一种超声振动切割工作头的制作方法

本发明属于超声振动复合加工技术领域，特别是涉及一种超声振动切割加工装置，在数控铣钻床上复合上超声振动切割工作头共同组成五自由度超声振动切割装置，主要用于高效精密切割加工。

背景技术：

近年来世界复合材料工业蓬勃发展，复合材料作为最新发展起来的一大类新型材料，对科学技术的发展产生了极大的推动作用。复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料具有新的特殊性能。复合材料具有比强度和比模量高，抗疲劳性能好，减振性能强，减摩、耐磨、自润滑性好，耐热性高，复合材料构件制造工艺简单，断裂安全性高等一系列的优点。基于以上的优点复合材料具有广泛的应用前景，例如在航空航天领域，复合材料在飞行器上所占据的比重日益增加，复合材料在飞行器上的广泛应用极大地减轻了飞行器的重量，提高的飞行器的动力性能，减少了燃料的消耗。但是对复合材料的加工工艺还存在缺陷，限制了复合材料的更广泛应用。目前对复合材料的切割加工是主要的加工方法。在现代工业制造领域中，切割加工是应用面广泛、应用量很大的基础工艺之一，尤其是在工程机械制造行业，切割加工工作量占有很大的比重，切割的质量和效率与生产的质量和效率密切相关。随着科学技术的进步，多能源、多种工艺方法的现代切割技术取得突破性进展，从单一的氧乙炔火焰热切割发展成为新型工业燃气火焰切割、等离子弧切割、电火花切割、激光切割、水射流切割现代切割技术。但是对于复合材料的切割，尤其是对不防水、不耐高温易发生碳化的复合材料以上切割方法不再适用。

基于以上原因，本发明注重研究一种超声振动切割工作头。超声振动切割技术具有切割力小、不产生切屑、加工表面质量好、加工效率高、加工范围广等优点，为切割加工提供了新途径。在超声振动切割加工过程中，由于振幅可达到几十微米的超声频的振动作用到刀片上，使刀片沿超声振动系统轴线往复振动，由于振动频率一般为20khz左右，因此刀片的振动速度远大于刀片进给速度，所以在超声振动切割过程中刀片与材料之间是接触-分离-接触的断续切割形式，因此可以有效的减小切割力保证加工表面质量提高加工效率。本发明将超声振动切割工作头复合到数控铣钻床上，可以实现超声振动切割对刀具前倾角的要求，前倾角可以使切割过程变为滑切过程，并且增大了超声振动在进给方向上的分量，有效减小切割力。本专利发明结构简单，易于加工，装拆方便，对切割加工具有明显优势。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超声振动切割工作头。将超声振动切割工作头复合到数控铣钻床上，可实现五自由度的超声振动切割装置，且结构简单，易于加工，装拆方便。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超声振动切割工作头，超声振动切割工作头复合在数控铣钻床上，其特征在于，工作头主要包括刀片、刀片卡具、变幅杆、换能器；刀片与变幅杆通过刀片卡具连接，刀片卡具通过螺纹连接的形式与变幅杆连接，保证刀片中心线与变幅杆中心线重合；变幅杆外侧轴肩上套接有轴肩上压板和轴肩下压板，轴肩上压板通过螺栓和轴肩下压板固接；轴肩下压板通过螺栓固定在悬梁上；

变幅杆与换能器低部连接，换能器上部紧固设有换能器压板，换能器压板通过螺栓固定到悬梁上；悬梁通过螺栓与法兰一上的连接块固定连接，法兰一通过几个支撑块与法兰二连接；悬梁、轴肩上压板、轴肩下压板和换能器压板实现超声换能器、变幅杆的轴向与径向固定，保证在超声振动切割加工过程中工作头可靠固定，不会由于超声振动而发生松动现象，超声频的电信号通过超声换能器转换为超声频的机械振动，机械振动传递到设计的半波长圆截面阶梯形变幅杆，可将振幅放大到几十微米量级；将超声振动的能量有效地传递到刀尖的前端；悬梁通过法兰二固定架连接到数控铣钻床的z向移动平台的法兰三上，该法兰二和法兰三可以实现0-90°的转角，因此满足超声振动切割加工对刀具前倾角的要求。

