一種可快速更換刀具的超聲變幅桿的制作方法
【專利摘要】一種可快速更換刀具的超聲變幅桿它由圓錐-圓柱復合型變幅桿和工具適配器組成，二者通過螺紋連接；該圓錐-圓柱復合型變幅桿，在變幅桿圓錐段大端面中心處設(shè)有連接螺柱，在變幅桿圓錐段處設(shè)有帶連接螺紋孔的節(jié)面法蘭盤，在變幅桿圓柱段的末端設(shè)有外螺紋，在變幅桿圓柱段的預定位置布置復數(shù)個具有特定幾何參數(shù)的圓環(huán)斜槽；該圓錐-圓柱復合型變幅桿通過大端面處的連接螺柱與換能器的輸出端通過細螺紋進行連接，保證能量均衡傳遞，減少能量損失；該工具適配器外部結(jié)構(gòu)為階梯形圓柱體，大端中心開設(shè)螺紋盲孔，小端中心處開設(shè)錐形盲孔。本發(fā)明是一種適用于旋轉(zhuǎn)超聲振動加工的結(jié)構(gòu)可調(diào)的超聲變幅桿，有較好的應用前景。
【專利說明】一種可快速更換刀具的超聲變幅桿
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可快速更換刀具的超聲變幅桿，它屬于旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助加工裝置領(lǐng)域。通過設(shè)計的工具適配器(用于匹配不同尺寸的工具)與變幅桿相連，可解決更換刀具后旋轉(zhuǎn)超聲振動系統(tǒng)需重新進行頻率調(diào)節(jié)，阻抗匹配，操作復雜，耗費工時等問題。另外，通過在變幅桿上開設(shè)圓環(huán)斜槽，使得變幅桿在放大超聲振幅的同時，將換能器傳遞來的縱向振動轉(zhuǎn)換成縱扭共振的形式輸出，從而可更好的將超聲振動能量用于旋轉(zhuǎn)超聲振動加工中。
【背景技術(shù)】
[0002]在旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助加工中，換能器產(chǎn)生的振幅一般為幾個微米，很難滿足加工要求，因此，需要通過變幅桿放大超聲振幅以達到滿足加工要求的振幅(通常為十幾個到幾十個微米)。在超聲加工中，變幅桿的大端面與換能器的輸出端相連，小端面接工具，根據(jù)聲波能量在傳遞過程中的能量守恒(桿件間傳遞過程中的能量損失較小，可忽略不計)，通過變幅桿單位面積的超聲能量不變，在輸出端的超聲振幅將被放大。
[0003]超聲變幅桿又稱超聲變速桿、超聲聚能器，在超聲技術(shù)中，特別是在高聲強超聲設(shè)備的振動系統(tǒng)中是很重要的，廣泛應用于功率超聲領(lǐng)域。超聲變幅桿的主要作用是把機械振動的質(zhì)點位移或速度放大，或者將超聲能量聚集到較小的面積上，即聚能作用。超聲變幅桿根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同可分為指數(shù)形變幅桿、階梯形變幅桿、懸鏈線形變幅桿、圓錐形變幅桿等，這些均屬于單一型變幅桿。此外，為改善變幅桿的某些性能，如提高形狀因數(shù)、增加放大系數(shù)等，出現(xiàn)了一些復合型變幅桿。復合型變幅桿由兩種或兩種以上的單一變幅桿組合而成，本發(fā)明就屬于復合型變幅桿。
