CN116372205A - 一种二段式超声直刃刀及加工方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种二段式超声直刃刀及加工方法，二段式超声直刃刀包括刀座，刀座可拆卸连接有直刃刀具，直刃刀具包括与刀座可拆卸连接的矩形刀刃，矩形刀刃连接有三角形刀刃，本申请具有可替换性强、可满足部分特殊工艺特征的加工需求的优点。

Description

一种二段式超声直刃刀及加工方法

技术领域

本申请涉及切削加工技术领域，尤其涉及一种二段式超声直刃刀及加工方法。

背景技术

随着制造技术的发展和新材料的研发，传统加工方式难以满足所有材料的加工需求，超声加工技术是在传统加工技术如车削、铣削和钻削等的基础上加入超声振动的切削方式，在切削软脆性材料如纸基蜂窝材料、气凝胶复合材料等材料时表现出比传统加工更好的加工质量。

超声直刃刀加工中，刀具的刀尖角、安装方式及最大振幅位置是决定其加工质量的重要因素，而现有刀具使用报废后整体一起淘汰，造成浪费，且可替换性低，无法满足部分特殊工艺特征的加工需求。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种二段式超声直刃刀及加工方法，旨在解决现有切削刀具可替换性低，无法满足部分特殊工艺特征的加工需求的技术问题。

为实现上述目的，本申请提供一种二段式超声直刃刀，包括刀座，刀座可拆卸连接有直刃刀具，直刃刀具包括与刀座可拆卸连接的矩形刀刃，矩形刀刃连接有三角形刀刃。

可选地，刀座包括连接座，连接座一端连接有两个连接块，连接块上均开设有第一安装孔，矩形刀刃上开设有与第一安装孔匹配的第二安装孔，第一安装孔和第二安装孔之间穿设有紧固件。

可选地，第一安装孔包括至少一个通孔和至少一个螺纹孔，且两连接块上的通孔与螺纹孔位置相反，紧固件为螺钉。

可选地，两连接块之间的间隙与矩形刀刃的厚度为过渡配合。

一种加工方法，基于上述的一种二段式超声直刃刀，包括以下步骤：

构建振动模型，对所述二段式超声直刃刀进行参数优化；

根据所述参数优化的结果，预制出多个具有不同长度矩形刀刃的二段式超声直刃刀；

根据切削加工工艺条件，选择对应尺寸规格的所述二段式超声直刃刀安装在机床主轴上，开启加工；

根据切削加工工艺条件，更换对应尺寸规格的所述二段式超声直刃刀，直至完成加工。

可选地，所述构建振动模型，对所述二段式超声直刃刀进行参数优化，包括：

构建振速方程如下：

式中，v _t（z _t）表示直刃刀具上距离假想刀尖点第z _t个波长处截面上的最大振动速度幅值，其中，z _t=kx _t，k为只与振动频率有关的波数，x _t为假想的三角形刀刃的长度；v _ti表示直刃刀具上某位置点的最大振动速度幅值；A _t、B _t分别为直刃刀具在拟合方程中的待定系数；

令矩形刀刃与三角形刀刃的接触面上振动大小、截面上的力等于三角端的对应量，以构建出振动模型，所述振动模型的表达式如下：

式中，l _t三角形刀刃的长度；l _h为矩形刀刃的长度；m _t为直刃刀具的宽度；n _t为直刃刀具的厚度；h _t为矩形刀刃侧面的面积，h _t=l _h*m _t；α _t为三角形刀刃的刀尖角；

根据所述振动模型，获取所述二段式超声直刃刀在谐振状态下工作的谐振频率，获取所述二段式超声直刃刀在非谐振状态下工作的最大振幅位置。

可选地，更换对应尺寸规格的所述二段式超声直刃刀时，所述二段式超声直刃刀在进给方向上的振动速度分量满足下式：

式中，v _tf为二段式超声直刃刀进给方向的速度，ω为二段式超声直刃刀超声振动的角频率，t为时间，A _t'为二段式超声直刃刀超声振动的振幅大小，v _feed为二段式超声直刃刀的进给速度，为θ _t为主轴偏角，α为三角形刀刃的刀尖角。

