一种用于固体燃料的超声波辅助整形刀具的制作方法

本发明涉及机械加工领域，具体是一种用于固体燃料的加工修正超声波辅助整形刀具。

背景技术

目前，固体燃料的整形包括手工整形和机械整形，而这两种方法都是基于传统的手工刀具切割，或者机械运动带动刀具完成整形。由于固体燃料是易燃易爆的危险品，具有极高的摩擦感度，并且固体燃料具有很好韧性。在一般的手工整形过程中，固体燃料的整形刀具采用工具钢材质的碳钢整形刀具，由于固体燃料的韧性非常好，即使整形刀具相当锋利也需要操作人员对刀具施加较大的切削力才能将固体燃料切割分离开来。这样不但增大了操作人员的劳动强度，整形效率低。最重要的是，一旦施加的切削力过大，就很难防止钢质整形刀具滑出与金属壳体接触碰撞发出火花，这样就极易引起固体燃料燃烧爆炸，非常危险。

技术实现要素：

为降低现有技术中存在的危险性高、操作人员的劳动强度高的不足，本发明提出了一种用于固体燃料的超声波辅助整形刀具。

本发明包括超声波换能器、超声波变幅杆、整形刀头、壳体、温度传感器和湿度传感器。所述的超声波变幅杆的内端穿过壳体一端的端盖装入壳体内；超声波换能器位于壳体内，并通过连接螺栓固定在所述超声波变幅杆内端端面中心。所述的超声波变幅杆位于壳体外一端端面中心固定安装有整形刀头。温度传感器和湿度传感器分别固定在所述壳体的内表面，并使温度传感器位于所述超声波换能器一端，使湿度传感器位于所述超声波变幅杆一端。所述温度传感器的信号输出端通过数据线与控制箱的温度采集端连通，当温度传感器采集到的温度超过工艺要求的设定值时，通过温度控制模块终止位于该控制箱内的超声波发生器工作；所述湿度传感器的信号输出端通过数据线与控制箱的湿度采集端连通，当湿度传感器采集到的湿度超过工艺要求的设定值时，通过湿度控制模块终止位于该控制箱内的超声波发生器工作。

所述壳体有两层，分别是内层铝合金壳体和外层绝缘防爆壳体。所述的内层铝合金壳体为两个半圆筒形，当两个半圆筒形对合并通过两个卡圈将两个半圆筒形固定后，形成圆筒状的内层铝合金壳体。

所述的外层绝缘防爆壳体亦为两个半圆筒形，当两个半圆筒形对合并通过两个卡圈将两个半圆筒形固定后，形成圆筒状的外层绝缘防爆壳体。

所述内层铝合金壳体的内表面为所述壳体的内表面。在所述壳体的内表面固定有消静电连接桩。所述壳体一端的端面有用于引出数据线束的通孔；所述壳体另一端的端面有超声波变幅杆的过孔，并使该超声波变幅杆装入该过孔后，二者之间过盈配合。

所述超声波变幅杆为回转体。在该超声波变幅杆内端端面的中心有螺纹孔；在该超声波变幅杆外端端面的中心有整形刀头连接杆的插槽，安装时，将所述整形刀头连接杆装入该插槽内并固定。

所述超声波换能器上的正负极电流接线柱分别通过导线与控制箱内超声波发生器的正负极连通。所述整形刀头的刀头固定螺栓上连接有接地消静电导线，该接地消静电导线同时与位于壳体的内表面的固定消静电连接桩连通后，接入控制箱内的接地消静电接口。

所选用的超声波换能器的频率为10～40khz，功率为10～1000w。

本发明提出的超声波整形刀具完全区别于传统的整形刀具，它不需要很大的切削力，也不需要锋利的刀刃。传统的切割利用带有锋利刃口的刀具，当对刀具施加的压力足够大，集中在锋利的刀刃处材料所受的压强超出了材料的剪切强度时，材料才被切割分离开。

超声波整形刀具是在传统的整形刀具上施加具有周期性变化的超声频振动来辅助刀具切削，因此刀具与工件之间的接触是间断的，彻底的改变了传统的切割模式。由于超声波切割的这一特性，在切割过程中能避免刀具与工件的长时间的接触，这样不仅能够降低刀具与工件接触时产生的热量，并且降低加工温度，还能够避免刀具在切割过程中长时间的与工件挤压，增加了刀具的使用寿命的同时，也增加了加工精度。

与现有技术相比较，超声波辅助整形刀具具有以下优势：

(1)切削力大幅降低；

由于施加在整形刀具上的高频超声波产生的机械振动，改变了传统切削中压入式的切割模型，而采用的是利用超声振动来打开材料内部的分子结构，尤其是像固体固体燃料这类的交联粘合体系，强度低而韧性好，使用超声振动刀具进行切削整形，可大幅降低切削力。切削力的降低有两方面的好处。首先，可减小操作人员的劳动强度；第二，更为重要的是防止切削力过大，刀具滑出而碰撞到金属壳体，刀具与壳体碰撞摩擦产生火花将发生燃烧爆炸，切削力的减小将大幅降低此类危险性。

