[发明专利]一种提高纵扭转化效率的超声振动装置

说明书

本发明公开了一种提高纵扭转化效率的超声振动装置。拉杆上下两端均开有细螺纹，压帽通过螺纹紧固将压电陶瓷、铜片、绝缘套固定在纵扭超声变幅杆上；纵扭超声变幅杆底部内锥面通过夹簧、螺母与刀具相连。纵扭超声变幅杆内部开有通孔，在其外壁与内壁上均开有多个斜槽，使得内外壁两侧的纵振分量均可以转化为扭振分量，并减小了扭转振动在材料内部因摩擦损耗而造成的能量损失。本发明的超声振动变幅杆内外壁双层开槽，既可以保证稳定可控的纵向振动，又可以极大的提高扭振分量的转化效率与传递效率。

技术领域

本发明属于特种材料超声加工技术领域，尤其是涉及了一种提高纵扭转化效率的超声振动装置。

背景技术

随着航空航天领域、3C行业等高新行业的快速发展，以陶瓷、蓝宝石、玻璃、碳纤维复合材料等为代表的硬脆材料在市场上的需求量越来越大。使用传统的加工工艺非常困难，而旋转超声加工技术可通过刀具的高频振动实现非连续切削，降低硬脆材料加工过程中的切削力，提高加工效率。但是单一的纵向超声振动，容易导致轴向冲击力过大，影响硬脆材料的表面加工效果；而纵扭复合的超声振动加工则不受此限制，在降低切削力的同时，能够提高刀具的扭转及弯曲刚度，改善加工质量。

目前实现纵扭复合超声振动的方式有两种，一是将压电陶瓷沿切向极化，但是在技术上很难实现，工艺复杂，成本昂贵；二是通过在实心变幅杆外壁开斜槽/螺旋槽的方式实现扭转振动，该方法工艺简单，成本低廉，但是其扭振转化效率一直很低。究其原因，在于这种实心变幅杆只在外壁开槽，这些斜槽/螺旋槽只能够将外壁的部分纵向振动转化为扭转振动，其变幅杆内部大量的纵向振动能量将得不到转化；其次在扭转振动沿实心变幅杆的传递过程中，将有大部分能量损耗于内部材料的摩擦作用，导致扭转振动传递效率低，最终导致其扭转分量很小。

发明内容

为了弥补现有技术中的缺失，本发明的目的在于提供一种提高纵扭转化效率的超声振动装置，内外壁双层开槽的纵扭复合式超声振动变幅杆可以将内外壁两侧的纵振分量均转化为扭振分量，提高了纵扭转化效率，并通过变幅杆中间通孔的结构设计减小了扭转振动在材料内部因摩擦损耗而造成的能量损失，提高了扭转振动传递效率。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括纵扭超声变幅杆、刀具、拉杆、压帽、铜片和压电陶瓷，纵扭超声变幅杆的内部中空形成空腔，空腔沿纵扭超声变幅杆的轴线方向开设且贯通至纵扭超声变幅杆的两端外，纵扭超声变幅杆上设有双层槽，双层槽包括外壁斜槽和内壁斜槽，外壁斜槽开设在纵扭超声变幅杆的外周面上且倾斜于纵扭超声变幅杆轴线设置，纵扭超声变幅杆的内周面在对应外壁斜槽的位置处开有结构相同的内壁斜槽，多个双层槽间隔均匀地沿纵扭超声变幅杆的同一圆周方向开设形成一组双层槽，多组双层槽沿纵扭超声变幅杆的轴线方向依次间隔设置；纵扭超声变幅杆的内周面是指纵扭超声变幅杆内部空腔的内壁面。

纵扭超声变幅杆的一端与拉杆的一端紧固连接，拉杆上交替套装有压电陶瓷和铜片，拉杆的另一端通过压帽将压电陶瓷和铜片进行压紧固定；纵扭超声变幅杆的另一端与刀具连接。

所述的外壁斜槽和内壁斜槽之间不连通，外壁斜槽和内壁斜槽结构相同是指外壁斜槽与内壁斜槽的数量、相对位置、斜槽角度、槽宽均保持一致。外壁斜槽和内壁斜槽的倾斜角度大于0度小于90度。

为了保证变幅杆的刚度及纵向振动的传递，所述的中空的纵扭超声变幅杆的壁厚满足以下关系：其中△为壁厚，D为纵扭超声变幅杆横截面的外直径。

纵扭超声变幅杆另一端通过夹簧和螺母与刀具连接，具体是：纵扭超声变幅杆的端部开有内端小外端大的锥孔，夹簧的一端嵌入安装在锥孔中，夹簧内安装刀具，并且刀具的一端伸入纵扭超声变幅杆的空腔中，刀具的另一端外露于纵扭超声变幅杆外，夹簧的外围套装螺母，纵扭超声变幅杆端部的外周面开有螺纹，螺母通过与纵扭超声变幅杆的螺纹连接使得刀具与纵扭超声变幅杆紧固连接。

所述的拉杆的外周面先套装绝缘套，绝缘套外再套装压电陶瓷和铜片。