CN115138549A - 一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄 - Google Patents

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孙健
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Abstract

本发明公开了一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，包括刀柄、超磁致伸缩超声换能器和变幅杆，刀柄前端安装有超磁致伸缩超声换能器，变幅杆后端连接到超磁致伸缩超声换能器，变幅杆前端设置有用于连接刀具的固定结构，变幅杆中部设置有圆锥面，圆锥面设置有螺旋槽。本发明利用超磁致伸缩棒在高频交变磁场的激励下产生的纵向振动，经过螺旋槽的变幅杆的振幅放大作用以及纵‑扭模态转换作用，最终在加工刀具上输出超声纵扭复合振动；超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄可以在一定范围内提高超声功率，增大超声振幅，进一步提高加工效果尤其重要的是螺旋槽配合锥面结构，还能降低应力集中；并且具有适用机床范围广，安装使用方便等优点。

Description

一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄
技术领域
本发明涉及一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，属于超声加工设备技术领域。
背景技术
随着航空航天领域、3C行业等高新行业的快速发展，以陶瓷、蓝宝石、玻璃、碳纤维复合材料等为代表的硬脆材料在市场上的需求量越来越大。使用传统的加工工艺非常困难，而旋转超声加工技术可通过刀具的高频振动实现非连续切削，降低硬脆材料加工过程中的切削力，提高加工效率。目前常使用单一纵向超声振动来进行超声加工，但是单一纵向超声振动尚存在不足，如容易导致轴向冲击力过大，影响硬脆材料的表面加工效果等。随着超声加工技术研究的深入及超声装备的发展，单纯的一维超声辅助加工已不能满足日益复杂的材料加工要求，如中国专利申请(申请号为201510688337.0)公开的一种超磁致伸缩旋转超声振动刀柄，无法实现纵扭复合超声振动，中国专利申请(申请号为201910343969.1)公开的一种超声刀柄，在变幅杆圆柱段设置螺旋槽，但该结构容易存在应力集中，从而导致刀柄寿命低，维护频繁，维护成本高，而且扭转振幅效果较差。因此，需要寻找一种新型超声振动形式或方法来解决单一超声振动加工存在的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，具有设计合理、占用空间小、纵扭复合超声振动效果好且具备大功率加工能力，以对难加工材料及脆硬材料实现超精密钻削或铣削等加工并获得较好的加工效率及加工质量。
本发明采取的技术方案为：一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，包括刀柄、超磁致伸缩超声换能器和变幅杆，刀柄前端安装有超磁致伸缩超声换能器，变幅杆后端连接到超磁致伸缩超声换能器，变幅杆前端设置有用于连接刀具的固定结构，变幅杆中部设置有圆锥面，圆锥面设置有螺旋槽。
优选的，上述超磁致伸缩换能器包括超磁致伸缩棒、激励线圈和后盖板，变幅杆靠近后端的法兰盘固定连接在刀柄前端，刀柄前端设置有刀柄空腔，变幅杆伸入刀柄空腔一端采用预紧螺钉从前到后依次固定连接有第二导磁片、第二永磁体、超磁致伸缩棒、第一永磁体、第一导磁片和后盖板，激励线圈固定连接在线圈骨架上，线圈骨架套在超磁致伸缩棒上并与其保持间隙，线圈骨架置于导磁圆筒内并采用中部有通孔的导磁盖板固定，导磁圆筒固定连接在后盖板的前端面上，第二永磁体、第一永磁体、导磁盖板和导磁圆筒构成闭合磁回路。
优选的，上述螺旋槽采用多个，沿圆锥面圆周方向均匀分布。
优选的，上述超磁致伸缩超声换能器电连接到副边绕组，副边绕组固定连接在刀柄靠近中部的凸环处，与副边绕组配合的原边绕组固定连接在主轴外壳上。
优选的，上述原边绕组对应的刀柄上固定连接有动平衡环。
优选的，上述变幅杆的最小振动位置处设置有用于固定连接刀柄的法兰盘，法兰盘固定连接刀柄。