[0004]在超聲輔助加工中，一般要求工具的振動方向與工具的進給方向一致或者在進給方向上具有振動分量，以達到良好的超聲振動加工效果。如在旋轉(zhuǎn)超聲鉆削加工中，要求工具作縱向振動，超聲車削加工中要求工具作橢圓振動等。而在旋轉(zhuǎn)超聲銑削加工中，要求工具具有扭轉(zhuǎn)方向或者水平方向的振動。在工程應用中，實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動的方式一般有兩種:采用扭轉(zhuǎn)振動換能器；采用特殊結(jié)構(gòu)的變幅桿將縱向振動轉(zhuǎn)換成扭轉(zhuǎn)振動。本發(fā)明中通過在變幅桿輸出端均布圓環(huán)斜槽來實現(xiàn)振型的轉(zhuǎn)換，即將換能器輸出的縱向振動轉(zhuǎn)換成縱扭共振在變幅桿末端輸出。
[0005]在超聲輔助加工中，由于刀具的更換，超聲系統(tǒng)的阻抗、諧振頻率將發(fā)生變化，需通過調(diào)整超聲電源的輸出頻率等來進行調(diào)諧處理，操作復雜，耗費工時。由于變幅桿與工具直接相連，可考慮調(diào)整變幅桿的結(jié)構(gòu)來補償?shù)毒吒鼡Q所帶來的阻抗、諧振頻率的變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種可快速更換刀具的超聲變幅桿，它是一種適用于旋轉(zhuǎn)超聲振動加工的結(jié)構(gòu)可調(diào)的超聲變幅桿，以解決上述問題。
[0007]本發(fā)明的具體實現(xiàn)方式如下:[0008]一種可快速更換刀具的超聲變幅桿(如圖1所示)，由圓錐-圓柱復合型變幅桿和工具適配器(用于匹配不同尺寸的刀具)組成，二者通過螺紋連接。該圓錐-圓柱復合型變幅桿在變幅桿圓錐段大端面中心處設(shè)有連接螺柱，在變幅桿圓錐段處設(shè)有帶連接螺紋孔的節(jié)面法蘭盤，在變幅桿圓柱段的末端設(shè)有外螺紋；在變幅桿圓柱段的預定位置可布置若干具有特定幾何參數(shù)的圓環(huán)斜槽。該工具適配器外部結(jié)構(gòu)為階梯形圓柱體，大端中心開設(shè)螺紋盲孔，小端中心處開設(shè)錐形盲孔。
[0009]圓錐-圓柱型變幅桿圓柱段的末端與工具適配器通過螺紋連接。通過調(diào)整該變幅桿的旋入深度，可保證該變幅桿與工具適配器無縫配合，減少能量在連接處的損失。圓錐-圓柱型變幅桿的節(jié)面法蘭盤外緣均布連接螺紋孔，通過螺栓與外部相連。工具適配器小端中心處開設(shè)錐形盲孔，用于裝卡ER夾頭(一種用于裝卡刀具的結(jié)構(gòu)，與ER螺母配合使用)，同時，在小端直徑的外圈攻細螺紋，裝配ER螺母。
[0010]圓錐-圓柱型變幅桿的圓柱段預定位置處開設(shè)具有特定幾何參數(shù)的圓環(huán)斜槽，當縱波傳到斜槽位置處時，經(jīng)斜槽的反射和折射作用，縱波的振動方向?qū)l(fā)生改變，產(chǎn)生切向分量。由于斜槽寬度以及斜槽間距遠小于一個波長，且各個斜槽相互平行，當縱波傳播到斜槽處時，各個斜槽的作用效果相疊加，在輸出端將同時出現(xiàn)縱向振動和扭轉(zhuǎn)振動。
[0011]實際工作時，該圓錐-圓柱復合型變幅桿通過大端面處的連接螺柱與換能器的輸出端通過細螺紋進行連接(如圖2所示)，保證能量均衡傳遞，減少能量損失。
[0012]其中，所述的圓環(huán)斜槽特定的幾何參數(shù)設(shè)置如下:斜槽長度10?40mm，斜槽傾角15°?60°，深度2?5mm，寬度0.2?1mm，沿圓周方向均布數(shù)量為3?8個，斜槽與斜槽之間相互平行，且斜槽間距遠小于縱波在該變幅桿中傳播時的波長。
[0013]其中，該工具適配器小端中心處開設(shè)螺紋盲孔，與工具通過螺紋連接。
[0014]本發(fā)明的功能及優(yōu)點如下:
