CN216881880U - 一种超声振动加工装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声振动加工装置，包括纵扭换能器、变幅杆、连接螺柱和刀具，所述纵扭换能器的前端和所述变幅杆的后端通过所述连接螺柱同轴连接，在所述变幅杆的中部设有法兰，所述纵扭换能器上第一位置处的外圆周面上和/或所述变幅杆上第二位置处的外圆周面上设有多条螺旋槽，其中所述纵扭换能器的所述第一位置靠近所述变幅杆的一侧，所述变幅杆的所述第二位置位于所述法兰的后侧。本实用新型还公开了一种纵‑扭复合模态超声振动加工系统，包括刀柄和上述的纵扭复合模态超声振动加工装置。本实用新型设计合理、减小占用空间、缩短制造周期、降低成本，实现较高的扭转分量占比，有效提高超声加工效率。

Description

一种超声振动加工装置及系统

技术领域

本实用新型涉及超声波加工技术领域，尤其涉及一种超声振动加工装置及系统。

背景技术

近年来，随着现代新型材料的兴起，新型硬脆复合材料在机加工行业所占的比例越来越大，同时人们对硬脆材料零件的加工质量的要求越来越高。纵-扭超声加工技术被认为是在加工硬脆复合材料的有效方法之一，纵-扭超声加工技术是在基于刀具的自身运动上，叠加纵扭复合超声振动。在此模式下，硬脆材料的被加工表面、铣削稳定性及刀具使用寿命得到大幅度改善。

目前实现纵扭复合超声振动的方式有两种，一是将压电陶瓷沿切向极化，但是在技术上很难实现，工艺复杂、成本昂贵；二是通过在实心变幅杆外壁开斜槽螺旋槽的方式实现扭转振动，存在扭转分量占比低等缺点，阻碍了纵-扭超声加工技术的在加工应用与推广。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

实用新型内容

为了克服现有的纵扭复合技术的不足，本实用新型提出一种设计合理、减小占用空间、缩短制造周期、降低成本，实现较高的扭转分量占比，有效提高超声加工效率的纵-扭复合超声振动加工装置。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型公开了一种超声振动加工装置，包括纵扭换能器、变幅杆、连接螺柱和刀具，所述纵扭换能器的前端和所述变幅杆的后端通过所述连接螺柱同轴连接，在所述变幅杆的中部设有法兰，所述纵扭换能器上第一位置处的外圆周面上和/或所述变幅杆上第二位置处的外圆周面上设有多条螺旋槽，其中所述纵扭换能器的所述第一位置靠近所述变幅杆的一侧，所述变幅杆的所述第二位置位于所述法兰的后侧。

优选地，所述纵扭换能器包括紧固件、后盖板、多个电极片、多个压电陶瓷片和N个前盖板，多个所述电极片和多个所述压电陶瓷片同轴且沿轴向交替排列，所述紧固件穿过所述后盖板、多个所述电极片和多个所述压电陶瓷片之后与所述N个前盖板固定连接，以将多个所述电极片和多个所述压电陶瓷片固定连接在所述后盖板和所述N个前盖板之间，其中N为≥1的自然数。

