钛合金超声波切割刀的制作方法

本实用新型涉及超声波切割领域，尤其是涉及一种钛合金超声波切割刀。

背景技术：

超声波切割是超声发生器产生振动，经过换能器将振幅放大后传递给切割刀头，刀头刃口与被切割材料的伸缩式高频碰撞产生大量的热量，使被切割材料熔化形成加工作用。

超声加工过程的超声发生器频率需与刀头材料的固有频率保持一致才能够形成谐振，驱动切割刀头振动。因此，通常切割刀头的伸缩振动方向的长度与超声波在刀头材料的传播半波长的整数倍能够驱使刀头刃口产生最大的振幅，将电能有效转化为机械能。刀头材料需与频率具有适当的匹配关系。超声波切割过程中，一般采用单个激振源，在切割方向传递纵向振动，同时需要避免在其余方向上的横振，因此对于超声切割过程需要严格控制刀头的结构，通常在超声刀刀身和刀背开隔振槽以降低横振影响。

国内在橡胶轮胎切割生产中使用的超声波切割裁刀部分由国外生产，但由于国内外轮胎用橡胶材料成分配方的差异，国内橡胶轮胎产线上使用的进口超声波切割刀在生产过程中产生了一些问题，造成切割刀的使用寿命较短。例如，超声波切割刀刃口的豁口、崩刃、卷刃和刃口划痕磨损等，导致切割刀过早失效和报废。

因此，希望通过结构的优化设计，在不改变使用工况和加工需求的条件下提供一种超声波切割刀，使其能够解决现有超声波切割橡胶轮胎生产过程中的崩刃和豁口问题，提高刀具的使用寿命，从而降低橡胶轮胎的生产成本，提升市场竞争力。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种钛合金超声波切割刀，其能够改善切割过程中刃口部分的位移分布均匀性，降低刃口的薄弱部位的剪切应力，使崩刃和豁口等失效形式进一步改善，提高切割刀整体使用寿命。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种钛合金超声波切割刀，包括刀背、刀身和刃口，所述刀背设有刀背槽，所述刀身设有中间槽。为了改善钛合金超声波切割刀的横振影响作用，在激振装置安装的刀背和刀体上开设刀背槽和中间槽，数目均为6个，均匀分布。中间槽接近于刃口，对于钛合金超声波切割刀在切割过程中的受力分布具有重要影响，需要严格控制槽的长度，通过呈似正态分布形式布置中间槽，从刀身中间A长度中间槽向两侧C长度中间槽长度逐渐递减，C长度中间槽和A长度中间槽长度差不大于5mm，可有效改善刀具应力分布，提升刀具寿命。

所述刀身与刀背之间通过大圆弧过渡连接。

所述钛合金超声波切割刀整体尺寸为：切割伸缩方向的长度为69～71mm，宽度为170～190mm，刀背厚度为20～30mm，刀身厚度为5mm，圆弧半径为25～30mm。

所述刀身厚度为4～6mm，与刀背相切圆弧过渡。

所述刃口处楔角为4～6°，两侧对称。

所述刀背槽和中间槽的数目均为6个。

一个刀身上的中间槽共有三个长度，分别为A长度中间槽、B长度中间槽、C长度中间槽，其中，A长度中间槽有两个，位于刀身中间，C长度中间槽有两个，分别位于刀身的两端，B长度中间槽有两个，分别位于A长度中间槽与C长度中间槽之间，A长度中间槽、B长度中间槽、C长度中间槽长度递减，即，从中间两个中间槽向两侧中间槽长度逐渐递减，长度分布呈似正态分布样。

所述A长度中间槽与C长度中间槽的长度差小于等于5mm。

所述钛合金超声波切割刀的材质为TC4钛合金材料。

所述钛合金超声波切割刀使用的超声频率范围为30～40kHz。

优选地，钛合金超声波切割刀切割伸缩方向的长度约取超声波在钛合金中传播的半波长69mm左右。更优选地，长度为69.7mm。

优选地，钛合金超声波切割刀刀背厚度根据钛合金市场板材规格和换能器安装要求选择，保证钛合金超声波切割刀方便机械加工且与激振装置能够紧固配合，一般选择为25.4mm。