可选地，所述根据切削加工工艺条件，更换对应尺寸规格的所述二段式超声直刃刀，直至完成加工，包括：

根据切削加工工艺条件，若需要更换超出磨损量的二段式超声直刃刀，将所述直刃刀具从所述刀座上拆下，并在所述刀座上安装同规格的所述直刃刀具；

根据切削加工工艺条件，若需要进行切深加工时，将需要更换的二段式超声直刃刀整体拆下，选择新规格的二段式超声直刃刀整体安装于机床主轴上；其中，所述新规格的二段式超声直刃刀的矩形刀刃长度大于拆下的二段式超声直刃刀的矩形刀刃长度；

根据切削加工工艺条件，若需要更换非谐振状态下工作的二段式超声直刃刀，将需要更换的二段式超声直刃刀整体拆下，将非谐振状态下工作的二段式超声直刃刀整体安装于机床主轴上。

本申请所能实现的有益效果如下：

本申请将刀座与直刃刀具设计成可拆卸式，直刃刀具磨损过量后，可单独更换直刃刀具，从而避免了寿命较长的刀座随寿命短的刀具共同报废，可替换性强，且直刃刀具采用矩形刀刃与三角形刀刃一体连接的二段式设计，使得更换使用不同长度的直刃刀具时，仅改变矩形刀刃的长度即可，而三角形刀刃尺寸规格无需变化，因此不会导致刀尖角变化，则无需调整主轴偏角配合，同时矩形刀刃也可参与切削，从而可满足部分特殊工艺特征的加工需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为现有常规直刃刀的结构示意图；

图2为本申请的实施例中一种二段式超声直刃刀的结构示意图；

图3为本申请的实施例中刀座的结构示意图；

图4为本申请的实施例中一种二段式超声直刃刀与现有常规直刃刀的刀尖角变化对比图；

图5为本申请的实施例中直刃刀具各尺寸参数的示意图；

图6为本申请的实施例中一种二段式超声直刃刀工作时进给方向的振动速度分量的示意图；

图7为本申请的实施例中一种二段式超声直刃刀最大振幅位置调整时的示意图。

附图标记：

100-刀座，110-连接座，120-连接块，121-通孔，122-螺纹孔，130-紧固件，200-直刃刀具，210-矩形刀刃，211-第二安装孔，220-三角形刀刃。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

实施例1

参照图1-图5，本实施例提供一种二段式超声直刃刀，包括刀座100，刀座100可拆卸连接有直刃刀具200，直刃刀具200包括与刀座100可拆卸连接的矩形刀刃210，矩形刀刃210连接有三角形刀刃220。

在超声直刃刀加工中，刀具的刀尖角、安装方式及最大振幅位置是决定其加工质量的重要因素：1.对于装配于同一机床的不同长度超声直刃刀，其刀尖角应尽量一致，避免反复调整主轴偏角；2.直刃刀的寿命远低于直刃刀刀座，应尽可能使直刃刀与刀座独立、可拆卸的两个零件；3.面对不同加工工艺时，直刃刀实际参与切削的刀刃位置不同，应尽可能保证直刃刀最大振幅位置是可控的。

如今常用的超声直刃刀通常是三角形单段设计，即使使用二段设计，也只将矩形段视为焊接接口，如图4所示，在改变刀具长度时，三角段长度随之改变，会导致刀尖角变化（刀尖角从α _1-s到α _1-l的变化），需要主轴偏角配合调整，且刀具与刀座焊接，寿命长的刀座必须与寿命短的刀具一起淘汰，造成浪费；另一方面，常规直刃刀的最大振幅段在刀尖处，而参与切削的刀刃往往不仅是刀尖，无法满足部分特殊工艺特征的加工需求。

因此，在本实施例中，将刀座100与直刃刀具200设计成可拆卸式，直刃刀具200磨损过量后，可单独更换直刃刀具200，从而避免了寿命较长的刀座100随寿命短的刀具共同报废，避免了超声直刃刀焊缝的不稳定性和超声振动时容易失效的情况，可替换性强，且直刃刀具200采用矩形刀刃210与三角形刀刃220一体连接的二段式设计，使得更换使用不同长度的直刃刀具200时，仅改变矩形刀刃210的长度即可，而三角形刀刃220尺寸规格无需变化，如图4所示，更换前后的刀尖角α _2-s与α _2-l相等，因此不会导致刀尖角变化，则无需调整主轴偏角配合，同时矩形刀刃210也可参与切削，从而可尽可能保证直刃刀最大振幅位置是可控的，可满足部分特殊工艺特征的加工需求，以匹配不同工艺要求，为高效率、高质量、高工艺匹配性超声直刃刀加工提供了支撑，实用性高。

