一种应用于超声波加工的圆刀片及其设计方法技术

一种应用于超声波加工的圆刀片及其设计方法，属于超声波刀具及其设计方法技术领域。所述圆刀片径向放射状均匀分布有通槽，所述通槽数量为偶数。所述方法包括以下步骤：（A）计算圆刀片的谐振频率ƒ；建立ANSYS模型进行有限元分析，计算圆刀片的振动模态；（B）确定节线；（C）若存在节圆，则在节线和节圆重叠处开设通槽；若不存在节圆，则在节线上设置通槽。径向开槽的圆刀片能使其切削刀片产生良好的超声波振动效果，所以能以高精度切削加工复合材料，超声波振动加工的优势更加容易体现和实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超声波刀具及其设计方法
，具体涉及。
技术介绍
超声波加工方法是近40年来逐渐发展起来的一种新型加工方法，它不仅能加工硬质合金等硬脆金属材料，而且也能适用于半导体和不导电的非金属硬脆材料的精密加工和成型加工，具有普通加工无法比拟的工艺效果，具有广泛的应用。超声波加工刀具通常安装在超声波加工装置上，在超声波的振动下对工件进行超声波加工。超声波加工装置，通常包括超声波发生器、换能器、变幅杆和刀具。超声波发生器将交流电转变成一定功率的超声频电振荡信号，换能器将超声频电振荡信号转换成超声振动，超声波的机械振动经变幅杆放大后传给刀具，刀具被设计成能够在自由端按照给定频率提供最大振幅。刀具作为变幅杆的负载，其机构尺寸，质量大小以及与变幅杆连接的好坏，对超声振动共振频率和工作性能具有很大的影响，对加工精度亦有很大的影响。现有各种结构形式的超声波刀具，如中国专利文献CN200946158公开的《滚珠式刀头》、CN201357237公开的《圆柱式超声波加工刀头》和CN201357303公开的《圆珠式超声波加工刀头》，虽然这些刀具的形式各样，但是均适用于硬脆材料的超声波加工，对于复合材料的超声波加工却无法完成或效果不理想。复合材料具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、质地轻等诸多优势，在航空航天、机械、电子、能源等诸多领域均有广泛的应用。但是，由于复合材料的特性和特殊的组织结构，使其机械加工十分困难。采用传统方式进行加工时，需要制备与被加工型腔凹凸相反的工具，制作工艺复杂，加工成本高，周期长，而且在加工过程中，存在工具磨损等严重问题，影响了加工精度和加工效率，限制了复合材料的工业化应用。以前，人们一直采用金刚砂锯片和正反螺旋铣刀切割复合材料。但是实际生产中发现金刚砂锯片切割复合材料时，锯片断口起毛严重，而且产生大量的热，且振动厉害；使用螺旋铣刀切割复合材料时，对机床要求高且价格昂贵，不适于批量加工产品。目前，将现有的圆刀片应用于复合材料的超声加工，在使用过程中经常发生嘯叫、瞬间断裂，危及人身安全和导致工件报废，并且刀体切削温度高，加工效率低，加工质量差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述提到的缺陷和不足，而提供一种应用于超声波加工的圆刀片，安装在超声波切割机床上，进行切削加工，切割复合材料效果理想。本专利技术还提供上述一种应用于超声波加工的圆刀片的设计方法。本专利技术实现其目的采用的技术方案如下。 一种应用于超声波加工的圆刀片，所述圆刀片径向放射状均勻分布有通槽，所述通槽数量为偶数。所述圆刀片包括一体成型的凸台和圆盘，所述凸台中央设置有安装孔，所述圆盘与凸台同轴设置，且所述圆盘边沿设置有圆刀片前角。所述圆刀片通过螺钉与变幅杆螺纹连接，所述螺钉的螺帽厚度小于凸台高度，螺帽顶端不超出圆刀片下平面。所述通槽的两侧槽边与圆刀片半径重合，且两侧槽边的夹角角度< 16°，所述通槽的棱角处圆弧设置，弧度半径在Imm 3mm。所述通槽为圆形孔、多边形孔、串珠状孔或弧状长孔。所述圆刀片前角的角度范围为大于等于10°且小于等于18°。一种应用于超声波加工的圆刀片的设计方法，包括以下步骤: (A)确定圆刀片材质、弹性模量E、泊松比μ、密度P和前角Θ，设计圆刀片尺寸，并计算圆刀片的谐振频率/;建立ANSYS模型进行有限元分析，计算圆刀片的振动模态； (B)从振动模态中确定振动幅度偏小的呈圆刀片直径分布的节线； (C)若振动模态中存在振动幅度偏小的呈圆刀片圆周分布的节圆，则在节线和节圆重叠处开设通槽；若振动模态中不存在节圆，则在节线上设置通槽，所述通槽呈径向放射状均匀分布。