[0015](I)圓錐-圓柱復合型變幅桿的輸出端與特定結(jié)構(gòu)的工具適配器連接，工具適配器根據(jù)工具的結(jié)構(gòu)尺寸大小而設(shè)計，更換工具后可保證整個超聲振動系統(tǒng)仍處于諧振狀態(tài)，諧振頻率和阻抗值基本保持不變。從而大大節(jié)省了更換工具后，重新進行阻抗匹配的時間，有效提高旋轉(zhuǎn)超聲振動加工的效率。
[0016](2)圓錐-圓柱復合型變幅桿的圓錐段大端與連接螺柱做成一體，減少了連接環(huán)節(jié)；圓錐-圓柱復合型變幅桿圓柱端外螺紋長度大于工具適配器內(nèi)螺紋長度，通過調(diào)節(jié)旋入深度，可保證適配器與變幅桿單面定位，無縫連接，從而有效提高聲波的傳遞效率。
[0017](3)通過在圓錐-圓柱復合型變幅桿的圓柱段開設(shè)圓環(huán)斜槽，將換能器傳遞過來的縱向振動波形轉(zhuǎn)換成縱向振動波形和橫向振動波形，在輸出端的振動形式表現(xiàn)為縱扭共振，有利于提高旋轉(zhuǎn)超聲振動銑削加工的加工效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1 (a)為本發(fā)明的主視圖，圖1 (b)為本發(fā)明的側(cè)視圖。
[0019]1.連接螺柱；2.變幅桿圓錐段；3.連接螺紋孔； 4.節(jié)面法蘭盤；
[0020]5.外螺紋； 6.工具適配器； 7.變幅桿圓柱段；8.圓環(huán)斜槽。
[0021]圖2為換能器與圓錐-圓柱型變幅桿的連接示意圖。
[0022]其中換能器包括:9.后蓋板；10.壓電陶瓷片；11.預緊螺栓；12.前蓋板；13.絕緣管。14.圓錐-圓柱型變幅桿。
【具體實施方式】
[0023]見圖1 (a)、圖1 (b)，一種可快速更換刀具的超聲變幅桿，由圓錐-圓柱復合型變幅桿14和工具適配器6組成，二者通過螺紋連接。該圓錐-圓柱復合型變幅桿14，在變幅桿圓錐段2大端面中心處設(shè)有連接螺柱I，在變幅圓錐段處設(shè)有帶連接螺紋孔3的節(jié)面法蘭盤4，在變幅圓柱段7的末端設(shè)有外螺紋5 ;在變幅圓柱段的預定位置布置若干具有特定幾何參數(shù)的圓環(huán)斜槽8。該工具適配器6的外部形狀為階梯形圓柱體，大端開設(shè)內(nèi)螺紋盲孔與變幅桿圓柱段的外螺紋5螺接，小端內(nèi)開設(shè)圓錐形盲孔與刀具夾頭連接，小端外設(shè)置細螺紋與夾頭螺母連接。
[0024]實施方式一:
[0025]該圓錐-圓柱復合型變幅桿14為半波長變幅桿，圓錐段大端面連接螺柱I的直徑一般為變幅桿圓錐段2的大端直徑的1/4?1/3 ;節(jié)面法蘭盤4厚度在保證連接剛度的情況下，越小越好，一般選擇2?8mm ;變幅桿圓錐段2與該變幅桿的圓柱段7通過小圓弧過渡，避免應力集中；該變幅桿圓柱段7的外螺紋長度應大于工具適配器6的內(nèi)螺紋長度，以保證充分旋入，實現(xiàn)無縫接觸。工具適配器6的前端孔徑與ER卡頭配合來裝卡工具，或者通過內(nèi)螺紋與工具相連，可根據(jù)工具的質(zhì)量、長度、直徑等來更換不同規(guī)格的工具適配器6，保證系統(tǒng)處于諧振的工作狀態(tài)。
[0026]實施方式二:
[0027]該圓錐-圓柱復合型變幅桿14為半波長變幅桿，變幅桿圓錐段大端面連接螺柱I的直徑一般為變幅桿圓錐段2的大端直徑的1/4?1/3 ;節(jié)面法蘭盤4厚度在保證連接剛度的情況下，越小越好，一般選擇2?8mm ;變幅桿圓錐段2與該變幅桿圓柱段7通過小圓弧過渡，避免應力集中；該變幅桿圓柱段7的外螺紋長度應大于工具適配器6的內(nèi)螺紋長度，以保證充分旋入，實現(xiàn)無縫接觸。在該變幅桿的圓柱段7預定位置開設(shè)圓環(huán)斜槽8，斜槽長度10?40mm,斜槽傾角15°?60° ,深度2?5mm,寬度0.2?Imm,—般沿圓周方向均布3?8個；工具適配器6的前端孔徑與ER夾頭配合來裝卡工具，或者通過螺紋與工具相連，可根據(jù)工具的質(zhì)量、長度、直徑等來更換不同規(guī)格的工具適配器6，保證系統(tǒng)處于諧振的工作狀態(tài)。