优选的，上述超磁致伸缩棒包括切片和绝缘性粘合剂，切片采用绝缘性粘合剂粘结成圆柱结构，该圆柱结构中部设置穿过预紧螺钉的第三连接通孔。
优选的，上述螺旋槽的数目为四条，螺旋槽的截面形状为矩形。
优选的，上述刀柄空腔设置有出气孔，刀柄空腔与刀柄尾端固定连接的拉杆之间设置通气孔，拉杆轴中心设置进气孔。
优选的，上述导磁盖板中部通孔处设置有定位凸环，定位凸环卡入线圈骨架内，导磁盖板上设置有穿过激励线圈的引线的弧形凹槽。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
(1)本发明利用超磁致伸缩棒在高频交变磁场的激励下产生的纵向振动，经过螺旋槽的变幅杆的振幅放大作用以及纵-扭模态转换作用，最终在加工刀具上输出超声纵扭复合振动；超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄可以在一定范围内提高超声功率，增大超声振幅，进一步提高加工效果，尤其重要的是螺旋槽配合锥面结构，还能降低应力集中，相比圆柱面配合螺旋槽，扭转振幅效果更好；并且可安装在多种传统机床上，具有适用机床范围广，安装使用方便等优点；
(2)导磁圆筒、导磁盖板、第一导磁片及第二导磁片组合形成一个密闭导磁回路，提升导磁回路空间内的磁场强度，从而增大超磁致伸缩棒的磁致伸缩效果，以及增强超声换能器整体的超声振动效果；第一永磁体与第二永磁体共同为超磁致伸缩棒提供偏置磁场，以消除超磁致伸缩棒的倍频效应，从而增大超磁致伸缩棒的磁致伸缩效果，以及增强超声换能器整体的超声振动效果；将超磁致伸缩换能器置于刀柄内腔中，结构更加紧凑，预紧螺栓能够对超磁致伸缩棒施加预应力，从而使超磁致伸缩棒获得更好的磁致伸缩效果，采用预紧螺栓施加预应力，减少碟簧等零部件，使结构紧凑的同时提升超磁致伸缩换能器产生的超声振动效果；
(3)设置多个螺旋槽，产生的纵-扭模态转换效果更好；
(4)采用非接触式的副边绕组配合原边绕组构成的非接触式的电能传输方法，有效解决传统滑环等接触式电能传输方式所带来的超声刀柄磨损及主轴工作转速较低等问题；
(5)设置动平衡环，保证超声刀柄在工作时的动平衡状态；
(6)将法兰盘设置在变幅杆的最小振动位置处，通过计算后将法兰盘这部分设置振幅为0，这样既保证了超声波的能量传播，又不引起其他部分的振动而是能量损耗；
(7)切片结构的超磁致伸缩棒有利于降低涡流效应，从而减少超磁致伸缩棒在高频交变磁场下的涡流生热，以减少超声换能器的热量产生及温度升高，从而在一定程度上提升超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄的工作稳定性；
(8)设置出气孔、进气孔和通气孔的冷气通道，导磁圆筒及导磁盖板上设有通气的槽，冷却气体从进气孔进入刀柄后，经由刀柄空腔后将从出气孔离开，确保冷却气体顺利通过带走换能器内部的热量，在此过程在将对超声刀柄产生冷却效果，从而在一定程度上提升超声刀柄工作的稳定性；
(9)线圈骨架通过定位凸环进行轴向定位，提高安装稳定性。
附图说明
图1为超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄的立体结构示意图；
图2为超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄的主视示意图；
图3为超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄的剖面结构示意图；
图4为变幅杆结构立体结构示意图；
图5为超磁致伸缩棒的前视结构示意图；
图6为超磁致伸缩棒的俯视结构示意图；
图7为导磁盖板的立体结构示意图；
图8为后盖板的立体结构示意图；
图9为螺旋槽截面结构示意图，图中(a)为矩形截面，(b)为半圆截面；
图10为不同的半圆截面大小扭转效果仿真分析图，图中，(a)为R1时，(a)为R2时，(a)为R3时，(a)为R4时；
图11为不同的矩形截面大小扭转效果仿真分析图，图中，(a)为宽2高1时，(a)为宽4高2时，(a)为宽6高3时，(a)为宽8高4时；
图12为不同的截面产生扭转振幅对比图；
图13为螺旋槽的深度对扭转振幅的影响图，图中(a)为宽4高2时，(b)为宽4高3时，(c)为宽4高4时；
图14为不同的矩形截面产生扭转振幅图；
图15为螺旋槽长度方向截面图，图中，(a)为等矩形截面，(b)为变矩形截面；
