一种纵扭超声振动加工装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种纵扭超声振动加工装置，包括超声振子和将所述超声振子提供的纵向超声振动转化为纵扭复合振动的变幅杆，所述变幅杆连接于所述超声振子的一端；所述变幅杆包括第一级变幅杆和第二级变幅杆；所述第一级变幅杆为中空筒状，所述第二级变幅杆固定于所述第一级变幅杆一端且用于固定加工工具，所述第一级变幅杆的内径大于所述第一级变幅杆的外径的1/2，且所述第一级变幅杆的筒壁上开设有多个贯穿所述筒壁的螺旋槽。本发明专利技术的一种纵扭超声振动加工装置，其能量转化和传递效率高。

A longitudinal torsional ultrasonic vibration processing device

The invention provides a longitudinal torsional ultrasonic vibration processing device, including an ultrasonic vibrator and an amplitude lever that transforms the longitudinal ultrasonic vibration supplied by the ultrasonic oscillator into a longitudinal torsional composite vibration. The amplitude lever is connected to one end of the ultrasonic vibrator; the horn includes the first stage horn and the second stage swing pole; the first stage is the first stage. The second stage horn is fixed to one end of the first stage and is used for a fixed machining tool. The inner diameter of the first stage horn is larger than the 1/2 of the outer diameter of the first stage horn, and the wall of the first stage horn is provided with a plurality of spiral grooves running through the wall of the cylinder. The longitudinal and torsional ultrasonic vibration processing device of the invention has high energy conversion and high transmission efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种纵扭超声振动加工装置
本专利技术涉及切削加工装置，更具体地，涉及一种纵扭超声振动加工装置。
技术介绍
超声加工是对刀具或工件施加高频振动的特种加工方法，由于具有切削力小，加工质量好，刀具磨损小等特点，在硬脆材料和难加工材料加工中得到了广泛的应用。旋转超声振动加工中，刀具在高频小幅振动的同时还随着机床的主轴做高速旋转，使得玻璃、陶瓷、复合材料等硬脆材料加工去除机制发生变化，因此在该类材料加工方面有着明显的优势。目前的旋转超声振动加工一般都采用纵向超声振动，普通纵向超声运动轴向冲击大，一般只能用金刚石磨粒刀具，而纵扭超声振动则不受加工刀具的影响，可以采用硬质合金刀具及金刚石磨粒刀具。利用硬质合金刀具的纵扭超声加工可以很好的加工金属和复合材料叠层构件，同时纵扭超声加工切削力和加工质量也优于纵振金刚石超声加工，更适合硬脆材料钻孔及表面加工，有利于减小切削力和提高表面质量。然而，由于切向极化压电陶瓷在技术上难以实现，使纵扭复合超声振动的应用受到了限制。当前，实现纵扭复合超声振动主要有两种方法，一是将压电陶瓷沿切向极化，但技术上很难实现，此种方法工艺复杂，废品率很高，很难制造出理想的换能器；二是近几年出现的利用在换能器前端设置扭振变幅杆来实现扭转振动，该方法简单实用，但是长久以来该类纵扭换能器的扭振的转化效率不高。这种换能器开设螺旋槽一般为在实心圆柱、圆锥等表面上挖沟槽，由于能量在整个圆柱体中传播，且能量传递集中于圆柱轴心，表面的沟槽只能将表面传递的纵振能量部分地转化扭转能量，而位于圆柱中心部分的纵振能量则无法受到螺旋槽的影响，仍为纵振，故而扭转振动能量小，转化不充分。