需要说明的是，加工前，根据需求预制出一批二段式超声直刃刀，该批次二段式超声直刃刀具200备相同的三角形刀刃220结构，并具备不同长度、相同结构形式的矩形刀刃210结构，三角形刀刃220结构与矩形段刀刃结构是一体的，且三角形刀刃220结构与矩形刀刃210结构都可以参与切削；每把二段式超声直刃刀，即使是同一批次的，只要尺寸不相同，即配有专用的刀座100。

作为一种可选的实施方式，刀座100包括连接座110，连接座110由于和机床主轴连接，连接座110一端连接有两个连接块120，连接块120上均开设有第一安装孔，矩形刀刃210上开设有与第一安装孔匹配的第二安装孔211，第一安装孔和第二安装孔211之间穿设有紧固件130。

在本实施方式中，安装时，将矩形刀刃210卡入两个连接块120之间，并使第二安装孔211对准第一安装孔，然后插入紧固件130即刻将矩形刀刃210固定安装在两个连接块120之间，拆卸时同理，具有快速拆装的作用。

作为一种可选的实施方式，第一安装孔包括至少一个通孔121和至少一个螺纹孔122，且两连接块120上的通孔121与螺纹孔122位置相反，紧固件130为螺钉。

在本实施方式中，从两连接块120的两侧可分别通过拧入一定数量螺钉使得矩形刀刃210可被牢靠夹紧，从而夹持住二段式超声直刃刀，以有效传递超声振动。

作为一种可选的实施方式，两连接块120之间的间隙与矩形刀刃210的厚度为过渡配合，留有安装余量，便于安装。

实施例2

参照图1-图7，本实施例提供一种加工方法，基于上述的一种二段式超声直刃刀，包括以下步骤：

构建振动模型，对所述二段式超声直刃刀进行参数优化；

根据所述参数优化的结果，预制出多个具有不同长度矩形刀刃210的二段式超声直刃刀；

根据切削加工工艺条件，选择对应尺寸规格的所述二段式超声直刃刀安装在机床主轴上，开启加工；

根据切削加工工艺条件，更换对应尺寸规格的所述二段式超声直刃刀，直至完成加工。

在本实施例中，通过构建的振动模型对二段式超声直刃刀的参数包括谐振频率、各位置振幅等进行参数优化，并可根据工艺要求调整二段式超声直刃刀的最大振幅位置，二段式超声直刃刀的最大振幅位置可以用矩形刀刃的长度来调整，由于与刀座的连接面左端通常设定为节面，节面到等截面积最大振幅处的距离相对固定，因此只需要改变矩形刀刃的长度，即可在非谐振的状态下调整其刀刃上最大振幅位置，从而预制出多个具有不同长度矩形刀刃210的二段式超声直刃刀，进而根据不同工艺结构加工要求选择不同最大振幅刀刃位置。

作为一种可选的实施方式，所述构建振动模型，对所述二段式超声直刃刀进行参数优化，包括：

构建振速方程如下：

式中，v _t（z _t）表示直刃刀具上距离假想刀尖点第z _t个波长处截面上的最大振动速度幅值，其中，z _t=kx _t，k为只与振动频率有关的波数，x _t为假想的三角形刀刃的长度；v _ti表示直刃刀具上某位置点的最大振动速度幅值；A _t、B _t分别为直刃刀具在拟合方程中的待定系数；

令矩形刀刃210与三角形刀刃220的接触面上振动大小、截面上的力等于三角端的对应量，以构建出振动模型，所述振动模型的表达式如下：

式中，l _t三角形刀刃220的长度；l _h为矩形刀刃210的长度；m _t为直刃刀具200的宽度；n _t为直刃刀具200的厚度；h _t为矩形刀刃210侧面的面积，h _t=l _h*m _t；α _t为三角形刀刃220的刀尖角；