图16为变矩形截面产生扭转振幅图；
图17为变幅杆的圆柱面上设置螺旋朝的结构示意图。
附图标记说明：
1.进气孔；2.拉杆；3.刀柄；4.原边绕组；5.副边绕组；6.出气孔；7.变幅杆；701.螺旋槽；702.法兰盘；703.圆锥面；704.变幅杆小圆柱面；705.螺纹连接面；706.连接锥孔；707.第一连接通孔；8.刀柄空腔；9.预紧螺栓；10.后盖板；1001.定位孔；1002.第二连接通孔；1003.连接圆盘；11.第一导磁片；
12.第一永磁体；13.超磁致伸缩棒；1301.切片缝隙；1302.第三连接通孔；
1303.切片；14.激励线圈；15.导磁盖板；1501.弧形凹槽；1502.定位凸环；16.固定螺栓；17.动平衡环；18.线圈骨架；19.导磁圆筒；20.第四连接螺纹孔；21.第二永磁体；22.第二导磁片；23.前盖板；24.第五连接螺纹孔；25.固定螺母；26.弹性夹头；27.加工刀具；28.通气孔。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1-17所示，一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，包括刀柄3、超磁致伸缩超声换能器和变幅杆7，刀柄3前端安装有超磁致伸缩超声换能器，变幅杆7后端连接到超磁致伸缩超声换能器，变幅杆7前端设置有用于连接加工刀具27的固定结构，变幅杆7中部设置有圆锥面703，圆锥面703设置有螺旋槽701，螺旋槽701采用多个，沿圆锥面703圆周方向均匀分布，螺旋槽701的优选数目为四条，螺旋槽701的截面形状为矩形。变幅杆7具有放大超声振动的作用，通过设计变幅杆7不同的大端小端半径则能够控制放大系数，螺旋槽701，螺旋槽701设置于变幅杆圆锥面703上，在圆周方向均匀分布，该结构具有其模态转换作用，可以将一部分纵向振动转换为扭转振动。超磁致伸缩材料产生的纵向振动遇到螺旋槽结构后，通过其模态转换作用，将一部分纵向振动转换为扭转振动；根据需要和应用场合，调整螺旋槽的数量、角度、槽宽、槽深等参数在输出端得到纵-扭复合振动。加工刀具27在固定螺母25与弹性夹头26这两个结构的作用下被固定在变幅杆7上面的连接锥孔706内，从而保证加工刀具27在进行超声加工时不会晃动。
螺旋槽具体截面的选择：
1)螺旋槽选择矩形截面(图9中(a)所示)和半圆截面(图9中(b)所示)的扭转复合效果如图10-11和扭转振幅相对值如下表所示：
Figure BDA0003762165010000071
如图12所示，上方线条为矩形截面，其产生的扭转振幅始终大于下方半圆截面的，对比之后在本申请中采用矩形截面的螺旋槽。
2)螺旋槽的深度对扭转振幅的影响：如图13所示的扭转复合效果图以及结果如下表所示：
Figure BDA0003762165010000072
如图14所示，相同长度下，矩形截面的高(螺旋槽的深度)越大，产生的扭转振幅越大，故设计时应当使螺旋槽的深度和宽度相当，以增加纵扭转换效果。
3)变高度矩形截面的采用
对于螺旋槽的深度，不能一直加大螺旋槽的深度，因为加大螺旋槽的深度会降低变幅杆的自身抗拉压、抗剪切强度(尤其对靠近小径端的那部分锥面来说)。
综合考虑到螺旋槽变幅杆的纵扭转换效果以及自身抗拉压、抗剪切强度的影响，故把“等矩形截面(在1小节与2小节中用的矩形截面就是等矩形截面)”形状的螺旋槽变为“变高度矩形截面”形状的螺旋槽(即在直径大的锥面处切深多一点，直径小的锥面处切深少一点)，以使螺旋槽变幅杆在拥有较好纵扭转换效果的同时，也能较大地保持自身抗拉压、抗剪切强度。如图15和16所示。
对于圆柱面上设置的螺旋槽，如图17所示，纵扭转换效果较差。
变幅杆7上设置有法兰盘702，将法兰盘设置在变幅杆的最小振动位置处，通过计算后将法兰盘这部分设置振幅为0，这样既保证了超声波的能量传播，又不引起其他部分的振动而是能量损耗；法兰盘702上有六个相同结构的第一连接通孔707，并呈均匀圆周分布；固定螺栓16穿过法兰盘702上的第一连接通孔701将法兰盘702固定连接到刀柄3上，刀柄3上设置有连接固定螺栓16的第四连接螺纹孔20；变幅杆7的圆锥面703上设置螺旋槽701具有纵-扭模态转换效果，能够将超磁致伸缩棒13产生一部分纵向振动转换为纵扭复合振动；螺旋槽701在本实施例中共有4条，呈圆周均匀分布；变幅杆7后端设置有连接第二导磁片22的圆柱头，前端设置变幅杆小圆柱面704，变幅杆小圆柱面704前端设置有螺纹连接面705；固定螺母25通过螺纹连接面705固定在变幅杆小圆柱面704上。