优选地，钛合金超声波切割刀宽度与使用的切割生产线相关，但既要避免过宽引起装置振动平稳性差，横振过大，又要避免宽度过小，切割效率低下，最大宽度为190mm。

优选地，刀身需要有适当的厚度和圆弧段对已切割材料形成导向作用，刀身也需具有一定的刚度，通常刀身平行段厚度为5mm，使用大圆弧与刀背过渡，圆弧半径为25～30mm，更优选地，圆弧段半径为27mm。

优选地，钛合金超声波切割刀的切割部分为尖锐刃口，角度一般选择为5°，两侧对称，可以方便切割刀两侧使用。

优选地，为了改善钛合金超声波切割刀的横振影响作用，在激振装置安装的刀背和刀体上开设刀背槽和中间槽，数目均为6个，均匀分布。

优选地，C长度中间槽比B长度中间槽长度短2mm，B长度中间槽比A长度中间槽长度短3mm。

优选地，钛合金超声波切割刀的使用频率范围需与其整体伸缩方向长度有关，更优选地，钛合金超声波频率在38100～38200Hz范围内自适应。

本实用新型所针对的是橡胶轮胎的生产线应用，但根据本实用新型的钛合金超声波切割刀也可以用于切割其它材料。

在工作过程中，超声刀与换能器相连接，由超声发生器将特定频率的电信号输出传递给换能器，换能器由压电陶瓷制成，可将电信号转化为特定频率的振动信号，实现能量的转化。机械振动在传递过程中，先由换能器将振动传递至刀背，经过刀身截面积的缩小，振幅逐渐增强，在刃口处形成位移较大的振动，从而对被加工材料形成切割。但振动传递过程中会在各个方向传递，而切割是为了保证刀具在进给方向的振动，因此需要在结构设计中考虑横振的阻隔，以避免能量损失和刀具损伤，因此在刀背和刀身开有刀背槽和中间槽。

与现有技术的超声波切割刀相比，本实用新型超声波切割刀通过槽结构的分布，有效地改善了刃口出的位移均匀化程度，减小因刃口各部分的位移差异而形成的刃口应力，延缓刀具刃口崩刃和豁口的产生时间，提从而升到刀具的疲劳寿命，起到降低橡胶轮胎生产成本的作用。

附图说明

图1为已知的一种超声波切割刀的主视结构示意图；

图2为已知的一种超声波切割刀的侧视结构示意图；

图3为已知的一种超声波切割刀的俯视结构示意图。

图4为本实用新型钛合金超声波切割刀的主视结构示意图；

图5为本实用新型钛合金超声波切割刀的侧视结构示意图；

图6为本实用新型钛合金超声波切割刀的俯视结构示意图。

图中标号：100为已知超声波切割刀、101为刀背、102为刀身、103为刃口、104为中间槽第一槽、105为中间槽第二槽、106为中间槽第三槽、107为刀背槽、108为连接螺纹；200为钛合金超声波切割刀，201为刀背、202为刀身、203为刃口、204为中间槽第一槽、205为中间槽第二槽、206为中间槽第三槽、207为刀背槽、208为连接螺纹。

本领域的技术人员应当理解，附图中的结构仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如附图中某些结构的示意尺寸可能相对与其它结构进行缩放，以便于有助于提高对本实用新型实施例的理解。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

对比例1

参考图1-图3，是已知的一种超声波切割刀结构100的构造三视图，101为刀背、102为刀身、103为刃口、104为中间槽第一槽、105为中间槽第二槽、106为中间槽第三槽、107为刀背槽、108为连接螺纹。其中中间槽第一槽104、中间槽第二槽105和中间槽第三槽106是尺寸完全相同的中间槽，并且每个中间槽末端接近于刃口103的距离为7.7mm。