技术实现思路
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本专利技术提供了一种纵扭超声振动加工装置，以解决超声振动装置纵振能量转换和传递效率低、所得扭转振动能量小的技术问题。根据本专利技术的一个方面，提供一种纵扭超声振动加工装置，包括超声振子和将所述超声振子提供的纵向超声振动转化为纵扭复合振动的变幅杆，所述变幅杆连接于所述超声振子的一端；所述变幅杆包括第一级变幅杆和第二级变幅杆；所述第一级变幅杆为中空筒状，所述第二级变幅杆固定于所述第一级变幅杆一端且用于固定加工工具，所述第一级变幅杆的内径大于所述第一级变幅杆的外径的1/2，且所述第一级变幅杆的筒壁上开设有多个贯穿所述筒壁的螺旋槽。进一步地，所述螺旋槽的截面形状为四边形。进一步地，所述螺旋槽的数量为四个或六个，所述螺旋槽的螺旋角为90-100°，螺距为80-120mm。进一步地，所述螺旋槽的长度满足以下关系：其中，l为螺旋槽的长度，p为螺距，θ为螺旋槽的螺旋角。进一步地，所述螺旋槽的宽度满足以下关系：其中，b为螺旋槽的宽度，R为第一级变幅杆的外径，r为第一级变幅杆的内径，p为螺距，n为螺旋槽的数量。进一步地，多个所述螺旋槽关于所述第一级变幅杆的中心轴线两两对称。进一步地，所述第二级变幅杆包括固定于所述第一级变幅杆一端的大圆柱段和固定于所述大圆柱段一端的小圆柱段，所述第一级变幅杆、所述大圆柱段和所述小圆柱段的长度之比为(5-10):(1-2):(2-4)；所述第一级变幅杆、所述大圆柱段和所述小圆柱段的外径之比为(4-8):(2-3):1。进一步地，所述超声振子包括与所述第一级变幅杆一体成型的前盖板，所述前盖板的侧方同轴设置有压电陶瓷片组和后盖板，所述前盖板、压电陶瓷片组和后盖板的中心位置对应开设有孔道，一预紧螺栓通过所述孔道将所述后盖板和压电陶瓷片组固定于所述前盖板上。进一步地，所述压电陶瓷片组由2或4片压电陶瓷片组成，压电陶瓷片的厚度为4-10mm；所述压电陶瓷片组的直径小于超声波在所述压电陶瓷片组中传播时波长的1/4。进一步地，所述第一级变幅杆上靠近所述超声振子的端部开设有与所述第一级变幅杆同轴的隔振槽。本专利技术的有益效果主要体现在如下方面：(1)在中空筒状的第一级变幅杆的筒壁上开设多个贯穿该筒壁的螺旋槽，以有效地将超声振子提供的纵振能量转化为扭纵振动的能量，并增强其能量传递效率/效果；(2)通过对螺旋槽的宽度、长度、螺旋角、螺距、数量等的关联设置，能够有效提高对超声振子纵振能量的转化和传递。同时，通过对超声振子的改进，进一步提高其能量传递效率。附图说明图1为根据本专利技术实施例中一种纵扭超声振动加工装置的正视图；图2为根据本专利技术实施例中一种纵扭超声振动加工装置图1中的A-A剖视图；图3为根据本专利技术实施例中一种纵扭超声振动加工装置图1中的C-C剖视图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。参见图1所示，一种纵扭超声振动加工装置，包括超声振子和变幅杆，变幅杆能够将超声振子提供的纵向超声振动转化为纵向和周向的纵扭复合振动。变幅杆直接连接于超声振子的一端。变幅杆与超声振子直接相连而成为整体，能够避免超声能量在两部件之间传递时的损失。该变幅杆包括第一级变幅杆9和用于固定加工工具的第二级变幅杆，第一级变幅杆9的一端与第二级变幅杆的一端相连接，且第一级变幅杆9与第二级变幅杆同轴。进一步地，参见图2所示，第一级变幅杆9为中空筒状结构，第一级变幅杆9的内径比第一级变幅杆9的外径的1/2要大。