[發(fā)明專利]一種蜂窩芯超聲切削刀柄

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810157223.7
• 申請日: 2018-02-24
• 公開（公告）號: CN108436184B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董志剛;康仁科;王毅丹;朱祥龍;劉津廷;韓坤;賈振元
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: B23Q3/00
• 分類號: B23Q3/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 趙淑梅;李洪福

本發(fā)明公開了一種蜂窩芯超聲切削刀柄，其特征在于，包括刀柄，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，換能器、一級變幅桿、二級變幅桿、超聲切削刀具和超聲電能傳輸機(jī)構(gòu)。本發(fā)明提出了一種具有大振幅輸出能力的，同時(shí)考慮不同振動系統(tǒng)間的互換性要求的蜂窩芯超聲切削刀柄，解決了超聲切削刀柄在通用機(jī)床上的適用性難題，提高了超聲切削的自動化水平。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種蜂窩芯超聲切削刀柄，屬于蜂窩芯材料超聲切削加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)

蜂窩芯材料作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)的填充材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。蜂窩芯材料超聲切削具有加工效率高、加工后表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，相對傳統(tǒng)的高速銑削方法具有明顯的加工優(yōu)勢。

蜂窩芯材料超聲切削需要專用的超聲切削裝備。為了加工出不同形狀要求的蜂窩芯零件，除了需要多軸聯(lián)動的蜂窩芯超聲切削機(jī)床外還要配備具有大振幅輸出性能的超聲切削刀柄才能實(shí)現(xiàn)。超聲切削刀柄作為超聲切削加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能好壞直接影響到蜂窩芯零件的加工質(zhì)量。

傳統(tǒng)的超聲輔助加工，超聲振幅較小，如超聲輔助磨削，要求砂輪高速回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速一般＞3000r/min，振幅范圍在2～10微米，主要在超聲振動沖擊輔助下，以砂輪的高速劃擦去除材料；超聲輔助鉆削，鉆頭轉(zhuǎn)速范圍在500～3000r/min，要求超聲振幅大于10微米，在超聲振動輔助作用下以切削刃的高速切削作用去除材料；而蜂窩芯的超聲切削加工過程中，直刃尖刀不回轉(zhuǎn)，圓盤刀轉(zhuǎn)速很低，一般小于1500r/min，主要靠刀具的超聲振動去除材料，這就要求超聲振動系統(tǒng)振幅大于30微米；因此要求超聲系統(tǒng)的放大倍數(shù)要是傳統(tǒng)振動系統(tǒng)振動放大倍數(shù)的5～10倍。因此大振幅放大倍數(shù)的振動系統(tǒng)設(shè)計(jì)是超聲切削刀柄難點(diǎn)。

超聲輔助磨削和超聲鉆削刀柄對于系統(tǒng)振幅需求較小，往往采用換能器直接帶動一級四分之一波長變幅桿的方案，振動系統(tǒng)整體直徑和長度較小。超聲刀柄后端采用標(biāo)準(zhǔn)錐柄與機(jī)床連接，超聲刀柄前端與超聲刀具連接。因?yàn)樵擃惖侗惑w內(nèi)僅含換能器，一級變幅桿懸出在刀柄腔體外，使得這種超聲刀柄具有體積小、安裝簡單，拆卸方便等特點(diǎn)，可以在不改變機(jī)床本體結(jié)構(gòu)的情況下，通過簡單的刀柄形式實(shí)現(xiàn)超聲磨削和鉆削功能。與超聲磨削和鉆削刀柄不同，超聲切削刀柄往往需要設(shè)計(jì)專用的多級振動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜的刀柄結(jié)構(gòu)也是超聲切削刀柄的設(shè)計(jì)難題。

超聲輔助磨削和鉆削加工由于超聲功率需求較低，換能器及其各個配合面之間的發(fā)熱有限，往往采用自然冷卻的方式，換能器及其各個配合面之間不用設(shè)計(jì)特殊的結(jié)構(gòu)形式。而超聲切削所需的功率大，各個配合面之間發(fā)熱嚴(yán)重，需要設(shè)計(jì)特殊的內(nèi)冷結(jié)構(gòu)才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。超聲切削刀柄的穩(wěn)定可靠工作及其內(nèi)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是制約超聲切削應(yīng)用的瓶頸。

由于蜂窩芯超聲切削刀柄以大振幅超聲輸出為目標(biāo)，需要采用特殊設(shè)計(jì)的半波長或整波長振動系統(tǒng)，因此振動系統(tǒng)的長度和直徑大，如果沿用傳統(tǒng)的超聲刀柄設(shè)計(jì)思路，刀柄腔體將包含換能器、一級變幅桿和二級變幅桿三部分，刀柄整體尺寸大和重量沉。刀柄過長會減小機(jī)床的有效行程，影響機(jī)床的動作；刀柄重量過大會超出機(jī)床主軸的承載能力，給機(jī)床的安全運(yùn)行帶來隱患。同時(shí)刀柄尺寸過大又給換刀帶來不便，需要設(shè)計(jì)專用的換刀機(jī)構(gòu)，無法在單人操作下實(shí)現(xiàn)人工換刀；若采用自動換刀方式，則需要設(shè)計(jì)特殊的刀庫和換刀裝置，增加了機(jī)床設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。如何保證超聲切削刀柄的適用性，解決與機(jī)床的集成以及與不同振動系統(tǒng)之間的切換的互換性問題，也是超聲切削刀柄的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

針對超聲切削刀柄大振幅的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和與機(jī)床的有效集成問題，目前常采用兩種方案：

第一種方案是設(shè)計(jì)具有特殊連接接口的專用超聲切削主軸。機(jī)床主軸通過特殊連接接口與超聲切削刀柄的前端進(jìn)行連接，并為超聲切削刀柄提供定位加持功能和回轉(zhuǎn)運(yùn)動。此類專用超聲切削刀柄要求在機(jī)床在設(shè)計(jì)之初就綜合考慮超聲切削系統(tǒng)的軸向和徑向尺寸，將超聲切削系統(tǒng)合理地內(nèi)置在機(jī)床主軸中，并通過設(shè)計(jì)機(jī)床的行程，以滿足超聲切削蜂窩芯零件的實(shí)際加工需求。但此類超聲切削刀柄的接口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要一系列復(fù)雜的換刀機(jī)構(gòu)和換刀流程，并且此類超聲刀柄只能結(jié)合專用機(jī)床使用，無法滿足通用機(jī)床的使用需求。