专利名称：阶梯中置式超声振动切削装置的制作方法
技术领域：
本发明是一种切削加工中使用的超声振动切削装置。
超声振动切削是超声波物理与切削原理相结合的边缘新技术，它在切削各种难以磨削而对表面质量及精度要求较高的零件时，具有优异的工艺效果。日本、苏联、美国、中国等在这方面的研究较多。目前，在国内外超声振动切削应用中存在的主要问题是缺乏一种更为稳定、使用方便的超声振动切削装置。
超声振动切削装置是由超声波发生器、换能器、纵振动变幅杆及弯曲振动刀杆(刀具)等部分组成。由超声波发生器发出高频电讯号经换能器转化为高频机械振动，再由纵振动变幅杆将振动的振幅放大并施加在弯曲振动刀杆上，弯曲振动刀杆以横波的形式谐振。
国内外现有这类超声振动切削装置中，都采用等截面的弯曲振动刀杆或刀尖位于中性层附近、并按等截面弯曲振动刀杆设计的同类刀杆，使得重要的变幅功能集中由纵振动变幅杆承担，即只依靠纵振动变幅杆的一级变幅作用，力求在刀尖处获得较大的振幅。但是，这种振动系统无法解决如下矛盾1)高振幅的获得与系统结构小巧性的矛盾。为了便于实际应用，总是希望声学头(由换能器和纵振动变幅杆组成)体积越小越好，但通常获得大振幅的办法是采用多级复合式纵振动变幅杆级联，从而导致结构庞大。2)纵振动变幅杆的工作稳定性与变幅比的矛盾。如锥形纵振动变幅杆虽然有较好的工作稳定性和加工工艺性，但在超声振动切削系统研制中，常因变幅比小而不采用。3)弯曲振动刀杆的高振幅振动与刀杆夹固的矛盾。弯曲振动刀杆由于切削时承受切削力，必须在节点附近夹固，刀杆振动振幅越大，夹固越困难。此外，当刀具重磨以后刀杆长度发生变化，再夹固时不易谐振。
总之，传统装置为了在刀尖处获得较大的振幅而使用的声学头往往不适合于超声振动切削，装置在使用中一般需要反复调整才能谐振，刀具重磨以后，弯曲振动刀杆长度发生变化，不易谐振。
本发明的目的就是为了解决现有超声振动切削装置所存在的以上问题，所设计的一种可实现二级变幅的超声振动切削装置。
本发明所述的超声振动切削装置主要是由冷却水套(1)、超声换能器(2)、纵振动变幅杆(3)、弯曲振动刀杆(4)、刀杆夹具(5)等组成，其特征在于弯曲振动刀杆(4)是中间粗、两端细，其高度比等于1/2或小于1/2，宽度比等于1/2或小于1/2的对称式阶梯杆(即(7)段与(4)段之比)，在杆两端都设有刀片，其细段与粗段截面积之比小于或等于1/4，并在两个截面突变(8)、(9)处夹固，这种结构的刀杆具有变换弯曲振动振幅(即二级变幅)的功能以及使激振点(即纵振动变幅杆与弯曲振动刀杆的连接点)位置准确的特点，一支刀杆相当于两把刀具。
根据理论和实验研究发现按一定条件设计的阶梯式弯曲振动刀杆，当其谐振时，粗段与细段具有不同的振动位移分布规律，经理论推导，细段端面(即刀尖处)振动振幅与粗段波腹点(激振点处)振幅之比R为
R＝1.41[β1β2T11λ11(T12λ12-I1T21λ21/I2·(1+COSλ12L2)+T22λ22COSλ12L2)+β1β2(I1T11λ11/I2+T22λ22).