第一级变幅杆9采用中空筒状的结构，能够提高对超声振子纵向振动的转换效率，从而有效提高纵振能量转化为扭转能量的效率。第一级变幅杆9中空的部分太小，其将纵振转换为纵扭复合振动的效率较低；第一级变幅杆9中空的部分太大，也即第一级变幅杆9的筒壁的厚度太薄，会影响装置刚度和加工稳定性。具体地，使第一级变幅杆9的内径为第一级变幅杆9的外径的3/4时，其强度和转化效率均可达到较好的效果。进一步地，第一级变幅杆9的长度由超声振动半波长设计长度所决定，其设计满足频率方程：k1·l1＝π(1)其中，k1为第一级变幅杆所用材料的圆波数，l1为第一级变幅杆长度。具体地，超声波在不同的材料中的传播速度不一样。第一级变幅杆9的长度与其所选用的材料相关。当采用某种材料时，合理设置第一级变幅杆9的长度，能够提高第一级变幅杆9对超声振动能量的转换和传递效率。在第一级变幅杆9的筒壁上开设有多个螺旋槽10。螺旋槽10的螺旋线所围绕的包络面为第一级变幅杆9的外壁面，螺旋槽10的轴线与变幅杆9同轴。螺旋槽10的一端靠近第一级变幅杆9的筒壁一端，螺旋槽10的另一端靠近第一级变幅杆9的筒壁的另一端。即螺旋槽10的两端与对应的筒壁的两端间隔一定距离。并且，螺旋槽10贯穿第一级变幅杆9的筒壁。参见图3所示，螺旋槽10贯穿第一级变幅杆9的筒壁，使螺旋槽10与第一级变幅杆9的中空部分相连通，极大地提高了纵振转化为扭振的转换效率。在一个具体的实施例中，螺旋槽10的截面形状为四边形。降低了螺旋槽加工难度，同时，平的槽面提高了能量反射率，增加了能量转化效率，减少能量的衰减。在另一个具体的实施例中，螺旋槽10的数量为四个或六个；螺旋槽10的螺旋角为90-100°；螺旋槽10的螺距为80-120mm。具体地，通过合理的布置螺旋槽10的数量及其螺距和螺旋角，并配合变幅杆的长度设置，可以实现频率简并，使超声纵振频率和超声扭振频率实现耦合，更好地提高能量转换效率，使超声振子产生的部分纵向振动转化为扭转振动，提高扭本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纵扭超声振动加工装置，其特征在于，包括超声振子和将所述超声振子提供的纵向超声振动转化为纵扭复合振动的变幅杆，所述变幅杆连接于所述超声振子的一端；所述变幅杆包括第一级变幅杆和第二级变幅杆；所述第一级变幅杆为中空筒状，所述第二级变幅杆固定于所述第一级变幅杆一端且用于固定加工工具，所述第一级变幅杆的内径大于所述第一级变幅杆的外径的1/2，且所述第一级变幅杆的筒壁上开设有多个贯穿所述筒壁的螺旋槽。

【技术特征摘要】
1.一种纵扭超声振动加工装置，其特征在于，包括超声振子和将所述超声振子提供的纵向超声振动转化为纵扭复合振动的变幅杆，所述变幅杆连接于所述超声振子的一端；所述变幅杆包括第一级变幅杆和第二级变幅杆；所述第一级变幅杆为中空筒状，所述第二级变幅杆固定于所述第一级变幅杆一端且用于固定加工工具，所述第一级变幅杆的内径大于所述第一级变幅杆的外径的1/2，且所述第一级变幅杆的筒壁上开设有多个贯穿所述筒壁的螺旋槽。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述螺旋槽的截面形状为四边形。3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述螺旋槽的数量为四个或六个，所述螺旋槽的螺旋角为90-100°，螺距为80-120mm。4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述螺旋槽的长度满足以下关系：其中，l为螺旋槽的长度，p为螺距，θ为螺旋槽的螺旋角。5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述螺旋槽的宽度满足以下关系：其中，b为螺旋槽的宽度，R为第一级变幅杆的外径，r为第一级变幅杆的内径，p为螺距，n为螺旋槽的数量。6.如权利要求5所述的装置，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁松梅，路宜霖，李真，李麒麟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11