其中，超磁致伸缩换能器包括超磁致伸缩棒13、激励线圈14和后盖板10，变幅杆7靠近后端的法兰盘702通过固定螺栓16固定连接在刀柄3前端，刀柄3前端设置有连接固定螺栓16的第四连接螺纹孔20，固定螺栓16穿过法兰盘702上的第一连接通孔707后连接到第四连接螺纹孔20，刀柄3前端设置有刀柄空腔8，变幅杆7伸入刀柄空腔8一端采用预紧螺钉9从前到后依次固定连接有第二导磁片22、第二永磁体21、超磁致伸缩棒13、第一永磁体12、第一导磁片22和后盖板10，预紧螺栓9穿过第二导磁片22、第二永磁体21、超磁致伸缩棒13、第一永磁体12、第一导磁片22和后盖板10上的各个通孔后连接到第五连接螺纹孔24，实现预紧螺栓9的末端部分与第五连接螺纹孔24设置可拆卸连接，能够对超磁致伸缩棒13施加预应力，从而使超磁致伸缩棒13获得更好的磁致伸缩效果；通过力矩扳手等可以旋转预紧螺栓9，从而调整预紧螺栓9对超磁致伸缩棒13的预应力，激励线圈14固定连接在线圈骨架18上，线圈骨架18套在超磁致伸缩棒13上并与其保持间隙，线圈骨架18置于导磁圆筒19内并采用中部有通孔的导磁盖板15固定，导磁圆筒19固定连接在后盖板10的前端面上，第二永磁体21、第一永磁体12、导磁盖板15和导磁圆筒19构成闭合磁回路，提升导磁回路空间内的磁场强度，从而增大超磁致伸缩棒13的磁致伸缩效果，以及增强超声换能器整体的超声振动效果；第一导磁片11与后盖板10上的定位孔1001相接触，以保证第一导磁片的轴向定位；第一永磁体12与第二永磁体21共同为超磁致伸缩棒13提供偏置磁场，以消除超磁致伸缩棒13的倍频效应，从而增大超磁致伸缩棒13的磁致伸缩效果，以及增强超声换能器整体的超声振动效果；激励线圈14通有高频交流电时将会产生高频交流磁场，以引发超磁致伸缩棒13进行超声振动。
进一步的，后盖板10前端设置有连接圆盘1003，通过连接圆盘1003与导磁圆筒19相固定连接，后盖板10中部设置有穿过预紧螺钉的第二连接通孔1002，后盖板10中部设置有定位孔1002，即沉头槽。
进一步的，导磁盖板15中部通孔处设置有定位凸环1502，定位凸环1502卡入线圈骨架18内，导磁盖板15上设置有穿过激励线圈14的引线的弧形凹槽1501，线圈14的引线通过弧形凹槽1501引出，线圈骨架18通过定位凸环1502进行轴向定位。
其中，超磁致伸缩超声换能器电连接到副边绕组5，副边绕组5固定连接在刀柄3靠近中部的凸环处，与副边绕组5配合的原边绕组4固定连接在主轴外壳上。基于电磁感应原理，原边绕组4和副边绕组5为超声刀柄提供非接触式的电能传输方法，有效解决传统滑环等接触式电能传输方式所带来的超声刀柄磨损及主轴工作转速较低等问题。
进一步的，原边绕组4对应的刀柄3上固定连接有动平衡环17，该结构用于保证超声刀柄在工作时的动平衡状态。
优选的，上述变幅杆7的最小振动位置处设置有用于固定连接刀柄3的法兰盘701，法兰盘701固定连接刀柄3。
优选的，上述超磁致伸缩棒包括片状超磁致伸缩材料的切片1303和绝缘性粘合剂1301，切片1303采用绝缘性粘合剂1301粘结成圆柱结构，该圆柱结构中部设置穿过预紧螺钉9的第三连接通孔1302，如图5所示，超磁致伸缩棒13被设置成切片结构；在切片缝隙1301内采用绝缘性粘结剂将超磁致伸缩片1303粘结在一起；切片结构的超磁致伸缩棒13有利于降低涡流效应，从而减少超磁致伸缩棒13在高频交变磁场下的涡流生热，以减少超声换能器的热量产生及温度升高，从而在一定程度上提升超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄的工作稳定性。
优选的，上述刀柄空腔8设置有出气孔6，刀柄空腔8与刀柄3尾端通过螺纹方式固定连接的拉杆2之间设置通气孔28，拉杆2轴中心设置进气孔1，冷却气体从进气孔1进入超声刀柄内部，冷却气体从出气孔6散出，在此过程在将对超声刀柄产生冷却效果，从而在一定程度上提升超声刀柄工作的稳定性。
