一种应用于超声波加工的圆刀片及其设计方法

摘要

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?；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。

说明书

技术领域

本发明属于超声波刀具及其设计方法技术领域，具体涉及一种应用于超声波加工的圆刀片及其设计方法。

背景技术

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啸叫、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。

发明内容

本发明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。

本发明还提供上述一种应用于超声波加工的圆刀片的设计方法。

本发明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匀分布有通槽，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1mm～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ρ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，本发明的有益效果如下。

1）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；

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；

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；

图4为实施例一无节圆的圆刀片的正视图；

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；

图7为通槽的形状图；

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。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

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割，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：

其中， ?——谐振频率（Hz）；R——圆刀片半径（mm）；h——圆刀片厚度（mm）；μ——泊桑系数；E——弹性模量（Pa）；ρ——材料密度（Kg/m³）；B_ns——振型常数，见表1。

表1  振型常数B_ns与n、s的关系

 s =0s =1s =2s =3n =13.75-5.4…n =220.91-30.48…n =360.68--…n =4119.7---

表中：n——简正振动振幅分布的直线节线a数目；

      s——节圆b的数目。

通过设定固有频率，可以得出振动常数B_ns，从表1中可以查出直线节线a数目n和节圆b数目s。

附图2为实施例一的圆形刀有限元分析的振动模态图，图3为实施例二的圆形刀有限元分析的振动模态图。振动模态图中，颜色越深，表示振动幅度越小。其中，将颜色较深呈圆刀片直径分布的直线称为节线a，将颜色较深呈圆刀片圆周分布的圆环称为节圆b。节线a和节圆b区域，圆刀片振动幅度较小甚至不会产生振动，这个区域的材料会牵制和限制圆刀片的振动效果。

本发明提出一种径向开槽圆刀片，旨在改善圆刀片使用过程中存在的上述问题。

在超声波振动切削加工中，在节线a和节圆b附近不振动，无超声振动效果，节线a和节圆b区域无振动引起刀具振动模态的牵制和限制，不利于刀具工作，径向开槽有助于改善超声波振动工作的振动模态。

实施例1。

超声波振动加工系统谐振频率20kHz，圆刀片直径D=52mm，圆刀片厚度h=1.4mm，圆刀片前角4的前角θ=14゜的圆形刀，刀具材料为工具钢，圆刀片材料和热处理应满足工作可靠性要求，在规定的切削时间内能正常工作，不会出现异常断裂。弹性模量E=2e11Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800Kg/m³，可以得到径向开槽的圆刀片，结构示意见图4 。槽形设计具体步骤为。

（1）计算出直径52mm圆形刀谐振频率?；建立ANSYS模型进行有限元分析，计算圆刀片的振动模态。

在柱坐标系中，圆形刀具的自由横向振动微分方程为：

式中：D-抗弯强度，D=2EH³/[3(1-v²)]， w-横向振幅；m-单位面积质量，m=2Hρ；E，v，ρ-圆形刀具的弹性模量，泊松比及密度。

边界条件：在r=b处，挠度和斜率为零。即[w]_r=b=0；[w/r]=0。运用分离变量法和贝塞尔方程的知识，最后得到：

常数C₁、C₂、C₃、C₄的比值由边界条件确定，实际值尚需进一步由初始条件确定。常数θ₀由初始条件确定。

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，因此，需对刀具进行模态分析。不过由于上述函数的数值计算特别困难，给工程应用带来不少问题。而ANSYS有限元建模能很好的进行模态分析计算，因此采用该模型为本项工作的顺利开展提供了很大的方便。

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。模态分析主要用于计算结构的固有频率和模态，并且可以通过一些图形与动画显示出来相关振型的情况。通过对圆刀片的有限元模态分析，可以找到我们所需要的合适振型与固有频率，使整个超声振动系统能更好的工作在所想要的谐振状态。

在ANSYS有限元分析建模中，建立圆形刀具的三维模型，根据设计要求设定单元类型及材料属性，然后对三维模型进行网格划分，形成有限元模型。

θ=14゜的情况，在ANSYS中进行分析前，对刀具的谐振频率进行模态分析不需加任何载荷和约束。由于所设计的谐振频率为20kHz，为缩短求解时间及得到所需解，求解频率范围设定为15000到25000Hz，经分析后得三阶模态，确定各阶模态的频率。

