头5与刀具固定连接。
本发明利用波导原理重新设计了纵扭复合超声振动变幅杆，波导能够以最小的能量损失引导振动波的传播，比现有结构具有更高的纵—扭转换率。为了配合机床主轴的高速旋转，设计了非接触电能传输单元，利用电磁感应方式传递能量，在主、副边磁芯端面内外径尺寸相同的情况下，圆弧形主边磁芯中加工有两个感应窗口，减少了主边线圈的缠绕匝数，增大了感应强度。
附图说明
图1是本发明的纵扭复合超声振动辅助铣削加工装置的示意图
图2是本发明的纵扭复合超声振动辅助铣削加工装置换刀状态的示意图
图3是本发明的纵扭复合超声振动辅助铣削加工装置刀柄的剖面视图
图4是本发明采用的非接触电能传输单元的结构示意图
图5是本发明采用的超声换能器结构示意图
图6是超声换能器前盖板剖面结构示意图
附图说明如下
1-HSK刀柄；2-圆形副边磁芯；3-前盖板；4-锁紧螺母；5-弹簧夹头；6-圆弧形主边磁芯；7-压电陶瓷环；8-电极片；9-预紧螺栓；10-后盖板；11-铣刀；12-紧固螺栓；13-副边线圈；14-主边线圈；15-紧定螺钉；16-导线孔；17-圆弧形主边磁芯支架；18-空腔；19-圆台形内腔；20-窗口1；21-窗口2
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
适用于纵-扭复合超声振动辅助铣削加工装置包括非接触电能传输单元和纵-扭复合超声换能器单元，总结构示意图如图1所示。
如图2所示，所述非接触电能传输单元包含HSK刀柄1、圆弧形主边磁芯6、圆形副边磁芯2、主边线圈14、副边线圈13、紧定螺钉15。为了便于安装非接触电能传输单元，HSK刀柄端部长度为60mm，圆形副边磁芯2与HSK刀柄1端部外圆同轴安装，通过紧定螺钉15将其固定，圆弧形主边磁芯6与HSK刀柄1的外圆同轴安装且与圆形副边磁芯2端面对正，保持1～2mm的空气间隙。圆弧形主边磁芯6通过圆弧形主边磁芯支架17与机床主轴连接，在圆弧形主边磁芯6中加工有两个线圈窗口，分别为窗口1和窗口2，使得主边线圈14在缠绕过程中全部位于圆弧形主边磁芯6中，现有结构主要采用圆柱形柱面、圆柱形端面、局部柱面的装配方式实现非接触供电，与现有局部柱面结构相比，避免了主边线圈14在缠绕过程中一半位于磁芯内部一半位于磁芯外部的问题。与现有圆柱形柱面、圆柱形端面结构相比，降低了换刀时装配精度的要求。主边线圈14通过电磁感应原理为副边线圈13提供感应电压。在HSK刀柄1上加工有导线孔16，通过导线孔16将副边线圈13感应出的电压传递到纵-扭复合超声换能器单元中。为了不妨碍换刀，在换刀过程中圆弧形主边磁芯6会随着支架离开HSK刀柄1，待换刀完成后圆弧形主边磁芯6归位。
所述纵-扭复合超声换能器单元，包括后盖板10，压电陶瓷环7，电极片8，前盖板3，以及用于将它们连接起来的预紧螺栓9。后盖板10所用材料为45#钢，压电陶瓷环7材料为PZT-8，电极片8材料为黄铜，前盖板3材料为铝合金。此外还有弹簧夹头5，锁紧螺母4以及铣刀11。压电陶瓷环7的外径为25mm，内径为10mm，为了安全起见将预紧螺栓9与压电陶瓷环7装配的部分套有绝缘管。相邻两个压电陶瓷环7的极化方向相反，这样有利于通过机械串联、电端并联的方式增大振幅。在前盖板3大端面上加工楔形轴肩，为了保证与HSK刀柄1连接过程中两者的同轴度。后盖板10、压电陶瓷环7、电极片8、预紧螺栓9所组成部分放置于HSK刀柄1的端部空腔18中。前盖板3即为半波长变幅杆，它由圆台段与圆柱段两部分组成。两部分的位置关系为：圆柱段位于圆台段小端面之后。前盖板3的圆柱段开有16°的锥孔放置弹簧夹头5，铣刀11放置于弹簧夹头5中，并通过锁紧螺母4将刀具固定。前盖板3圆柱段外圆面车有外螺纹，便于锁紧螺母4的安装。在前盖板3的圆台段加工有波导，波导可以定向引导声波的传播。与现有纯螺旋槽结构相比，拥有更高的纵扭转换效率。其中波导的加工方法：首先，在满足刚度要求的情况下将圆台段加工出圆台形内腔19，然后在外圆面加工有螺旋槽，螺旋槽的深度应大于等于圆台壁厚，以便将工件内外表面切透从而形成波导，波导是用来定向引导超声波传播的结构。通过修改螺旋槽的螺旋升角、螺旋槽的个数(2、3、···)、圆台段大小端面的直径，可得到不同的波导，进而得到不同的纵扭转换比。综上所述，本发明采用的刀柄为HSK刀柄，系统精度、刚度更高，更适用于纵-扭复合超声振动辅助铣削中的高速切削过程。在非接触电能传输单元中使用两个窗口的圆弧形主边磁芯感应一个窗口的圆形副边磁芯。可将主边线圈全部缠绕在圆弧形磁芯之中，在增加电感量的同时还可以减少线圈长度。将波导理论应用于纵-扭复合超声换能器单元中，可以获得更大的纵扭转换率。
Claims (5)
1.一种纵扭复合超声振动辅助铣削加工装置，包括非接触电能传输单元和纵-扭复合超声换能器单元，其特征在于，
所述非接触电能传输单元包含刀柄、圆弧形主边磁芯(6)、圆形副边磁芯(2)、主边线圈(14)和副边线圈(13)，圆形副边磁芯(2)与刀柄端部外圆同轴并固定连接，圆弧形主边磁芯(6)与刀柄的外圆同轴、与圆形副边磁芯(2)端面对正，并保持空气间隙，圆弧形主边磁芯(6)设置有两个线圈窗口，使得主边线圈(14)缠绕过程中全部位于圆弧形主边磁芯(6)中；主边线圈(14)通过电磁感应方式为副边线圈(13)提供感应电压；副边线圈(13)的感应电压被传递到纵-扭复合超声换能器单元；