(2)机械整形的切削温度大幅度降低，提高安全性；

相对于机械整形，刀具在长时间和药柱之间保持较大切削力时，由于切削过程中的摩擦，刀具温度会升高而存在安全隐患。采用超声振动辅助整形刀具，由于切削力的减小，切削过程中与固体燃料之间的摩擦生热也相应减小，所以切削温度将大幅降低，提高了固体燃料机械整形的安全性。同时加工效率显著提高。

(3)整形刀具刀刃无需非常锋利，刀具磨损小，使用寿命延长；

(4)由于超声高频振动的存在固体燃料的粘刀现象被完全避免。

该超声辅助整形刀具主要由换能器、超声波变幅杆固定于由内层铝合金壳体、外层绝缘防爆壳体组成的腔体内，整形刀头固定于变幅杆端部。其中在由两层壳体形成的腔体内部还装备了温度传感器和湿度传感器，以及在内层铝合金壳体和变幅杆与整形刀头连接处串联了接地消静电导线。所有的传感器和换能器的连接线汇总由数据线束连接至外部控制箱。

控制箱是集成了超声波发生器、温度传感器、湿度传感器以及电流电压保护功能的控制模块。超声波辅助整形刀的工作原理是将控制箱传输过来的高频电信号通过换能器转换为相同频率的机械振动，而变幅杆则将该机械振动放大施加在端部的整形刀头。由此就实现了具有超声波辅助振动的整形刀。整形刀的壳体设置为内内层铝合金壳体的作用是，第一，置于内层的铝合金金属壳体可以起到将刀体内腔的静电吸收通过静电导线消除；第二，由于铝合金除了具有作为导体之外，还具有很高的热导率，一旦刀具腔体内部某部位温度过高都会由内层铝合金壳体吸收，壳体被加热升温。而温度传感器正好与内层铝合金壳体连接。这就很好的检测到刀具内腔的温度，防止温度过高发生危险；第三，铝合金密度小质量轻，可减轻刀具质量，并且铝合金作为金属材料强度较高，防爆作用。外层壳体采用绝缘防爆材料，不但有效杜绝操作人员触电的的危险，并且与内层铝合金壳体一起起到二次防爆保护。

温度传感器和湿度传感器都固定与由铝合金内壳体组成的内腔中，在超声波整形刀具工作过程中随时监测刀具内腔的温湿度。消静电导线将整形刀头，变幅杆和内层铝合金壳体连接，防止一旦刀具产生静电火花危险。这也省去了传统固体燃料整形过程中佩戴导静电手环的步骤。

超声波辅助整形刀具在其他食品加工、橡胶加工行业已有成熟应用。也有成熟的制造实现方法，而本申请是区别于传统整形刀具的切割模式，与传统刀具整形相比，切割机理发生了变化，由此在固体燃料整形方面，具有阐述的《超声波辅助整形刀具的优越性》部分的优势。

与现有技术相比较，本发明取得的有益效果表现为：

(1)首次提出将超声波辅助切割刀具应用于固体固体燃料的整形，相比于传统的手工整形具有诸多优势。

(2)可将超声波辅助整形刀具应用在机械整形上，将超声波高频振动施加于车削、镗削、铣削等整形机的刀具上，同样可起到降低整形危险性，提高整形效率等目的。

(3)可将传统的整形刀具材料用相对硬度较小的材料进行替换。减小与包覆固体燃料的金属壳体碰撞而产生火花，降低整形危险性。

整形刀具与包覆金属壳体的碰撞属于非弹性碰撞，碰撞过程中会产生形变、发热、发声。机械能转换为物体的内能时，由于撞击中瞬间获得能量不能及时扩散，聚集在一个很小的部位，引起小范围分子的强烈运动，内能急剧上升，于是产生了火花。在固体燃料整形过程中产生火花是相当危险的。

为了减小产生火花的概率，降低整形危险性。在整形刀具上施加超声波高频振动之后，由于改变了传统的切削模式，不需要刀刃足够锋利的才能去切割具有强韧性的固体燃料，可将原来的钢质整形刀具材料替换成铜合金、铝合金以及具有良好强韧性的复合材料等。目的是为了防止一旦整形刀具与发动机壳体碰撞接触，整形刀具的材料由于具有比金属壳体低的硬度，刀具会发生较大的形变，刀具的形变会吸收一大部分碰撞时产生的能量，进而即使刀刃与金属壳体碰撞也降低了产生火花的概率，也就降低了整形的危险性。这样也就降低了对操作人员的技能要求，同时也提高了整形的效率。

