專利名稱：階梯中置式超聲振動切削裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種切削加工中使用的超聲振動切削裝置。
超聲振動切削是超聲波物理與切削原理相結合的邊緣新技術，它在切削各種難以磨削而對表面質量及精度要求較高的零件時，具有優(yōu)異的工藝效果。日本、蘇聯、美國、中國等在這方面的研究較多。目前，在國內外超聲振動切削應用中存在的主要問題是缺乏一種更為穩(wěn)定、使用方便的超聲振動切削裝置。
超聲振動切削裝置是由超聲波發(fā)生器、換能器、縱振動變幅桿及彎曲振動刀桿(刀具)等部分組成。由超聲波發(fā)生器發(fā)出高頻電訊號經換能器轉化為高頻機械振動，再由縱振動變幅桿將振動的振幅放大并施加在彎曲振動刀桿上，彎曲振動刀桿以橫波的形式諧振。
國內外現有這類超聲振動切削裝置中，都采用等截面的彎曲振動刀桿或刀尖位于中性層附近、并按等截面彎曲振動刀桿設計的同類刀桿，使得重要的變幅功能集中由縱振動變幅桿承擔，即只依靠縱振動變幅桿的一級變幅作用，力求在刀尖處獲得較大的振幅。但是，這種振動系統(tǒng)無法解決如下矛盾1)高振幅的獲得與系統(tǒng)結構小巧性的矛盾。為了便于實際應用，總是希望聲學頭(由換能器和縱振動變幅桿組成)體積越小越好，但通常獲得大振幅的辦法是采用多級復合式縱振動變幅桿級聯，從而導致結構龐大。2)縱振動變幅桿的工作穩(wěn)定性與變幅比的矛盾。如錐形縱振動變幅桿雖然有較好的工作穩(wěn)定性和加工工藝性，但在超聲振動切削系統(tǒng)研制中，常因變幅比小而不采用。3)彎曲振動刀桿的高振幅振動與刀桿夾固的矛盾。彎曲振動刀桿由于切削時承受切削力，必須在節(jié)點附近夾固，刀桿振動振幅越大，夾固越困難。此外，當刀具重磨以后刀桿長度發(fā)生變化，再夾固時不易諧振。
總之，傳統(tǒng)裝置為了在刀尖處獲得較大的振幅而使用的聲學頭往往不適合于超聲振動切削，裝置在使用中一般需要反復調整才能諧振，刀具重磨以后，彎曲振動刀桿長度發(fā)生變化，不易諧振。
本發(fā)明的目的就是為了解決現有超聲振動切削裝置所存在的以上問題，所設計的一種可實現二級變幅的超聲振動切削裝置。
本發(fā)明所述的超聲振動切削裝置主要是由冷卻水套(1)、超聲換能器(2)、縱振動變幅桿(3)、彎曲振動刀桿(4)、刀桿夾具(5)等組成，其特征在于彎曲振動刀桿(4)是中間粗、兩端細，其高度比等于1/2或小于1/2，寬度比等于1/2或小于1/2的對稱式階梯桿(即(7)段與(4)段之比)，在桿兩端都設有刀片，其細段與粗段截面積之比小于或等于1/4，并在兩個截面突變(8)、(9)處夾固，這種結構的刀桿具有變換彎曲振動振幅(即二級變幅)的功能以及使激振點(即縱振動變幅桿與彎曲振動刀桿的連接點)位置準確的特點，一支刀桿相當于兩把刀具。
根據理論和實驗研究發(fā)現按一定條件設計的階梯式彎曲振動刀桿，當其諧振時，粗段與細段具有不同的振動位移分布規(guī)律，經理論推導，細段端面(即刀尖處)振動振幅與粗段波腹點(激振點處)振幅之比R為
R＝1.41[β1β2T11λ11(T12λ12-I1T21λ21/I2·(1+COSλ12L2)+T22λ22COSλ12L2)+β1β2(I1T11λ11/I2+T22λ22).