[0028]見圖2，為換能器與圓錐-圓柱型變幅桿的連接示意圖，換能器中的后蓋板9、壓電陶瓷片10和前蓋板12，通過預緊螺栓11固連在一起，壓電陶瓷片10與預緊螺栓之間裝有絕緣管13，該換能器與圓錐-圓柱復合型變幅桿14上的連接螺柱I連接。這樣，就實現(xiàn)了將換能器輸出的縱向振動傳遞到圓錐-圓柱型變幅桿14末端輸出，通過在圓錐一圓柱復合型變幅桿的圓柱段預定位置開設(shè)圓環(huán)斜槽8，經(jīng)換能器傳遞來的縱向振動就會發(fā)生反射和折射，在末端以縱扭共振的形勢輸出。
【權(quán)利要求】
1.一種可快速更換刀具的超聲變幅桿，其特征在于:它由圓錐-圓柱復合型變幅桿和工具適配器組成，二者通過螺紋連接；該圓錐-圓柱復合型變幅桿在變幅桿圓錐段大端面中心處設(shè)有連接螺柱，在變幅桿圓錐段處設(shè)有帶連接螺紋孔的節(jié)面法蘭盤，在變幅桿圓柱段的末端設(shè)有外螺紋，在變幅桿圓柱段的預定位置布置復數(shù)個具有特定幾何參數(shù)的圓環(huán)斜槽；該圓錐-圓柱復合型變幅桿通過大端面處的連接螺柱與換能器的輸出端通過細螺紋進行連接，保證能量均衡傳遞，減少能量損失；該工具適配器外部結(jié)構(gòu)為階梯形圓柱體，大端中心開設(shè)螺紋盲孔，小端中心處開設(shè)錐形盲孔； 該圓錐-圓柱型變幅桿圓柱段的末端與工具適配器通過螺紋連接，通過調(diào)整該變幅桿的旋入深度，保證該變幅桿與工具適配器無縫配合，減少能量在連接處的損失；圓錐-圓柱型變幅桿的節(jié)面法蘭盤外緣均布連接螺紋孔，通過螺栓與外部相連；工具適配器小端中心處開設(shè)錐形盲孔，用于裝卡ER夾頭，同時，在小端直徑的外圈攻細螺紋，裝配ER螺母；圓錐-圓柱型變幅桿的圓柱段預定位置處開設(shè)具有特定幾何參數(shù)的圓環(huán)斜槽，當縱波傳到斜槽位置處時，經(jīng)斜槽的反射和折射作用，縱波的振動方向?qū)l(fā)生改變，產(chǎn)生切向分量；由于斜槽寬度以及斜槽間距遠小于一個波長，且各個斜槽相互平行，當縱波傳播到斜槽處時，各個斜槽的作用效果相疊加，在輸出端將同時出現(xiàn)縱向振動和扭轉(zhuǎn)振動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可快速更換刀具的超聲變幅桿，其特征在于:該圓環(huán)斜槽特定的幾何參數(shù)設(shè)置如下:斜槽長度10?40mm，斜槽傾角15°?60°，深度2?5mm，寬度0.2?1mm，沿圓周方向均布數(shù)量為3?8個，斜槽與斜槽之間相互平行，且斜槽間距遠小于縱波在該變幅桿中傳播時的波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可快速更換刀具的超聲變幅桿，其特征在于:該工具適配器小端中心處開設(shè)螺紋盲孔，與工具通過螺紋連接。
【文檔編號】B06B3/02GK103691656SQ201310698287
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】袁松梅, 胡俊杰, 張翀 申請人:北京航空航天大學