一种新型斜梁式纵扭复合振动转换装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种新型斜梁式纵扭复合振动转换装置，包括上工具头、斜梁、双头螺柱、中间连接段和下工具头，所述上工具头、中间连接段以及斜梁之间为插接式顶压配合。上工具头与下工具头之间通过设置的轴向连接机构，实现整个装置的紧密结合。本实用新型设计合理，结构简单，易于实现工件的连接，实用性强，利用该装置可使单向纵振换能器实现纵扭复合振动的输出。
【专利说明】一种新型斜梁式纵扭复合振动转换装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种新型斜梁式纵扭复合振动转换装置，主要用于超声波加工设 备中，属于精密、超精密加工【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 传统的超声加工多是些单一振动模式，然而随着超声加工技术的发展及设备的不 断改进，纵一扭、纵一弯以及扭一弯等复合振动模式也得到了广泛的关注。研究表明，纵扭 复合振动模式下的超声加工不仅可以实现刀具前刀面与切屑之间的摩擦力方向产生反转， 促进了切屑的流出，抑制"积食现象"的产生。同时，此种振动模式由于加入了切向辅助振 动，就使得润滑液对切削区域的润滑更加便利，刀具前刀面与切削面之间也将产生一定的 动压油膜，减少了刀具的冲击破坏。（皮钧，纵扭复合振动加工，《机械工程学报》）。
[0003] 经对现有技术文献检索发现，工程应用中实现纵扭复合振动的方法有主要两种， 一种是通过对两组极化方向不同压电陶瓷组成的换能器或轴向磁滞伸缩扭转的换能器进 行激励实现两种振动模式的耦合，这种实现方式的缺点是结构设计较复杂，且需要一个两 相电激励源；另一种是通过对变幅杆的结构进行特殊化设计，如螺旋沟槽式、斜槽式、榫卯 联接式以及斜面顶压配合式等。在螺旋沟槽式结构中，影响纵扭共振频率的因素较多，设计 比较困难。然而，对于斜槽式、榫卯联接式以及斜面顶压配合式结构则全是基于波的反射、 折射原理进行结构设计。此类结构往往较复杂，加工制造成本高。
【发明内容】
[0004] 本实用新型为了解决现有技术的不足之处，提供一种斜梁式纵扭复合振动转换装 置，它通过带有凸台的斜梁和带有凹槽的上、下工具头进行插接顶压配合实现了纵扭复合 振动的转换。
[0005] 为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：本实用新型系提供一种斜梁式 纵扭复合振动转换装置，该斜梁式纵扭复合振动转换装置包括上工具头、四个斜梁、双头螺 柱、中间连接段和下工具头，所述斜梁两端的上凸台和下凸台分别与上工具头凹槽及中间 连接段凹槽形成插接顶压配合，双头螺柱依次将上工具头、中间连接段及下工具头轴向固 定。
[0006] 进一步，所述双头螺柱两端的螺纹分别与上工具头及中间连接段的内部螺纹紧密 连接，双头螺柱两端的外螺纹与上工具头和下工具头的内螺纹旋向相反。
[0007] 进一步，所述上工具头和下工具头均为空心圆柱体状，上工具头的无凹槽端可连 接各类型形式的加工工具，下工具头的无凹槽端可以连接指数型、圆锥型、悬链型及阶梯型 变幅杆或与纵振换能器直接相连。
[0008] 进一步，所述中间连接段的内圆直径略大于双头螺柱的直径。
[0009] 进一步，所述上工具头端部设有四个均匀分布平面型上工具头凹槽，所述中间连 接段端部也设有四个均匀分布平面型中间连接段凹槽；所述四个斜梁两端均设有平面型上 凸台和平面型下凸台，所述平面型上凸台和平面型下凸台分别与平面型上工具头凹槽和平 面型中间连接段凹槽对应形成插接结构。
[0010] 进一步，所述四个斜梁结构相同，该斜梁内侧为平面，斜梁外侧为曲面，且与上工 具头和中间连接段的外圆曲面接合。
[0011] 本实用新型的有益效果在于：
[0012] 采用上述方案后，本实用新型系由上工具头、斜梁、双头螺柱、中间连接段和下工 具头组成。所述上工具头一端和斜梁一端通过插接的方式顶压配合，斜梁另一端和中间连 接段通过插接的方式顶压配合。该装置通过双头螺柱两端的螺纹使上工具头和下工具头联 接，从而实现该装置的紧密连接。本实用新型系设计合理，结构简单，易于实现工件的连接， 实用性强，利用该装置可使单向的纵振换能器实现纵扭复合振动的输出。
[0013] 本实用新型技术方案的基本原理如下所述：（1)由换能器或变幅杆传递过来的纵 向振动，将在斜梁根部分解为沿着斜梁方向的振动和垂直于斜梁方向的振动。当这两种振 动的激励频率与斜梁的局部弯振频率相同或接近时，斜梁的纵向共振和弯曲共振将分别被 诱发。其中，这种弯曲振动的效果从圆环体横截面上看可以等效为斜梁沿圆环体的圆周面 进行扭振。因此，圆环体中的斜梁结构可以将纵向振动转换为扭转振动，实现两种模态的耦 合。（2)圆环斜梁段中的结构阻尼又会使输出端的纵振与扭振产生一定的相位差，从而实现 刀具的纵扭复合椭圆振动。
[0014] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本实用新型系的结构示意图；
[0016] 图2是图1的俯视图；
[0017] 图3是本实用新型系的轴侧视图；
