[发明专利]一种蜂窝芯超声切削刀柄

说明书

本发明公开了一种蜂窝芯超声切削刀柄，其特征在于，包括刀柄，回转机构，换能器、一级变幅杆、二级变幅杆、超声切削刀具和超声电能传输机构。本发明提出了一种具有大振幅输出能力的，同时考虑不同振动系统间的互换性要求的蜂窝芯超声切削刀柄，解决了超声切削刀柄在通用机床上的适用性难题，提高了超声切削的自动化水平。

技术领域

本发明涉及一种蜂窝芯超声切削刀柄，属于蜂窝芯材料超声切削加工领域。

背景技术

蜂窝芯材料作为一种轻质高强的填充材料，被广泛应用于航空航天领域。蜂窝芯材料超声切削具有加工效率高、加工后表面质量好等优点，相对传统的高速铣削方法具有明显的加工优势。

蜂窝芯材料超声切削需要专用的超声切削装备。为了加工出不同形状要求的蜂窝芯零件，除了需要多轴联动的蜂窝芯超声切削机床外还要配备具有大振幅输出性能的超声切削刀柄才能实现。超声切削刀柄作为超声切削加工的关键环节，其性能好坏直接影响到蜂窝芯零件的加工质量。

传统的超声辅助加工，超声振幅较小，如超声辅助磨削，要求砂轮高速回转，转速一般＞3000r/min，振幅范围在2～10微米，主要在超声振动冲击辅助下，以砂轮的高速划擦去除材料；超声辅助钻削，钻头转速范围在500～3000r/min，要求超声振幅大于10微米，在超声振动辅助作用下以切削刃的高速切削作用去除材料；而蜂窝芯的超声切削加工过程中，直刃尖刀不回转，圆盘刀转速很低，一般小于1500r/min，主要靠刀具的超声振动去除材料，这就要求超声振动系统振幅大于30微米；因此要求超声系统的放大倍数要是传统振动系统振动放大倍数的5～10倍。因此大振幅放大倍数的振动系统设计是超声切削刀柄难点。

超声辅助磨削和超声钻削刀柄对于系统振幅需求较小，往往采用换能器直接带动一级四分之一波长变幅杆的方案，振动系统整体直径和长度较小。超声刀柄后端采用标准锥柄与机床连接，超声刀柄前端与超声刀具连接。因为该类刀柄腔体内仅含换能器，一级变幅杆悬出在刀柄腔体外，使得这种超声刀柄具有体积小、安装简单，拆卸方便等特点，可以在不改变机床本体结构的情况下，通过简单的刀柄形式实现超声磨削和钻削功能。与超声磨削和钻削刀柄不同，超声切削刀柄往往需要设计专用的多级振动系统实现，复杂的刀柄结构也是超声切削刀柄的设计难题。

超声辅助磨削和钻削加工由于超声功率需求较低，换能器及其各个配合面之间的发热有限，往往采用自然冷却的方式，换能器及其各个配合面之间不用设计特殊的结构形式。而超声切削所需的功率大，各个配合面之间发热严重，需要设计特殊的内冷结构才能保证系统的稳定工作。超声切削刀柄的稳定可靠工作及其内冷结构设计也是制约超声切削应用的瓶颈。

由于蜂窝芯超声切削刀柄以大振幅超声输出为目标，需要采用特殊设计的半波长或整波长振动系统，因此振动系统的长度和直径大，如果沿用传统的超声刀柄设计思路，刀柄腔体将包含换能器、一级变幅杆和二级变幅杆三部分，刀柄整体尺寸大和重量沉。刀柄过长会减小机床的有效行程，影响机床的动作；刀柄重量过大会超出机床主轴的承载能力，给机床的安全运行带来隐患。同时刀柄尺寸过大又给换刀带来不便，需要设计专用的换刀机构，无法在单人操作下实现人工换刀；若采用自动换刀方式，则需要设计特殊的刀库和换刀装置，增加了机床设计的复杂程度。如何保证超声切削刀柄的适用性，解决与机床的集成以及与不同振动系统之间的切换的互换性问题，也是超声切削刀柄的设计难点。

针对超声切削刀柄大振幅的设计难点和与机床的有效集成问题，目前常采用两种方案：

第一种方案是设计具有特殊连接接口的专用超声切削主轴。机床主轴通过特殊连接接口与超声切削刀柄的前端进行连接，并为超声切削刀柄提供定位加持功能和回转运动。此类专用超声切削刀柄要求在机床在设计之初就综合考虑超声切削系统的轴向和径向尺寸，将超声切削系统合理地内置在机床主轴中，并通过设计机床的行程，以满足超声切削蜂窝芯零件的实际加工需求。但此类超声切削刀柄的接口结构复杂，需要一系列复杂的换刀机构和换刀流程，并且此类超声刀柄只能结合专用机床使用，无法满足通用机床的使用需求。