一種超聲振動切割工作頭的制作方法

本發明屬于超聲振動復合加工技術領域，特別是涉及一種超聲振動切割加工裝置，在數控銑鉆床上復合上超聲振動切割工作頭共同組成五自由度超聲振動切割裝置，主要用于高效精密切割加工。

背景技術：

近年來世界復合材料工業蓬勃發展，復合材料作為最新發展起來的一大類新型材料，對科學技術的發展產生了極大的推動作用。復合材料，是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料具有新的特殊性能。復合材料具有比強度和比模量高，抗疲勞性能好，減振性能強，減摩、耐磨、自潤滑性好，耐熱性高，復合材料構件制造工藝簡單，斷裂安全性高等一系列的優點。基于以上的優點復合材料具有廣泛的應用前景，例如在航空航天領域，復合材料在飛行器上所占據的比重日益增加，復合材料在飛行器上的廣泛應用極大地減輕了飛行器的重量，提高的飛行器的動力性能，減少了燃料的消耗。但是對復合材料的加工工藝還存在缺陷，限制了復合材料的更廣泛應用。目前對復合材料的切割加工是主要的加工方法。在現代工業制造領域中，切割加工是應用面廣泛、應用量很大的基礎工藝之一，尤其是在工程機械制造行業，切割加工工作量占有很大的比重，切割的質量和效率與生產的質量和效率密切相關。隨著科學技術的進步，多能源、多種工藝方法的現代切割技術取得突破性進展，從單一的氧乙炔火焰熱切割發展成為新型工業燃氣火焰切割、等離子弧切割、電火花切割、激光切割、水射流切割現代切割技術。但是對于復合材料的切割，尤其是對不防水、不耐高溫易發生碳化的復合材料以上切割方法不再適用。

基于以上原因，本發明注重研究一種超聲振動切割工作頭。超聲振動切割技術具有切割力小、不產生切屑、加工表面質量好、加工效率高、加工范圍廣等優點，為切割加工提供了新途徑。在超聲振動切割加工過程中，由于振幅可達到幾十微米的超聲頻的振動作用到刀片上，使刀片沿超聲振動系統軸線往復振動，由于振動頻率一般為20khz左右，因此刀片的振動速度遠大于刀片進給速度，所以在超聲振動切割過程中刀片與材料之間是接觸-分離-接觸的斷續切割形式，因此可以有效的減小切割力保證加工表面質量提高加工效率。本發明將超聲振動切割工作頭復合到數控銑鉆床上，可以實現超聲振動切割對刀具前傾角的要求，前傾角可以使切割過程變為滑切過程，并且增大了超聲振動在進給方向上的分量，有效減小切割力。本專利發明結構簡單，易于加工，裝拆方便，對切割加工具有明顯優勢。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種超聲振動切割工作頭。將超聲振動切割工作頭復合到數控銑鉆床上，可實現五自由度的超聲振動切割裝置，且結構簡單，易于加工，裝拆方便。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種超聲振動切割工作頭，超聲振動切割工作頭復合在數控銑鉆床上，其特征在于，工作頭主要包括刀片、刀片卡具、變幅桿、換能器；刀片與變幅桿通過刀片卡具連接，刀片卡具通過螺紋連接的形式與變幅桿連接，保證刀片中心線與變幅桿中心線重合；變幅桿外側軸肩上套接有軸肩上壓板和軸肩下壓板，軸肩上壓板通過螺栓和軸肩下壓板固接；軸肩下壓板通過螺栓固定在懸梁上；

變幅桿與換能器低部連接，換能器上部緊固設有換能器壓板，換能器壓板通過螺栓固定到懸梁上；懸梁通過螺栓與法蘭一上的連接塊固定連接，法蘭一通過幾個支撐塊與法蘭二連接；懸梁、軸肩上壓板、軸肩下壓板和換能器壓板實現超聲換能器、變幅桿的軸向與徑向固定，保證在超聲振動切割加工過程中工作頭可靠固定，不會由于超聲振動而發生松動現象，超聲頻的電信號通過超聲換能器轉換為超聲頻的機械振動，機械振動傳遞到設計的半波長圓截面階梯形變幅桿，可將振幅放大到幾十微米量級；將超聲振動的能量有效地傳遞到刀尖的前端；懸梁通過法蘭二固定架連接到數控銑鉆床的z向移動平臺的法蘭三上，該法蘭二和法蘭三可以實現0-90°的轉角，因此滿足超聲振動切割加工對刀具前傾角的要求。