参考图1-图3，已知的超声波切割刀100的失效形式通常在中间槽第一槽104处崩刃或者刃口103至中间槽第一槽104之间形成豁口。

对已知超声波切割刀100结构进行振型仿真分析，当中间槽第一槽104、中间槽第二槽105、中间槽第三槽106的长度一致时，刃口103处的最大位移具有严重的不同步性，在高频振动过程中，会在刃口103各个部位形成剪切应力，导致刃口103的不规则变形，而致使长期使用过程中形成卷刃和疲劳破坏而产生豁口。

实施例1

一种钛合金超声波切割刀，如图4、5、6所示，包括刀背201、刀身202和刃口203，所述刀背201设有刀背槽，所述刀身202设有中间槽。204为中间槽第一槽、205为中间槽第二槽、206为中间槽第三槽、207为刀背槽、208为连接螺纹。其中中间槽第一槽204、中间槽第二槽205和中间槽第三槽206宽度相同，长度逐步增加，且每槽增加幅度不同，中间槽第一槽204和中间槽第三槽206之间长度相差小于5mm。中间槽第三槽中间槽206末端距刃口203的距离为7.7mm，中间槽第一槽中间槽204末端距刃口203的距离为12.7mm。

通过增加钛合金超声波切割刀200靠近边缘部位的中间槽第一槽204末端至刃口203之间的距离，加强刃口处的强度，并改善振动情况来提升刀具的寿命。

本实施例中，所述钛合金超声波切割刀的材质为TC4钛合金材料。所述钛合金超声波切割刀使用的超声频率范围为30～40kHz。

本实用新型所针对的是橡胶轮胎的生产线应用，但根据本实用新型的钛合金超声波切割刀也可以用于切割其它材料。

对本实施例钛合金超声波切割刀进行振型仿真分析，当中间槽第一槽204、中间槽第二槽205和中间槽第三槽206的长度具有合理的分布规律时，刃口203处的最大位移的不同步性得到很大改善，在高频振动过程中，刃口203各个部位的剪切应力显著降低，刃口203的变形程度有效降低，而使刀具寿命得到延长。

需要说明的是，本实用新型所述钛合金超声波切割刀的中间槽的长度差需要控制在适当的范围内，钛合金超声波切割刀中间槽长度过长会造成刃口处强度较低，容易在振动冲击下形成裂断。但钛合金超声波切割刀的中间槽长度过短，则在刀背中部连接激振装置不能够驱动刀身和刃口的高频振动，原因在于中间槽缩短后，结构自身的共振特性发生改变，需要改变激振位置和振源数目达到谐振的目的。但可能会造成刀具安装失稳和多振源无法同步等问题。故需严格遵守本实用新型的中间槽分布要求，中间槽末端距刃口的距离为5～13mm。

如图4、5、6所示，本实施例中优选地，钛合金超声波切割刀200长度为69.7mm，宽度为190mm，刀背201厚度为25.4mm，刀身202厚度为5mm，刃口203处楔角为5°，两侧对称。上述的结构尺寸在不改变对比例1已知超声波切割刀100的切割生产线使用工装的条件下可以进行安装使用，但整体结构尺寸和改进结构设计可适应不同产线而在本实用新型要求范围内进行调整。

钛合金超声波切割刀200的中间槽第一槽204距离刃口203为12.7mm，中间槽第二槽205距离刃口203为10.7mm，中间槽第三槽206距离刃口203为7.7mm。刃口203靠近宽度中部的振动位移差较小，受到剪切应力较小。故越接近宽度中部，中间槽减小幅度更小，且能最大程度地隔绝横振影响。

与对比例1所示的已知超声波切割刀100相比，在根据本实用新型的实施例的如图4、5、6所示的钛合金超声波切割刀200中，钛合金超声波切割刀既能在不改变已知超声波切割刀生产线工装的条件下满足工装要求而达到延长寿命的目的，同时又提供了合理的整体尺寸范围，以便满足其他工装类型的需要。并通过改善中间槽的结构分布，明显改善了刃口的强度和振幅分布情况，给切割参数的调整留下更大的优化空间，从而有利于提升切割质量和切割效率。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。