根据所述振动模型，获取所述二段式超声直刃刀在谐振状态下工作的谐振频率，获取所述二段式超声直刃刀在非谐振状态下工作的最大振幅位置。

在本实施方式中，对于超声直刃刀的三角形刀刃结构，其截面积随长度等比例减小，其振动方程如下：

式中，

指偏微分；下标t表示刀具；u _t为振动位移，表示时间和位置的关系；x _t为假想的三角形刀刃220的长度；S _t表示时间与位置的相关函数，为截面积；C _t是一个待定常数，该方程无法用简单函数求解，因此其振速方程需要以如下贝塞尔函数表示：

其中，v _t（z _t）表示直刃刀具200上距离假想刀尖点第z _t个波长处截面上的最大振动速度幅值，其中，z _t=kx _t，k为只与振动频率有关的波数，x _t为假想的三角形刀刃的长度；J ₀为第一类贝塞尔函数；Y ₀为第二类贝塞尔函数，其自变量只能是单位为1的变量；c _t1和c _t2是单位为m/s的常数，根据边界条件确定；对该贝塞尔函数解进行拟合后，从而得到近似振速方程：

由于二段式超声直刃刀的矩形刀刃结构振动方程截面积恒定，因此令矩形刀刃与三角形刀刃的接触面上，其振动大小、截面上的力等于三角端的对应量，即可得到上述振动模型的表达式，根据振动模型即可计算谐振状态工作的二段式超声直刃刀的谐振频率，也可以计算二段式超声直刃刀在非谐振状态下工作的最大振幅位置，从而匹配不同工艺要求。

作为一种可选的实施方式，更换对应尺寸规格的所述二段式超声直刃刀时，所述二段式超声直刃刀在进给方向上的振动速度分量满足下式：

式中，v _tf为二段式超声直刃刀进给方向的速度，ω为二段式超声直刃刀超声振动的角频率，t为时间，A _t'为二段式超声直刃刀超声振动的振幅大小，v _feed为二段式超声直刃刀的进给速度，为θ _t为主轴偏角，α为三角形刀刃220的刀尖角。

在本实施方式中，二段式超声直刃刀在切削中存在主轴偏角θ _t以及刀尖角α，二者共同决定二段式超声直刃刀的刀刃与进给方向夹角γ，进而决定二段式超声直刃刀在进给方向上超声振动速度的分量，从上述可看出，当超声机床的主轴偏角θ _t保持不变时，更换同一批次二段式超声直刃刀不改变其在机床进给方向的超声振动速度分量，满足工艺要求。

作为一种可选的实施方式，所述根据切削加工工艺条件，更换对应尺寸规格的所述二段式超声直刃刀，直至完成加工，包括：

根据切削加工工艺条件，若需要更换超出磨损量的二段式超声直刃刀，将所述直刃刀具200从所述刀座100上拆下，并在所述刀座100上安装同规格的所述直刃刀具200；

根据切削加工工艺条件，若需要进行切深加工时，将需要更换的二段式超声直刃刀整体拆下，选择新规格的二段式超声直刃刀整体安装于机床主轴上；其中，所述新规格的二段式超声直刃刀的矩形刀刃210长度大于拆下的二段式超声直刃刀的矩形刀刃210长度；

根据切削加工工艺条件，若需要更换非谐振状态下工作的二段式超声直刃刀，将需要更换的二段式超声直刃刀整体拆下，将非谐振状态下工作的二段式超声直刃刀整体安装于机床主轴上。

在本实施方式中，根据切削加工工艺条件，例如设置三道工序，进行第一道工序加工时，由于二段式超声直刃刀磨损过大需要更换，暂停加工，将二段式超声直刃刀的安装螺钉拆下，并换上二段式超声直刃刀，无需拆卸主轴或更换刀座100；完成第一道工序的加工后，拟开始第二道工序的加工，此时需要更换二段式超声直刃刀，将装配有二段式超声直刃刀的刀座100直接取下，更换装配有二段式超声直刃刀的超声刀座100，此时由于刀尖角未发生改变，无需进一步调整主轴的偏转角，可以进行工序；完成第二道工序后，由于第三道工序的主要切削位置与第二道工序差异较大，希望二段式超声直刃刀的最大振幅位置改变，此时，将装配有二段式超声直刃刀的刀座100直接取下，更换装配有二段式超声直刃刀的超声刀柄，此时由于刀尖角未发生改变，无需进一步调整主轴的偏转角，仅调整了所需要的最大振幅位置，可以进行第三道工序，从而完成加工。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种二段式超声直刃刀，其特征在于，包括刀座，所述刀座可拆卸连接有直刃刀具，所述直刃刀具包括与所述刀座可拆卸连接的矩形刀刃，所述矩形刀刃连接有三角形刀刃。