本发明的优点：

1、本发明的超声振动切割工作头复合到数控铣钻床上，具有可靠性高，工作空间大，加工效率高，表面质量好，无切屑产生，加工范围广等优点。

2、本发明可以实现超声振动切割刀具的前倾角，并且前倾角的大小是连续可调的，前倾角是超声振动切割技术的重要参数。

3、本发明的刀片卡具结构简单并且更换刀片方便快捷。

4、本发明实现了超声振动切割加工，且结构简单，安装方便，切割力小，无切屑产生，绿色环保。

附图说明

图1为本发明的超声振动切割工作头的结构示意图；

图2为图1与数控铣钻床装配示意图；

图3为刀片与刀片卡具装配示意图；

图4为超声振动切割系统示意图；

图5为侧视图。

具体实施方式

下面结合附图1-5和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种超声振动切割工作头，超声振动切割工作头复合在数控铣钻床上，其特征在于，工作头主要包括刀片1、刀片卡具2、变幅杆5、换能器6；

刀片1与变幅杆通过刀片卡具2连接，刀片卡具2通过螺纹连接的形式与变幅杆5连接，保证刀片1中心线与变幅杆5中心线重合；

变幅杆5外侧轴肩上套接有轴肩上压板4和轴肩下压板3，轴肩上压板4通过螺栓和轴肩下压板3固接；轴肩下压板3通过螺栓固定在悬梁11上；

变幅杆5与换能器6低部连接，换能器6上部紧固设有换能器压板8，换能器压板8通过螺栓固定到悬梁11上；

悬梁11通过螺栓与法兰一12上的连接块10固定连接，法兰一12通过几个支撑块15与法兰二16连接；

悬梁11、轴肩上压板4、轴肩下压板3和换能器压板8实现超声换能器6、变幅杆5的轴向与径向固定，保证在超声振动切割加工过程中工作头可靠固定，不会由于超声振动而发生松动现象，超声频的电信号通过超声换能器转换为超声频的机械振动，机械振动传递到设计的半波长圆截面阶梯形变幅杆，可将振幅放大到几十微米量级；将超声振动的能量有效地传递到刀尖的前端；悬梁11通过法兰二固定架连接到数控铣钻床的z向移动平台的法兰三19上，该法兰二16和法兰三19可以实现0-90°的转角，因此满足超声振动切割加工对刀具前倾角的要求。

所述加工刀片通过刀片卡具连接。

所述悬梁通过过盈配合的连接方式用内六角螺钉施加一定的预紧力对超声振动割工作头固定。

所述悬梁固定方式可以调整角度，保证加工过程中进给方向在刀片所在平面内。

所述法兰式固定架通过调整角度，使在刀片所在平面内刀刃与进给方向形成一定角度并完成超声振动切割加工。

实施例

如图1～图5所示，刀片1通过刀片卡具2与变幅杆5连接，刀片卡具2通过螺纹连接方式与变幅杆5连接，超声振动切割系统通过悬梁式固定装置用内六角螺钉预紧的方式使其达到可靠的固定，在超声振动切割加工过程中，通过调整超声振动系统的角度使进给方向在刀片1所在平面内，悬梁式固定装置通过连接块10用螺栓连接的方式与法兰式固定架连接，法兰式固定架由法兰12、法兰16和支撑块15通过内六角螺钉进行连接，连接过程中保证法兰12、法兰16与支撑块15之间的垂直度。法兰16与机床法兰19通过螺栓20连接，使超声振动切割工作头复合到数控铣钻床上，形成可靠性高、加工性能良好的超声振动切割加工装置。启动超声波发生器，将20khz左右的超声频电信号传递到换能器6，换能器6将电信号转换为机械振动信号，通过变幅杆5和刀片卡具对振幅进行放大，刀刃处振幅达到几十微米便可用于超声振动切割加工。数控铣钻床的工作台18可实现xy平面的进给运动，通过数控程序规划加工路径和进给速度，机床法兰19可以实现z方向的运动，通过编写数控程序改变超声切割加工的切割深度，调整法兰16与机床法兰19的安装角度，可使在刀片所在平面内刀刃与进给方向形成一定角度，从而使刀片与加工材料在进给方向上形成前倾角，可有效减小切割力。待设定好进给路径、切割深度、刀刃方向和前倾角后即可进行超声振动切割加工，可对加工材料进行快速分割、切割成型、快速去除余料、尖角的外形加工等。