优选地，所述N个前盖板中的至少一个前盖板的外圆周面上设有螺旋槽。

优选地，所述变幅杆的第三位置处的外圆周面上设有多条螺旋槽，所述变幅杆的所述第三位置位于所述法兰的前侧。

优选地，所述纵扭换能器与所述变幅杆的接触面的直径相同，且所述变幅杆的前端的直径小于所述变幅杆的后端的直径。

优选地，所述纵扭换能器上第一位置处的外圆周面上设有均匀分布的至少两条第一螺旋槽，且各条所述第一螺旋槽与所述纵扭换能器同轴。

优选地，所述变幅杆上第二位置处的外圆周面上设有均匀分布的至少两条第二螺旋槽，且各条所述第二螺旋槽与所述变幅杆同轴。

优选地，所述变幅杆的第三位置处的外圆周面上设有均匀分布的至少两条第三螺旋槽，且各条所述第三螺旋槽与所述变幅杆同轴。

优选地，在所述法兰的外端边缘处向前侧和/或向后侧延伸形成延伸圆环单元，所述延伸圆环单元的后端设有圆柱导向部，前端设有螺纹部。

本实用新型还公开了一种超声振动加工系统，包括刀柄和上述的超声振动加工装置，所述刀柄的前端设有内腔，所述超声振动加工装置连接安装在所述刀柄的所述内腔中。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型公开的超声振动加工装置，在变幅杆的法兰的后部设有多条螺旋槽，该多条螺旋槽可以设置在纵扭换能器和/或变幅杆上，通过螺旋槽对超声波的反射和折射作用，使单激励纵振转换为纵扭复合振动，将纵扭复合振动经变幅杆传递后主要作用在刀具工作端，使刀具工作端输出较大扭振振幅，有效提高了超声加工系统的扭转振动分量，提高纵扭转换效率。

在进一步的方案中，本实用新型还具有以下优点：

变幅杆法兰的外端边缘处向前和/或向后延延伸形成的延伸圆环单元上设有圆柱导向结构与外螺纹，可使超声振动装置与刀柄装配过程更为简易。

在纵扭换能器前端设置前盖板，通过改变前盖板可以调整超声振动系统的质量和长度，确保整个超声振动装置在更换不同直径、悬伸长度的刀具前后谐振频率始终保持一致。

在变幅杆法兰前部的外圆周面上设有螺旋槽，可以进一步实现不同的纵扭输出组合。

纵扭换能器可以包括多个前盖板，多个前盖板由紧固件连接固定，且在每个前盖板上可以分别设有螺旋槽，实现多级螺旋槽结构，进一步提高纵扭转换效率。

附图说明

图1a是本实用新型实施例一的纵-扭复合模态超声振动装置的结构示意图；

图1b是图1a的部分剖面示意图；

图1c是图1a中纵-扭复合模态超声振动装置的纵扭换能器的结构示意图；

图1d是图1a中的纵-扭复合模态超声振动装置装在刀柄上的结构示意图；

图2是本实用新型实施例二的纵-扭复合模态超声振动装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施例三的纵-扭复合模态超声振动装置的结构示意图；

图4是本实用新型实施例四的纵-扭复合模态超声振动装置的结构示意图；

图5是本实用新型实施例五的纵-扭复合模态超声振动装置的结构示意图；

图6是本实用新型实施例六的纵-扭复合模态超声振动装置的结构示意图。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例一：

如图1a和图1b所示，本实施例公开了一种纵-扭复合模态超声振动加工装置，纵-扭复合模态超声振动加工装置包括纵扭换能器1、连接螺柱2、变幅杆3、压帽4、弹簧夹头5、刀具6。其中连接螺柱2通过纵扭换能器1前端的螺纹孔与变幅杆3后端的螺纹孔将纵扭换能器1、变幅杆3两者同轴线固定连接，且纵扭换能器1与变幅杆3两者的接触面的直径相同。刀具6通过压帽4和弹簧夹头 5连接在变幅杆3的前端。本实用新型各个实施例中，“前”是指靠近刀具6的方向，“后”是指远离刀具6的方向。

如图1c所示，纵扭换能器1由紧固件101、后盖板102、多个铜电极103、多个压电陶瓷104、前盖板105组成。多个电极片103和多个压电陶瓷片104同轴且沿轴向交替排列在后盖板102和前盖板105之间，多个电极片103与电能传输系统连接。紧固件101穿过后盖板102、多个铜电极103、多个压电陶瓷104 之后与前盖板105的后端螺纹孔固定连接，以将多个铜电极103、多个压电陶瓷 104紧固在后盖板102和前盖板105之间，多个铜电极103通过电缆106连接电能传输系统电路。在本实施例中，纵扭换能器1与变幅杆3两者的接触面的直径相同，且变幅杆3的后端直径与纵扭换能器1上的后盖板102、紧固件101、多个铜电极103、多个压电陶瓷104、前盖板105的外直径均相同；变幅杆3的前端直径等于或小于后端直径。