2.如权利要求1所述的一种二段式超声直刃刀，其特征在于，所述刀座包括连接座，所述连接座一端连接有两个连接块，所述连接块上均开设有第一安装孔，所述矩形刀刃上开设有与所述第一安装孔匹配的第二安装孔，所述第一安装孔和所述第二安装孔之间穿设有紧固件。

3.如权利要求2所述的一种二段式超声直刃刀，其特征在于，所述第一安装孔包括至少一个通孔和至少一个螺纹孔，且两所述连接块上的所述通孔与所述螺纹孔位置相反，所述紧固件为螺钉。

4.如权利要求2或3所述的一种二段式超声直刃刀，其特征在于，两所述连接块之间的间隙与所述矩形刀刃的厚度为过渡配合。

5.一种加工方法，其特征在于，基于如权利要求1-4中任一项所述的一种二段式超声直刃刀，包括以下步骤：

构建振动模型，对所述二段式超声直刃刀进行参数优化；

根据所述参数优化的结果，预制出多个具有不同长度矩形刀刃的二段式超声直刃刀；

根据切削加工工艺条件，选择对应尺寸规格的所述二段式超声直刃刀安装在机床主轴上，开启加工；

根据切削加工工艺条件，更换对应尺寸规格的所述二段式超声直刃刀，直至完成加工。

6.如权利要求5所述的一种加工方法，其特征在于，所述构建振动模型，对所述二段式超声直刃刀进行参数优化，包括：

构建振速方程如下：

式中，v _t（z _t）表示直刃刀具上距离假想刀尖点第z _t个波长处截面上的最大振动速度幅值，其中，z _t=kx _t，k为只与振动频率有关的波数，x _t为假想的三角形刀刃的长度；v _ti表示直刃刀具上某位置点的最大振动速度幅值；A _t、B _t分别为直刃刀具在拟合方程中的待定系数；

令矩形刀刃与三角形刀刃的接触面上振动大小、截面上的力等于三角端的对应量，以构建出振动模型，所述振动模型的表达式如下：

式中，l _t三角形刀刃的长度；l _h为矩形刀刃的长度；m _t为直刃刀具的宽度；n _t为直刃刀具的厚度；h _t为矩形刀刃侧面的面积，h _t=l _h*m _t；α _t为三角形刀刃的刀尖角；

根据所述振动模型，获取所述二段式超声直刃刀在谐振状态下工作的谐振频率，获取所述二段式超声直刃刀在非谐振状态下工作的最大振幅位置。

7.如权利要求5所述的一种加工方法，其特征在于，更换对应尺寸规格的所述二段式超声直刃刀时，所述二段式超声直刃刀在进给方向上的振动速度分量满足下式：

式中，v _tf为二段式超声直刃刀进给方向的速度，ω为二段式超声直刃刀超声振动的角频率，t为时间，A _t'为二段式超声直刃刀超声振动的振幅大小，v _feed为二段式超声直刃刀的进给速度，为θ _t为主轴偏角，α为三角形刀刃的刀尖角。

8.如权利要求5所述的一种加工方法，其特征在于，所述根据切削加工工艺条件，更换对应尺寸规格的所述二段式超声直刃刀，直至完成加工，包括：

根据切削加工工艺条件，若需要更换超出磨损量的二段式超声直刃刀，将所述直刃刀具从所述刀座上拆下，并在所述刀座上安装同规格的所述直刃刀具；

根据切削加工工艺条件，若需要进行切深加工时，将需要更换的二段式超声直刃刀整体拆下，选择新规格的二段式超声直刃刀整体安装于机床主轴上；其中，所述新规格的二段式超声直刃刀的矩形刀刃长度大于拆下的二段式超声直刃刀的矩形刀刃长度；

根据切削加工工艺条件，若需要更换非谐振状态下工作的二段式超声直刃刀，将需要更换的二段式超声直刃刀整体拆下，将非谐振状态下工作的二段式超声直刃刀整体安装于机床主轴上。

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