[0018] 图4是本实用新型系的部分装配图；
[0019] 图5是本实用新型系的双头螺柱的轴侧视图；
[0020] 图6是本实用新型系的分解爆炸图。
【具体实施方式】
[0021] 如图1至3所示，本实用新型的斜梁式纵扭复合振动转换装置，包括上工具头5、四 个斜梁4、双头螺柱3、中间连接段2和下工具头1，所述斜梁4两端的上凸台7和下凸台8 分别与上工具头凹槽6及中间连接段凹槽9形成插接顶压配合，双头螺柱3依次将上工具 头5、中间连接段2及下工具头1轴向固定；如图5所示，所述双头螺柱3两端的螺纹分别 与上工具头5及中间连接段2的内部螺纹紧密连接，双头螺柱3两端的外螺纹与上工具头5 和下工具头1的内螺纹旋向相反。所述上工具头5和下工具头1均为空心圆柱体状，上工 具头5的无凹槽端可连接各类型形式的加工工具，下工具头1的无凹槽端可以连接指数型、 圆锥型、悬链型及阶梯型变幅杆或与纵振换能器直接相连。所述中间连接段2的内圆直径 略大于双头螺柱3的直径。如图4所示，所述上工具头5端部设有四个均匀分布平面型上 工具头凹槽6,所述中间连接段2端部也设有四个均匀分布平面型中间连接段凹槽9 ;所述 四个斜梁4两端均设有平面型上凸台7和平面型下凸台8,所述平面型上凸台7和平面型下 凸台8分别与平面型上工具头凹槽6和平面型中间连接段凹槽9对应形成插接结构。所述 四个斜梁4结构相同，该斜梁4内侧为平面，斜梁4外侧为曲面，且与上工具头5和中间连 接段2的外圆曲面接合。
[0022] 本实用新型的使用方法：
[0023] 如图6所示，工作使用时，将上工具头5旋在双头螺柱一端，固定好后将斜梁4插 入其四个凹槽内，将中间连接段2从双头螺柱的另一端套上，并与斜梁结合，最后将下工具 头1旋上双头螺柱，向中间连接段2旋进，使斜梁4与上工具头5和中间连接段2紧密贴合， 实现可靠连接，即可构成此装置。
[0024] 下面给出本实用新型的应用实例：
[0025] 由于纵振与扭振满足半波长叠加原理，故此转换装置的结构按照半波长进行设 计。装置的材料全部选用45#钢，密度为7830%/m3 ,杨氏模量为206GPa,材料泊松比 为0.28。上工具头、中间连接段及下工具头的外径为30mm，其长度分别为：20mm，10mm， 20mm。其中，上工具头与中间连接段上的凹槽深4mm，宽7mm。斜梁的总高为15mm，两端的 凸台高度均为4mm。双头螺柱的总长为29mm，两端的螺纹为Af8xl。利用有限元分析软 件Ansys对本实用新型系专利进行模态分析。在满足工程应用的前提下，进行模态分析时， 所有螺纹的轮廓尺寸按其中径大小进行简化。模态分析结果显示，本实用新型系专利的 纵-扭耦合频率为34936Hz，因此，当外界的纵振频率在35000Hz附近时，本实用新型系做纵 扭复合振动。
[0026] 本实用新型保护范围不限于上述实施例，凡是依据本实用新型系技术方案原理所 作的显而易见的技术变形，均落入本实用新型系的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种新型斜梁式纵扭复合振动转换装置，其特征在于，该斜梁式纵扭复合振动转换 装置包括上工具头（5)、四个斜梁（4)、双头螺柱（3)、中间连接段（2)和下工具头（1)，所述 斜梁（4)两端的上凸台（7)和下凸台（8)分别与上工具头凹槽（6)及中间连接段凹槽（9)形 成插接顶压配合，双头螺柱（3)依次将上工具头（5)、中间连接段（2)及下工具头（1)轴向固 定。
2. 根据权利要求1所述的斜梁式纵扭复合振动转换装置，其特征在于，所述双头螺柱 (3) 两端的螺纹分别与上工具头（5)及中间连接段（2)的内部螺纹紧密连接，双头螺柱（3) 两端的外螺纹与上工具头（5)和下工具头（1)的内螺纹旋向相反。
3. 根据权利要求2所述的斜梁式纵扭复合振动转换装置，其特征在于，所述上工具头 (5)和下工具头（1)均为空心圆柱体状，上工具头（5)的无凹槽端可连接各类型形式的加工 工具，下工具头（1)的无凹槽端可以连接指数型、圆锥型、悬链型及阶梯型变幅杆或与纵振 换能器直接相连。
4. 根据权利要求3所述的斜梁式纵扭复合振动转换装置，其特征在于，所述中间连接 段（2)的内圆直径略大于双头螺柱（3)的直径。
5. 根据权利要求4所述的斜梁式纵扭复合振动转换装置，其特征在于，所述上工具头 (5) 端部设有四个均匀分布平面型上工具头凹槽（6)，所述中间连接段（2)端部也设有四个 均匀分布平面型中间连接段凹槽（9);所述四个斜梁（4)两端均设有平面型上凸台（7)和 平面型下凸台（8)，所述平面型上凸台（7)和平面型下凸台（8)分别与平面型上工具头凹槽 (6) 和平面型中间连接段凹槽（9)对应形成插接结构。
6. 根据权利要求5所述的斜梁式纵扭复合振动转换装置，其特征在于，所述四个斜梁 (4) 结构相同，该斜梁（4)内侧为平面，斜梁（4)外侧为曲面，且与上工具头（5)和中间连接 段（2)的外圆曲面接合。
【文档编号】B23D79/00GK204170913SQ201420582978
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】唐军, 赵波, 高国富 申请人:河南理工大学