本發明的優點：

1、本發明的超聲振動切割工作頭復合到數控銑鉆床上，具有可靠性高，工作空間大，加工效率高，表面質量好，無切屑產生，加工范圍廣等優點。

2、本發明可以實現超聲振動切割刀具的前傾角，并且前傾角的大小是連續可調的，前傾角是超聲振動切割技術的重要參數。

3、本發明的刀片卡具結構簡單并且更換刀片方便快捷。

4、本發明實現了超聲振動切割加工，且結構簡單，安裝方便，切割力小，無切屑產生，綠色環保。

附圖說明

圖1為本發明的超聲振動切割工作頭的結構示意圖；

圖2為圖1與數控銑鉆床裝配示意圖；

圖3為刀片與刀片卡具裝配示意圖；

圖4為超聲振動切割系統示意圖；

圖5為側視圖。

具體實施方式

下面結合附圖1-5和具體實施例對本發明做進一步的詳細說明。

一種超聲振動切割工作頭，超聲振動切割工作頭復合在數控銑鉆床上，其特征在于，工作頭主要包括刀片1、刀片卡具2、變幅桿5、換能器6；

刀片1與變幅桿通過刀片卡具2連接，刀片卡具2通過螺紋連接的形式與變幅桿5連接，保證刀片1中心線與變幅桿5中心線重合；

變幅桿5外側軸肩上套接有軸肩上壓板4和軸肩下壓板3，軸肩上壓板4通過螺栓和軸肩下壓板3固接；軸肩下壓板3通過螺栓固定在懸梁11上；

變幅桿5與換能器6低部連接，換能器6上部緊固設有換能器壓板8，換能器壓板8通過螺栓固定到懸梁11上；

懸梁11通過螺栓與法蘭一12上的連接塊10固定連接，法蘭一12通過幾個支撐塊15與法蘭二16連接；

懸梁11、軸肩上壓板4、軸肩下壓板3和換能器壓板8實現超聲換能器6、變幅桿5的軸向與徑向固定，保證在超聲振動切割加工過程中工作頭可靠固定，不會由于超聲振動而發生松動現象，超聲頻的電信號通過超聲換能器轉換為超聲頻的機械振動，機械振動傳遞到設計的半波長圓截面階梯形變幅桿，可將振幅放大到幾十微米量級；將超聲振動的能量有效地傳遞到刀尖的前端；懸梁11通過法蘭二固定架連接到數控銑鉆床的z向移動平臺的法蘭三19上，該法蘭二16和法蘭三19可以實現0-90°的轉角，因此滿足超聲振動切割加工對刀具前傾角的要求。

所述加工刀片通過刀片卡具連接。

所述懸梁通過過盈配合的連接方式用內六角螺釘施加一定的預緊力對超聲振動割工作頭固定。

所述懸梁固定方式可以調整角度，保證加工過程中進給方向在刀片所在平面內。

所述法蘭式固定架通過調整角度，使在刀片所在平面內刀刃與進給方向形成一定角度并完成超聲振動切割加工。

實施例

如圖1～圖5所示，刀片1通過刀片卡具2與變幅桿5連接，刀片卡具2通過螺紋連接方式與變幅桿5連接，超聲振動切割系統通過懸梁式固定裝置用內六角螺釘預緊的方式使其達到可靠的固定，在超聲振動切割加工過程中，通過調整超聲振動系統的角度使進給方向在刀片1所在平面內，懸梁式固定裝置通過連接塊10用螺栓連接的方式與法蘭式固定架連接，法蘭式固定架由法蘭12、法蘭16和支撐塊15通過內六角螺釘進行連接，連接過程中保證法蘭12、法蘭16與支撐塊15之間的垂直度。法蘭16與機床法蘭19通過螺栓20連接，使超聲振動切割工作頭復合到數控銑鉆床上，形成可靠性高、加工性能良好的超聲振動切割加工裝置。啟動超聲波發生器，將20khz左右的超聲頻電信號傳遞到換能器6，換能器6將電信號轉換為機械振動信號，通過變幅桿5和刀片卡具對振幅進行放大，刀刃處振幅達到幾十微米便可用于超聲振動切割加工。數控銑鉆床的工作臺18可實現xy平面的進給運動，通過數控程序規劃加工路徑和進給速度，機床法蘭19可以實現z方向的運動，通過編寫數控程序改變超聲切割加工的切割深度，調整法蘭16與機床法蘭19的安裝角度，可使在刀片所在平面內刀刃與進給方向形成一定角度，從而使刀片與加工材料在進給方向上形成前傾角，可有效減小切割力。待設定好進給路徑、切割深度、刀刃方向和前傾角后即可進行超聲振動切割加工，可對加工材料進行快速分割、切割成型、快速去除余料、尖角的外形加工等。