本发明通过螺旋槽结构的纵扭模态转化能力从而获得超声纵扭振动加工效果，不仅能降低切削力，提高加工刀具的使用寿命，还能够改善加工质量以及提升加工效率；采用非接触传能方式，有效解决传统滑环等接触式电能传输方式所带来的超声刀柄磨损及主轴工作转速较低等问题；采用超磁致伸缩材料替代压电陶瓷伸缩材料，提升了超声刀柄的功率容量以及振动效果；采用切片结构的超磁致伸缩棒，降低了超磁致伸缩棒的涡流生热；设置有气冷系统，使得超声刀柄的冷却性能增强，从而降低了超声刀柄的温升幅度，提高了超声刀柄的工作稳定性；且本发明可安装在多种传统机床上，具有适用机床范围广，安装使用方便等优点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，其特征在于：包括刀柄（3）、超磁致伸缩超声换能器和变幅杆（7），刀柄（3）前端安装有超磁致伸缩超声换能器，变幅杆（7）后端连接到超磁致伸缩超声换能器，变幅杆（7）前端设置有用于连接刀具的固定结构，变幅杆（7）中部设置有圆锥面（703），圆锥面（703）设置有螺旋槽（701）。
2.根据权利要求1所述的一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，其特征在于：超磁致伸缩换能器包括超磁致伸缩棒（13）、激励线圈（14）和后盖板（10），变幅杆（7）靠近后端的法兰盘固定连接在刀柄（3）前端，刀柄（3）前端设置有刀柄空腔（8），变幅杆（7）伸入刀柄空腔（8）一端采用预紧螺钉（9）从前到后依次固定连接有第二导磁片（22）、第二永磁体（21）、超磁致伸缩棒（13）、第一永磁体（12）、第一导磁片（22）和后盖板（10），激励线圈（14）固定连接在线圈骨架（18）上，线圈骨架（18）套在超磁致伸缩棒（13）上并与其保持间隙，线圈骨架（18）置于导磁圆筒（19）内并采用中部有通孔的导磁盖板（15）固定，导磁圆筒（19）固定连接在后盖板（10）的前端面上，第二永磁体（21）、第一永磁体（12）、导磁盖板（15）和导磁圆筒（19）构成闭合磁回路。
3.根据权利要求2所述的一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，其特征在于：超磁致伸缩棒（13）包括切片（1303）和绝缘性粘合剂（1301），切片（1303）采用绝缘性粘合剂（1301）粘结成圆柱结构，该圆柱结构中部设置穿过预紧螺钉（9）的第三连接通孔（1302）。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，其特征在于：超磁致伸缩超声换能器电连接到副边绕组（5），副边绕组（5）固定连接在刀柄（3）靠近中部的凸环处，与副边绕组（5）配合的原边绕组（4）固定连接在主轴外壳上。
5.根据权利要求4所述的一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，其特征在于：原边绕组（4）对应的刀柄（3）上固定连接有动平衡环（17）。
6.根据权利要求1-3任一所述的一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，其特征在于：变幅杆（7）的最小振动位置处设置有用于固定连接刀柄（3）的法兰盘（701），法兰盘（701）固定连接刀柄（3）。
7.根据权利要求1-3任一所述的一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，其特征在于：螺旋槽（701）采用多个，沿圆锥面（703）圆周方向均匀分布。
8.根据权利要求7所述的一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，其特征在于：螺旋槽（701）的数目为四条，螺旋槽（701）的截面形状为矩形。
9.根据权利要求2或3所述的一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，其特征在于：刀柄空腔（8）设置有出气孔（6），刀柄空腔（8）与刀柄（3）尾端固定连接的拉杆（2）之间设置通气孔（28），拉杆（2）轴中心设置进气孔（1）。
10.根据权利要求2或3所述的一种超磁致伸缩超声纵扭振动刀柄，其特征在于：导磁盖板（15）中部通孔处设置有定位凸环（1502），定位凸环（1502）卡入线圈骨架（18）内，导磁盖板（15）上设置有穿过激励线圈（14）的引线的弧形凹槽（1501）。
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