[发明专利]椭圆超声振动刀柄及其解析设计方法

说明书

本发明提供一种椭圆超声振动刀柄及其解析设计方法，其中的椭圆超声振动刀柄包括变幅杆和设置在所述变幅杆的端部的刀具定位组件；其中，在所述变幅杆的侧壁上开设有定位槽，在所述定位槽的内部自内向外嵌设有负极电极片和压电陶瓷片，在所述压电陶瓷片远离所述负极电极片的一面设置有正极电极片，在所述正极电极片的外侧设置有压紧组件；并且，所述负极电极片与所述压电陶瓷片之间以及所述正极电极片与所述压电陶瓷片之间均通过所述压紧组件挤压贴合。利用上述发明能够解决传统的椭圆超声振动刀柄的压电陶瓷片安装稳定性差、缺乏预紧力、输出振幅小且其解析设计方法无法适应弯振超声变幅杆的问题。

技术领域

本发明涉及超声精密特种加工技术领域，更为具体地，涉及一种椭圆超声振动刀柄及其解析设计方法。

背景技术

作为一种硬脆材料切削加工的有效方法，椭圆超声振动切削技术得到了国内外学者和工程师的广泛研究。相关研究结果表明：与传统机械加工方法相比，椭圆超声振动切削加工技术可以显著减小硬脆材料切削加工中的切削力、减轻刀具磨损、提高已加工表面的质量。

椭圆超声振动切削技术的硬件载体是超声加工系统，特别是作为核心换能、聚能部件的超声换能器及变幅杆，其输出振动的轨迹特性和稳定性对超声加工效果影响很大，因此，系统性设计超声换能器及变幅杆具有一定的工程应用价值。目前换能器及变幅杆多通过有限元参数化建模方法进行结构设计，在有限元分析前通过解析法设计结构的初步尺寸可以有效节省有限元分析时间成本。

目前椭圆超声振动刀柄通常通过两个不同方向的纵振复合、纵弯复合或两个不同方向的弯振复合等方式实现椭圆轨迹的生成和输出，其中最早由名古屋大学学者在专利US6637303B2中提出的对称型贴片式椭圆超声振动刀柄通过两组独立的激励信号分别控制两组压电片，实现两个方向的弯振，具有轨迹可控性好的优点。

然而，这种刀柄在椭圆超声加工中的应用也存在如下技术问题：

1、贴片式刀柄的压电陶瓷片通过胶粘的方式粘结在刀柄侧面，这种装配方式不稳定，也无法为压电陶瓷片提供预紧力，导致压电陶瓷片的振动向后端耗散，超声刀柄输出振动振幅较小，难以满足椭圆超声振动加工的振幅需求。

2、由于刀具的安装以及加工装配误差，刀柄在工程应用时难以保证两个分弯振方向上的弯振谐振频率相同，导致刀尖输出点并不同时处于两个方向分弯振的振动波腹位置，影响刀柄的输出轨迹和振动特性。

3、传统超声变幅杆的解析设计方法主要针对纵振型变幅杆，对于弯振超声变幅杆，缺乏一种系统的解析设计方法。

基于以上技术问题，亟需一种振动稳定性高、振幅大的椭圆超声振动刀柄且能够实现弯振超声变幅杆解析设计的方法。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种椭圆超声振动刀柄及其解析设计方法，以解决传统的椭圆超声振动刀柄的压电陶瓷片安装稳定性差、缺乏预紧力、输出振幅小且其解析设计方法无法适应弯振超声变幅杆的问题。

本发明实施例中提供的椭圆超声振动刀柄包括变幅杆、设置在所述变幅杆的端部的刀具定位组件以及设置在所述变幅杆上的压电换能机构；其中，

在所述变幅杆的侧壁上开设有定位槽，所述压电换能机构包括在所述定位槽的内部自内向外嵌设的负极电极片和压电陶瓷片，在所述压电陶瓷片远离所述负极电极片的一面设置有正极电极片，在所述正极电极片的外侧设置有压紧组件；并且，

所述负极电极片与所述压电陶瓷片之间以及所述正极电极片与所述压电陶瓷片之间均通过所述压紧组件挤压贴合。

此外，优选的方案是，所述变幅杆的中部的横截面呈四边形结构，在所述变幅杆的中部的四个面上均开设有所述定位槽；并且，

所述压紧组件包括设置在各正极电极片的外侧的钢盖以及套设在所述变幅杆的中部的外侧的四边形套筒，所述四边形套筒的四个面分别通过预紧螺栓将相对应的四个钢盖压紧固定。