T21λ21COSλ12L2COSλ11L1-β1α2T11λ21T21(I1P11/T12+I2P22/T12)Sinλ12L2Sinλ11L1+β1β2T21λ21(T12λ12+T11λ11I1/I2)COSλ11L1]式中各符號意義如下T1i= (ρω2)/(K′Gλ1′) + λ1i；T21= λ21- (ρω2)/(K′Gλ2′) ；P1i=Eλ1i2-ρω2;]]>p2l=Eλ2l2+ρω2]]>αi=1/EIi(λ1i2+λ2i2);]]>βi=1/(T1iλ1i+T2iλ2i)]]>E、ρ、G為彎曲振動刀桿材料特性參數;K′為截面剪應力分布不均勻系數，I1為截面轉動慣量;S1為截面積;
λ1i= ［ a / 2 + (a2/ 4 + b1)1/2］1/2;
λ2i= ［ -a / 2 + (a2/ 4 + b1)1/2］1/2;
a=(1+E/K′G)ω2/C2;
b1= ω2Si / C2Ii·(1 - (ω2)/(C2) · (Ii)/(SI) · (E)/(K′G)C＝(E/ρ)1/2;
ω＝2πf(f為振動頻率);
i＝1、2。
當階梯式彎曲振動刀桿的細段長度L2＝9mm，粗段長度、寬度、高度分別是L1＝100mm、b1＝20mm、h1＝15mm時，用公式(1)算出的二級變幅比R隨細段與粗段的高度比h2/h1、寬度比b2/b1變化的理論曲面見圖5。相同條件下由實驗得到的R的實際曲面見圖6，圖中每一個網格交點均為一個實驗點。由圖可見，理論計算曲面與實驗曲面基本上是相吻合的。
對于超聲振動切削裝置中常用的彎曲振動刀桿尺寸系列，彎曲振動二級變幅比R一般可達2-4。采用該技術方案后，較好地解決了前述問題即1)采用非復合式一般縱振動變幅桿即可在刀尖處獲得較大的振幅。2)使得振動系統(tǒng)可以采用一些工作性能穩(wěn)定、受負載波動影響小的縱振動變幅桿(如錐形變幅桿)，而進一步增大變幅比的任務由彎曲振動刀桿承擔。3)雖然刀尖處振幅較大，但粗段振動并不強烈，因而有利于刀桿夾固。4)由于采用對稱式雙刀頭結構，不但支承跨距大、剛度好，而且由于一端磨損后可用另一端，然后兩端同時重磨，因而使重磨后激振點的位置仍然比較準確地位于彎曲振動刀桿中部的波腹點處。
本發(fā)明所述的超聲振動切削裝置與現有技術相比，具有刀具安裝方便、諧振調整容易、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，無論是新刀還是重磨后的刀具，安裝后只要稍加調整電發(fā)生器頻率旋扭即可諧振，刀桿夾固可靠，各連聯點及夾固點發(fā)熱少，接近室溫，刀桿夾具精度要求比較低，制造工藝簡單。
附

圖1是本發(fā)明所述的超聲振動切削裝置結構圖;
圖2是圖1的側視圖;
圖3是彎曲振動刀桿的結構圖;
圖4是圖3的側視圖;
圖5是用公式(1)算出的二級變幅比R隨截面尺寸變化的理論曲面圖;
圖6是由實驗驗證得到的二級變幅比R隨截面尺寸變化的實際曲面圖;
圖1、2、3中，(1)為冷卻水套，(2)為超聲換能器，(3)為縱振動變幅桿，(4)為彎曲振動刀桿，(5)為刀桿夾具，(6)為硬質合金刀片，(7)為刀桿細段，(8)、(9)為截面突變處。
圖5、6中，b2/b1為階梯式彎曲振動刀桿細段和粗段的寬度比，h2/h1是細段和粗段的高度比，R為二級變幅比。
附圖1、2是本發(fā)明所述的超聲振動切削裝置的實施例，彎曲振動刀桿(4)做成對稱階梯形，中間粗、兩端細，即(4)段粗，(7)段細，其高度之比等于或小于1/2，寬度之比等于或小于1/2，細段與粗段截面積之比約為1/4，在粗段中部設有錐孔與縱振動變幅桿(3)連接，在縱振動變幅桿輸出端振幅小于8μm時，在刀尖處可以獲得15μm以上的振幅。用刀桿夾具在彎曲振動刀桿的側面夾緊。
權利要求
1.一種主要由冷卻水套(1)、超聲換能器(2)、縱振動變幅桿(3)、彎曲振動刀桿(4)、刀桿夾具(5)組成的超聲振動切削裝置，其特征在于彎曲振動刀桿(4)是中間粗、兩端細其高度比等于1/2或小于1/2，寬度比等于1/2或小于1/2的對稱式階梯形桿，在刀桿兩端都有硬質合金刀片，其細段與粗段截面積之比小于或等于1/4，并在兩個截面突變(8)、(9)處夾固。
全文摘要
本發(fā)明是一種超聲振動切削裝置。其特征是將傳統(tǒng)的等截面彎曲振動刀桿設計成階梯對稱式彎曲振動刀桿，其細段與粗段截面積之比小于或等于1/4，并在粗、細段截面突變處附近夾固。該階梯彎曲振動刀桿具有二級變幅的功能，從而使振動系統(tǒng)的制造，調諧、使用及刀具重磨等均很方便，特別是刀具重磨后重新安裝使其諧振較容易。
文檔編號B23B37/00GK1050837SQ8910783
公開日1991年4月24日 申請日期1989年10月10日 優(yōu)先權日1989年10月10日
發(fā)明者王立江, 趙繼, 李華 申請人:吉林工業(yè)大學