如图1b所示，变幅杆3在法兰7的后侧的外圆周面上设有多条第二螺旋槽 8，纵扭换能器1在与变幅杆3靠近的外圆周面上设有多条第一螺旋槽9。在设计上，将多条螺旋槽设在变幅杆3法兰7之上的外圆周面上与纵扭换能器1外圆周面上，此时螺旋槽都位于变幅杆3法兰7的后部，此结构使纵-扭复合模态超声振动装置在超声振动状态下具有两个振幅为零的波节，从而可以将纵扭复合模态超声振动装置在超声振动状态下位于前部的振幅为零的波节分别设置在变幅杆3法兰7的位置处和纵扭换能器1上，一方面防止超声波振动经法兰7通过刀柄向连接于其后的机床主轴传递，另一方面可减少纵扭换能器1的高周期疲劳损伤。将多条螺旋槽主体设在变幅杆3法兰7后部，使得超声振动过程中，刀具 6工作端可输出较高的扭转分量占比，有效地提高超声加工的效率。在实际应用过程中，可以通过修改螺旋槽参数，以能够产生不同的纵扭振动幅值比例。在一具体的实施例中，变幅杆3在法兰7的后侧的外圆周面上设有均匀分布的6条第二螺旋槽8，纵扭换能器1在与变幅杆3靠近的外圆周面上设有均匀分布的6条第一螺旋槽9，在其他实施例中，第一螺旋槽9和第二螺旋槽8也可设置为2、3、 4、5、7或8条，甚至更多。第一螺旋槽和第二螺旋槽的各参数可以根据需要设置，以实现不同的纵扭输出组合。

如图1b所示，在法兰7的外端边缘处向后侧延伸形成延伸圆环单元，延伸圆环单元的后端设有导向结构702，前端设有外螺纹701。

如图1d所示，本实施例一公开的纵-扭复合模态超声振动加工装置装在刀柄的结构示意图。在装配过程中法兰7的外圆周面的后部的圆柱导向结构702与刀柄10的内孔先进行配合，然后变幅杆3的法兰7的外圆周面的前部的外螺纹701 与刀柄10的后部内螺纹连接配合构成螺纹副801。压盖11与刀柄10的前部内螺纹构成螺纹副802，将法兰7固定在刀柄10的内孔的台阶与压盖11之间。最终纵-扭复合模态超声振动装置装配在刀柄10上形成双螺纹副防松结构，进一步地限制了刀柄上纵-扭复合模态超声振动装置的松动，在装配时不仅可以保证纵- 扭复合模态超声振动装置与刀柄10的同轴度，还可以简化了两者之间的装配。

实施例二：

如图2所示，本实施例与实施例一的区别仅在于，本实施例中仅在变幅杆3 法兰7后部的外圆周面上设有多条第二螺旋槽，而在纵扭换能器1上的前盖板105外圆周面上无螺旋槽。

实施例三：

如图3所示，本实施例与实施例一的区别仅在于，本实施例中仅在纵扭换能器1上的前盖板105外圆周面上设有多条第一螺旋槽，而在变幅杆3的法兰7 后部的外圆周面上无螺旋槽。

实施例四：

如图4所示，本实施例与实施例一的区别仅在于法兰7的形状不同，法兰7 的形状不仅局限于实施例一的形态，本实施例中在法兰7的外端边缘处向前侧延伸形成延伸圆环单元，延伸圆环单元的后端设有导向结构702，前端设有外螺纹 701，也即变幅杆3的法兰7外圆周面的圆柱导向结构702与幅杆外圆周面的外螺纹701都设在法兰节点前部。本实施例也可起到与实施例一相同的装配效果。

实施例五：

如图5所示，本实施例与实施例一的区别仅在于变幅杆3法兰7前部的外圆周面上设有第三螺旋槽10，增加第三螺旋槽10可以进一步为协助产生所需要的纵扭振动幅值比例，但是在本实施例中螺旋槽主要还是分布在法兰7后部。

在本实施例中，可以通过在修改第一螺旋槽9和第二螺旋槽8的参数的基础上，还可以结合修改变幅杆3法兰7前部的外圆周面上设有第三螺旋槽10的参数，可以更灵活地调节以产生所需要的纵扭振动幅值比例。