步骤(C)中，若振动模态中存在振动幅度偏小的呈圆刀片圆周分布的节圆，所述通槽内侧半径小于最小节圆内侧半径，所述通槽外侧半径大于最大节圆外侧半径；若振动模态中不存在节圆，通槽内侧半径大于或等于圆刀片半径的二分之一，通槽外侧半径小于或等于圆刀片半径的五分之四。所述方法还包括: (D)制作圆刀片并径向开槽后，通过测定和修正得到实际所需的谐振频率，与换能器、变幅杆和螺钉构成一声学系统。在超声波加工中，要使刀具有效和可靠的工作，保证所加工零件的精度和加工效率，刀具必须具有良好的动态特性。径向开槽的圆刀片能使其切削刀片产生良好的超声波振动效果，所以能以高精度切削加工复合材料，超声波振动加工的优势更加容易体现和实现。本圆刀片可广泛应用于如玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、各种蜂窝材料、预浸纤维材料和各种泡沫材料等复合材料超声波切割领域。与传统加工相比，本专利技术的有益效果如下。I)加工效率可以提高。2)加工时刀体切削温度低。3)降低刀具报废率。4)复合材料加工工件切口表面整齐，表面加工质量高。5)提高工件加工精度。附图说明图1为圆刀片半剖视 图2为实施例一节线数2的圆刀片有限元分析的振动模态 图3为实施例二节线数3的圆刀片有限元分析的振动模态 图4为实施例一无节圆的圆刀片的正视 图5为实施例三有节圆的圆刀片的正视图；图6为径向开槽圆刀片与超声波主轴工具端的固定示意 图7为通槽的形状 图中:1-凸台、2-安装孔、3-圆盘、4-圆刀片前角、5-通槽、6-螺钉、7-变幅杆、a-节线、b_节圆。具体实施例方式下面结合附图，对本专利技术作进一步详细说明。超声加工技术作为一种先进的加工手段，利用超声振动的能量对复合材料进行切削的技术已经被美国和欧洲广泛采用。在整个超声铣削系统中，刀具是直接对材料进行切害I]，这就对刀具的研制就提出了更高的要求。超声波系统有一个固有频率，这一固有频率的值与刀具的几何直径、刀具材料特性的各种模态应力有关。不过固有频率函数的数值计算特别困难，给工程应用带来不少问题。在超声波振动加工系统中，圆刀片主要用于平面或曲面的半精、精加工。为了计算方便，我们给出周边自由、中间固定的等截面圆薄板圆形刀的谐振频率/近似计算:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于超声波加工的圆刀片，其特征在于：所述圆刀片径向放射状均匀分布有通槽（5），所述通槽（5）数量为偶数。

【技术特征摘要】
1.一种应用于超声波加工的圆刀片，其特征在于:所述圆刀片径向放射状均匀分布有通槽(5 )，所述通槽(5 )数量为偶数。2.如权利要求1所述的一种应用于超声波加工的圆刀片，其特征在于:所述圆刀片包括一体成型的凸台(I)和圆盘(3)，所述凸台(I)中央设置有安装孔(2)，所述圆盘(3)与凸台(I)同轴设置，且所述圆盘(3)边沿设置有圆刀片前角(4)。3.如权利要求2所述的一种应用于超声波加工的圆刀片，其特征在于:所述圆刀片通过螺钉(6)与变幅杆(7)螺纹连接，所述螺钉(6)的螺帽厚度小于凸台(I)高度，螺帽顶端不超出圆刀片下平面。4.如权利要求1或3所述的一种应用于超声波加工的圆刀片，其特征在于:所述通槽(5)的两侧槽边与圆刀片半径重合，且两侧槽边的夹角角度< 16°，所述通槽(5)的棱角处圆弧设置，弧度半径在Imm 3mm。5.如权利要求1或3所述的一种应用于超声波加工的圆刀片，其特征在于:所述通槽(5)为圆形孔、多边形孔、串珠状孔或弧状长孔。6.如权利要求2所述的一种应用于超声波加工的圆刀片，其特征在于:所述圆刀片前角(4)的角度范围为大于等于10°且小于等于18°。7.如权利要求1所述的一种应用于超声波加工的圆刀片的设计方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：严明，刘利群，
申请(专利权)人：杭州辉昂科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33