根据振动模态分析刀具的振动形态。刀具是对称弯曲振动，最大位移量在刀具的边缘，有利于对材料的加工，变形也符合要求。

（2）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a；根据图2的模态图可以看出节线a有2条。

（3）根据图2的模态图中得出此状态无节圆b。在节线a上设置通槽5，每条节线a上对称设置2个通槽5，因此共开4个通槽5。同一节线a在安装孔2的两侧均对称设置有通槽5，故通槽5的数目为节线a数目的偶数倍。相邻通槽5的夹角为90°。

通槽5内侧半径等于圆刀片半径的二分之一，通槽5外侧半径等于圆刀片半径的五分之四。

（4）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7和螺钉6构成一声学系统。

因此，得到的圆刀片结构如下。

所述圆刀片包括一体成型的凸台1和圆盘3，所述凸台1中央设置有安装孔2，所述圆盘3与凸台1同轴设置，且所述圆盘3边沿设置有圆刀片前角4。圆刀片前角4的度数直接影响到切削锋利性、切削力、加工质量和切削效率。本实施圆刀片前角4的角度等于14°。

所述圆刀片径向放射状均匀分布有4个通槽5。同一通槽5的两侧槽边与圆刀片半径重合，且两侧槽边的夹角角度10°。所述通槽5的棱角圆弧设置，圆弧半径为1mm，避免因截面突变带来的应力集中。

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1高度，螺帽顶端不超出圆刀片下平面。

实施例1的圆刀片工作时没有啸叫声，工作稳定性好，工件加工质量好，切口断面整齐光滑、无撕裂。

实施例2。

超声波振动加工系统谐振频率20kHz，圆刀片直径D=25mm，圆刀片厚度h=1.4mm，圆刀片前角4的前角θ=14゜的圆形刀，刀具材料为工具钢，圆刀片材料和热处理应满足工作可靠性要求，在规定的切削时间内能正常工作，不会出现异常断裂。弹性模量E=2e11Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800Kg/m³，可以得到径向开槽圆刀片。槽形设计具体步骤为。

（1）设计出直径25mm圆形刀结构图，建立ANSYS模型进行有限元分析，计算圆刀片的振动模态。

（2）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a数目为3，如图3所示。

（3）振动模态中不存在节圆b，则在节线a上设置通槽5，所述通槽5呈径向放射状均匀分布。通槽5内侧半径等于圆刀片半径的五分之三，通槽5外侧半径等于圆刀片半径的十分之七。

（4）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7和螺钉6构成一声学系统。

因此，得到的圆刀片结构如下。

本实施圆刀片前角4的角度等于14°。

所述圆刀片径向放射状均匀分布有6个通槽5。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的棱角圆弧设置，圆弧半径为3mm。

其余与实施例1相同，不再赘述。

实施例2的圆刀片工作时没有啸叫声，工作稳定性好，工件加工质量好，切口断面整齐光滑、无撕裂。

实施例3。

超声波振动加工系统谐振频率20kHz，圆刀片直径D=102mm，圆刀片厚度h=9mm，圆刀片前角4的前角θ=18゜的圆形刀，刀具材料为工具钢，弹性模量E=2e11Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800Kg/m3，可以得到径向开槽的圆刀片。槽形设计具体步骤为。

（1）设计圆形刀结构图，建立ANSYS模型进行有限元分析，计算圆刀片的振动模态。

（2）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a为2，如图5所示。

（3）振动模态中存在振动幅度偏小的呈圆刀片圆周分布的两个节圆b，所述通槽5内侧半径小于最小节圆b内侧半径，所述通槽5外侧半径大于最大节圆b外侧半径，如图5所示。

（4）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7和螺钉6构成一声学系统。

因此，得到的圆刀片结构如下。

本实施圆刀片前角4的角度等于18°。

所述圆刀片径向放射状均匀分布有4个通槽5。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14°，所述通槽5的棱角圆弧设置。

其余与实施例1相同，不再赘述。

实施例3的圆刀片工作时没有啸叫声，工作稳定性好，工件加工质量好，切口断面整齐光滑、无撕裂。

在本技术方案中，所述通槽5还可以为圆形孔、多边形孔、串珠状孔或弧状长孔

或其他等效图形，如图7所示。

本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本发明原理的前提下，本装置还可以作出若干变形和改进，如用解析法或者转化矩阵法计算振动模态。应当指出，凡采用等同替换或等效变换等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。