附图说明

图1为超声波辅助整形刀具系统整体示意图

图2为超声波辅助的整形刀内部结构图；

图3为壳体的结构示意图，其中，3a是主视图，3b是3a的a-a向视图。

1.超声波换能器；2.超声波变幅杆；3.可更换整形刀头；4.连接螺栓；5.刀头固定螺栓；6.内层铝合金壳体；7.外层绝缘防爆壳体；8.温度传感器；9.湿度传感器；10.内层铝合金壳体消静电连接桩；11.接地消静电导线；12.数据线束；13.控制箱；14.普通用电接入线；15.接地消静电接口；16.卡圈。

具体实施方式

本实施例是一种超声波辅助的固体燃料整形刀具，包括超声波换能器1、超声波变幅杆2、整形刀头3、壳体、温度传感器8和湿度传感器9。所述的超声波变幅杆2的内端穿过壳体一端的端盖装入壳体内；超声波换能器1位于壳体内，并通过连接螺栓4固定在所述超声波变幅杆内端端面中心。所述的超声波变幅杆位于壳体外一端端面中心通过固定螺栓5安装有整形刀头3。温度传感器8和湿度传感器9分别固定在所述壳体的内表面，并使温度传感器位于所述超声波换能器1一端，使湿度传感器位于所述超声波变幅杆一端。所述温度传感器的信号输出端通过数据线与控制箱的温度采集端连通，当温度传感器采集到的温度超过工艺要求的设定值时，通过温度控制模块终止位于该控制箱内的超声波发生器工作；所述湿度传感器的信号输出端通过数据线与控制箱的湿度采集端连通，当湿度传感器采集到的湿度超过工艺要求的设定值时，通过湿度控制模块终止位于该控制箱内的超声波发生器工作。在所述超声波换能器1上的正负极电流接线柱分别通过导线与控制箱内超声波发生器的正负极连通。所述整形刀头3的刀头固定螺栓5上连接有接地消静电导线11，该接地消静电导线同时与位于壳体的内表面的固定消静电连接桩10连通后，接入控制箱内的接地消静电接口。

所述壳体有两层，分别是内层铝合金壳体6和外层绝缘防爆壳体7。所述的内层铝合金壳体为两个半圆筒形，当两个半圆筒形对合并通过两个卡圈16将两个半圆筒形固定后，形成圆筒状的内层铝合金壳体。

所述的外层绝缘防爆壳体亦为两个半圆筒形，当两个半圆筒形对合并通过两个卡圈16将两个半圆筒形固定后，形成圆筒状的外层绝缘防爆壳体。

所述的卡圈均采用弹簧钢制成。

将所述外层绝缘防爆壳体7和内层铝合金壳体6嵌套，形成本实施例的壳体。

所述内层铝合金壳体的内表面为所述壳体的内表面。在所述壳体的内表面固定有消静电连接桩10。

所述壳体一端的端面有用于引出数据线束12的通孔；所述壳体另一端的端面有超声波变幅杆2的过孔，并使该超声波变幅杆装入该过孔后，二者之间过盈配合。

所述超声波变幅杆2为回转体。在该超声波变幅杆内端端面的中心有螺纹孔；在该超声波变幅杆外端端面的中心有整形刀头连接杆的插槽，安装时，将所述整形刀头连接杆装入该插槽内，并通过刀头固定螺栓5固定。

该整形刀头采用铝合金或铜合金制成，其结构采用现有技术。

工作时，根据整形要求选用不同的整形刀头，并安装在超声波变幅杆端面的插槽内，即实现了整形刀头的更换。

所述的超声波换能器1采用现有技术。本实施例中，所选用的超声波换能器为频率在10～40khz，功率10～1000w。

整形刀具的组装顺序为，先用连接螺栓4将换能器1和变幅杆连接，再用固定螺栓5连接整形刀头3，并接好消静电导线。完成刀体内部组装之后，将换能器上的正、负导线接好。

内层铝合金壳体6和外层绝缘防爆壳体7都能够沿整形刀长度方向对半分开为两部分组成，并且两部分由螺钉连接组装。安装内层铝合金壳体6之前，先在内层铝合金壳体6的对半部分的温度传感器8安装座和湿度传感器9安装座上固定安装好，温度传感器8和湿度传感器9，并且连接好两个传感器的信号线。将接地导线串联连接在内层铝合金壳体的连接孔10上面。最后将组合两半内层铝合金壳体用连接螺钉合为一体。铝合金壳体6安装完成之后，组装对半分开的外层绝人壳体7。到此超声波辅助整形刀部分安装完成。最后将整形刀尾部的数据线束12与控制箱13连接。控制箱安装好接地消静电装置15。连接普通用电与控制箱13之间的接入线14，整个超声波辅助整形刀具组装安装完成。