T21λ21COSλ12L2COSλ11L1-β1α2T11λ21T21(I1P11/T12+I2P22/T12)Sinλ12L2Sinλ11L1+β1β2T21λ21(T12λ12+T11λ11I1/I2)COSλ11L1]式中各符号意义如下T1i= (ρω2)/(K′Gλ1′) + λ1i；T21= λ21- (ρω2)/(K′Gλ2′) ；P1i=Eλ1i2-ρω2;]]>p2l=Eλ2l2+ρω2]]>αi=1/EIi(λ1i2+λ2i2);]]>βi=1/(T1iλ1i+T2iλ2i)]]>E、ρ、G为弯曲振动刀杆材料特性参数;K′为截面剪应力分布不均匀系数，I1为截面转动惯量;S1为截面积;
λ1i= ［ a / 2 + (a2/ 4 + b1)1/2］1/2;
λ2i= ［ -a / 2 + (a2/ 4 + b1)1/2］1/2;
a=(1+E/K′G)ω2/C2;
b1= ω2Si / C2Ii·(1 - (ω2)/(C2) · (Ii)/(SI) · (E)/(K′G)C＝(E/ρ)1/2;
ω＝2πf(f为振动频率);
i＝1、2。
当阶梯式弯曲振动刀杆的细段长度L2＝9mm，粗段长度、宽度、高度分别是L1＝100mm、b1＝20mm、h1＝15mm时，用公式(1)算出的二级变幅比R随细段与粗段的高度比h2/h1、宽度比b2/b1变化的理论曲面见图5。相同条件下由实验得到的R的实际曲面见图6，图中每一个网格交点均为一个实验点。由图可见，理论计算曲面与实验曲面基本上是相吻合的。
对于超声振动切削装置中常用的弯曲振动刀杆尺寸系列，弯曲振动二级变幅比R一般可达2-4。采用该技术方案后，较好地解决了前述问题即1)采用非复合式一般纵振动变幅杆即可在刀尖处获得较大的振幅。2)使得振动系统可以采用一些工作性能稳定、受负载波动影响小的纵振动变幅杆(如锥形变幅杆)，而进一步增大变幅比的任务由弯曲振动刀杆承担。3)虽然刀尖处振幅较大，但粗段振动并不强烈，因而有利于刀杆夹固。4)由于采用对称式双刀头结构，不但支承跨距大、刚度好，而且由于一端磨损后可用另一端，然后两端同时重磨，因而使重磨后激振点的位置仍然比较准确地位于弯曲振动刀杆中部的波腹点处。
本发明所述的超声振动切削装置与现有技术相比，具有刀具安装方便、谐振调整容易、工作稳定等优点，无论是新刀还是重磨后的刀具，安装后只要稍加调整电发生器频率旋扭即可谐振，刀杆夹固可靠，各连联点及夹固点发热少，接近室温，刀杆夹具精度要求比较低，制造工艺简单。
附
图1是本发明所述的超声振动切削装置结构图;
图2是图1的侧视图;
图3是弯曲振动刀杆的结构图;
图4是图3的侧视图;
图5是用公式(1)算出的二级变幅比R随截面尺寸变化的理论曲面图;
图6是由实验验证得到的二级变幅比R随截面尺寸变化的实际曲面图;
图1、2、3中，(1)为冷却水套，(2)为超声换能器，(3)为纵振动变幅杆，(4)为弯曲振动刀杆，(5)为刀杆夹具，(6)为硬质合金刀片，(7)为刀杆细段，(8)、(9)为截面突变处。
图5、6中，b2/b1为阶梯式弯曲振动刀杆细段和粗段的宽度比，h2/h1是细段和粗段的高度比，R为二级变幅比。
附图1、2是本发明所述的超声振动切削装置的实施例，弯曲振动刀杆(4)做成对称阶梯形，中间粗、两端细，即(4)段粗，(7)段细，其高度之比等于或小于1/2，宽度之比等于或小于1/2，细段与粗段截面积之比约为1/4，在粗段中部设有锥孔与纵振动变幅杆(3)连接，在纵振动变幅杆输出端振幅小于8μm时，在刀尖处可以获得15μm以上的振幅。用刀杆夹具在弯曲振动刀杆的侧面夹紧。
权利要求
1.一种主要由冷却水套(1)、超声换能器(2)、纵振动变幅杆(3)、弯曲振动刀杆(4)、刀杆夹具(5)组成的超声振动切削装置，其特征在于弯曲振动刀杆(4)是中间粗、两端细其高度比等于1/2或小于1/2，宽度比等于1/2或小于1/2的对称式阶梯形杆，在刀杆两端都有硬质合金刀片，其细段与粗段截面积之比小于或等于1/4，并在两个截面突变(8)、(9)处夹固。
全文摘要
本发明是一种超声振动切削装置。其特征是将传统的等截面弯曲振动刀杆设计成阶梯对称式弯曲振动刀杆，其细段与粗段截面积之比小于或等于1/4，并在粗、细段截面突变处附近夹固。该阶梯弯曲振动刀杆具有二级变幅的功能，从而使振动系统的制造，调谐、使用及刀具重磨等均很方便，特别是刀具重磨后重新安装使其谐振较容易。
文档编号B23B37/00GK1050837SQ8910783
公开日1991年4月24日 申请日期1989年10月10日 优先权日1989年10月10日
发明者王立江, 赵继, 李华 申请人:吉林工业大学