实施例六：

如图6所示，本实施例与实施例一的区别仅在于纵扭换能器1设有两个前盖板第一前盖板1051和第二前盖板1052)，第一前盖板1051和第二前盖板1052 上都设有螺纹槽结构，紧固件101穿过后盖板102、多个铜电极103、多个压电陶瓷104、第一前盖板1051后与第二前盖板1052的后端螺纹孔固定连接，连接螺柱2通过第二前盖板1052前端的螺纹孔与变幅杆3的螺纹孔将纵扭换能器1、变幅杆3两者同轴线固定连接。

从上述各个实施例可以看出，本实用新型中的螺旋槽设在变幅杆法兰后部的外圆周面上与纵扭换能器的前盖板外圆周面上的位置，条数不限，多条螺旋槽可仅设在纵扭换能器的前盖板外圆周面上，或仅设在变幅杆法兰后部的外圆周面上。经仿真分析，将多条螺旋槽主要设在变幅杆法兰后部，可使得在超声振动过程中，刀具工作端输出较高的扭转分量占比，进一步在实际应用中可以通过修改螺旋槽参数产生不同的纵扭振动幅值比例；或通过在变幅杆法兰前部增加第三螺旋槽协助产生所需要的纵扭振动幅值比例。纵-扭复合模态超声振动加工装置法兰上设有圆柱导向结构与外螺纹，在装配时既保证纵-扭复合模态超声振动装置与刀柄的同轴度，又简化了两者之间的装配过程。

本实用新型的背景部分可以包含关于本实用新型的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本实用新型的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种超声振动加工装置，其特征在于，包括纵扭换能器、变幅杆、连接螺柱和刀具，所述纵扭换能器的前端和所述变幅杆的后端通过所述连接螺柱同轴连接，在所述变幅杆的中部设有法兰，所述纵扭换能器上第一位置处的外圆周面上和/或所述变幅杆上第二位置处的外圆周面上设有多条螺旋槽，其中所述纵扭换能器的所述第一位置靠近所述变幅杆的一侧，所述变幅杆的所述第二位置位于所述法兰的后侧。

2.根据权利要求1所述的超声振动加工装置，其特征在于，所述纵扭换能器包括紧固件、后盖板、多个电极片、多个压电陶瓷片和N个前盖板，多个所述电极片和多个所述压电陶瓷片同轴且沿轴向交替排列，所述紧固件穿过所述后盖板、多个所述电极片和多个所述压电陶瓷片之后与所述N个前盖板固定连接，以将多个所述电极片和多个所述压电陶瓷片固定连接在所述后盖板和所述N个前盖板之间，其中N为≥1的自然数。

3.根据权利要求2所述的超声振动加工装置，其特征在于，所述N个前盖板中的至少一个前盖板的外圆周面上设有螺旋槽。

4.根据权利要求1所述的超声振动加工装置，其特征在于，所述变幅杆的第三位置处的外圆周面上设有多条螺旋槽，所述变幅杆的所述第三位置位于所述法兰的前侧。

5.根据权利要求1所述的超声振动加工装置，其特征在于，所述纵扭换能器与所述变幅杆的接触面的直径相同，且所述变幅杆的前端的直径小于所述变幅杆的后端的直径。

6.根据权利要求1所述的超声振动加工装置，其特征在于，所述纵扭换能器上第一位置处的外圆周面上设有均匀分布的至少两条第一螺旋槽，且各条所述第一螺旋槽与所述纵扭换能器同轴。

7.根据权利要求1所述的超声振动加工装置，其特征在于，所述变幅杆上第二位置处的外圆周面上设有均匀分布的至少两条第二螺旋槽，且各条所述第二螺旋槽与所述变幅杆同轴。

8.根据权利要求4所述的超声振动加工装置，其特征在于，所述变幅杆的第三位置处的外圆周面上设有均匀分布的至少两条第三螺旋槽，且各条所述第三螺旋槽与所述变幅杆同轴。

9.根据权利要求1至8任一项所述的超声振动加工装置，其特征在于，在所述法兰的外端边缘处向前侧和/或向后侧延伸形成延伸圆环单元，所述延伸圆环单元的后端设有圆柱导向部，前端设有螺纹部。

10.一种超声振动加工系统，其特征在于，包括刀柄和权利要求1至9任一项所述的超声振动加工装置，所述刀柄的前端设有内腔，所述超声振动加工装置连接安装在所述刀柄的所述内腔中。

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