所述纵-扭复合超声换能器单元，包括后盖板(10)，压电陶瓷环(7)，电极片(8)，前盖板(3)和刀具；在前盖板(3)大端面上加工有楔形轴肩，用以保证与刀柄连接的同轴度；后盖板(10)、压电陶瓷环(7)和电极片(8)置于刀柄的端部空腔(18)中；前盖板(3)为半波长变幅杆，由圆台段与圆柱段两部分，圆台段固定连接到刀柄前部，圆柱段位于圆台段小端面之后；前盖板(3)的圆柱段与刀具固定连接；在前盖板(3)的圆台段加工有波导，波导定向引导声波的传播；其中，波导的加工方法：在满足刚度要求的情况下将圆台段加工出圆台形内腔(19)；在外圆面加工镂空的螺旋槽从而形成波导。
2.根据权利要求1所述的纵扭复合超声振动辅助铣削加工装置，其特征在于，所述的刀柄为HSK刀柄。
3.根据权利要求1所述的纵扭复合超声振动辅助铣削加工装置，其特征在于，通过修改螺旋槽的螺旋升角、螺旋槽的个数、圆台段大小端面的直径，得到不同的波导，进而得到不同的纵扭转换比。
4.根据权利要求1所述的纵扭复合超声振动辅助铣削加工装置，其特征在于，圆柱段位于圆台段小端面之后；前盖板(3)的圆柱段通过弹簧夹头(5)与刀具固定连接。
5.根据权利要求1所述的纵扭复合超声振动辅助铣削加工装置，其特征在于，圆弧形主边磁芯(6)通过圆弧形主边磁芯支架(17)与机床主轴连接。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116984642A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-11-03 | 中国机械总院集团江苏分院有限公司 | 一种分体式超声刀柄、超声加工系统及工作方法 |
| CN117226162A (zh) * | 2023-11-14 | 2023-12-15 | 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 | 一种超声振动辅助铣削加工工装及铣削加工换刀避让方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110278988A1 (en) * | 2008-10-27 | 2011-11-17 | Michael John Radley Young | Torsional mode ultrasonic generator |
| CN103920635A (zh) * | 2014-04-18 | 2014-07-16 | 北京航空航天大学 | 一种纵扭复合超声振动加工装置 |
| CN106985015A (zh) * | 2017-04-13 | 2017-07-28 | 南京航空航天大学 | 一种整体式复合超声刀柄装置 |
| CN208371888U (zh) * | 2017-12-07 | 2019-01-15 | 北京水木天蓬医疗技术有限公司 | 一种超声刀头、超声传振组件及超声止血和切割系统 |
-
2022
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110278988A1 (en) * | 2008-10-27 | 2011-11-17 | Michael John Radley Young | Torsional mode ultrasonic generator |
| CN103920635A (zh) * | 2014-04-18 | 2014-07-16 | 北京航空航天大学 | 一种纵扭复合超声振动加工装置 |
| CN106985015A (zh) * | 2017-04-13 | 2017-07-28 | 南京航空航天大学 | 一种整体式复合超声刀柄装置 |
| CN208371888U (zh) * | 2017-12-07 | 2019-01-15 | 北京水木天蓬医疗技术有限公司 | 一种超声刀头、超声传振组件及超声止血和切割系统 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116984642A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-11-03 | 中国机械总院集团江苏分院有限公司 | 一种分体式超声刀柄、超声加工系统及工作方法 |
| CN116984642B (zh) * | 2023-09-25 | 2024-01-02 | 中国机械总院集团江苏分院有限公司 | 一种分体式超声刀柄、超声加工系统及工作方法 |
| CN117226162A (zh) * | 2023-11-14 | 2023-12-15 | 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 | 一种超声振动辅助铣削加工工装及铣削加工换刀避让方法 |
| CN117226162B (zh) * | 2023-11-14 | 2024-01-30 | 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 | 一种超声振动辅助铣削加工工装及铣削加工换刀避让方法 |
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