一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄

摘要

本发明公开了一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄，包括钢制弹性框架(1)，所述钢制弹性框架(1)的一条边上开有豁口(2)，与所述豁口(2)所在边相邻的其中一条边上连接有一段刀具安装柄(3)，所述豁口(2)的两侧经调压螺栓(4)和碟簧组(5)弹性连接，所述钢制弹性框架(1)内夹装有超磁致伸缩驱动器(6)，所述超磁致伸缩驱动器(6)能将自身的伸缩运动转化为所述刀具安装柄(3)在轴向或径向上的振动。本发明具有散热性能好、零件装配间隙小，能量利用率高、装配零件成本相对较低的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及芳纶纸蜂窝材料加工技术领域，特别是一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄。

背景技术

芳纶纸蜂窝材料在航空航天领域已有广泛的应用。不同密度的芳纶纸蜂窝由于蜂窝壁厚度和力学性能的不同，在可加工性上也存在很大的差异。目前，中、低密度芳纶纸蜂窝一般采用高速铣削的加工方式，而高密度芳纶纸蜂窝酚醛树脂层由于厚度大，在酚醛树脂-芳纶纸-酚醛树脂的材料分布下整体呈现硬脆性-柔韧性-硬脆性的材料特点，一般实验室采用磨削等方式加工，效率低下。如果采用高速铣削加工高密度芳纶纸蜂窝，存在一些缺点和局限：一、加工质量和加工精度不易控制；由于蜂窝材料横向刚性较差，而铣削力较大，高速铣削加工过程中易产生材料的变形，造成蜂窝材料的倒塌、孔格变形、纤维拔出、撕裂等加工缺陷，从而对加工质量和加工精度产生影响；二、加工效率低；通过打碎材料的形式去除所有加工余量，刀具与材料间的作用力大，为保证加工质量，必须采用较低的进给速度，因而加工效率比较低；三、刀具磨损严重；由于高速铣削需要锯齿铣刃将材料打碎来完成材料的去除，铣削过程中的铣削力比较大，造成刀具磨损严重，且专用铣削刀具价格比较昂贵，磨损后无法继续使用，会使加工成本增高。

近年来，超声切削的加工方法为高密度芳纶纸蜂窝提供了一种新选择，超声刀柄是超声切削加工系统中的核心部件，目前普遍采用压电陶瓷作为超声刀柄中的换能材料，实现超声振动在高速铣削加工中的应用，基于压电陶瓷换能器的切削加工方法适合于低密度芳纶纸蜂窝，但对高密度芳纶纸蜂窝的切削加工，即使在超声振动的作用下刀刃也难以切入硬脆性的酚醛树脂材料，甚至造成超声刀具急速损坏；另外，压电陶瓷驱动的超声刀柄必须工作在共振频率下，当遇到高密度蜂窝材料时，负载力或阻尼变化过大，会导致共振频率偏移过大，进而降低电能-机械能转换效率，大量的能量转变为陶瓷片的热能，降低换能器使用寿命。

超磁致伸缩材料被广泛应用于医学，声化学等领域，虽然也有超声刀柄中选择用超磁致伸缩材料替换压电陶瓷作为超声刀柄中的换能材料，但简单的材料替换并不能使超磁致伸缩材料完美适配于超声刀柄，将超磁致伸缩材料应用到现有的超声刀柄时会存在以下问题：1、仍无法解决机械损耗等能量耗散引起超磁致伸缩材料的温升问题，换能器使用寿命不长；2、原超声刀柄以变幅杆作为振动放大机构，零件装配数多，会产生多处装配间隙，微位移变形无法完全传输到刀头，能量浪费严重；另外，变幅杆结构设计难度大，材质要求高，往往需要用钛合金制造，成本高昂；3、多处装配间隙也使得磁回路中的气隙多，磁阻增大，会严重阻碍磁场的形成，降低能量利用率。

因此，现有的超声振动刀柄存在散热性能差、零件装配间隙多，导致能量利用率低、装配零件成本高的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄。它具有散热性能好、零件装配间隙小，能量利用率高、装配零件成本相对较低的优点。

本发明的技术方案：一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄，包括钢制弹性框架，所述钢制弹性框架的一条边上开有豁口，与所述豁口所在边相邻的其中一条边上连接有一段刀具安装柄，所述豁口的两侧经调压螺栓和碟簧组弹性连接，所述钢制弹性框架内夹装有超磁致伸缩驱动器，所述超磁致伸缩驱动器能将自身的伸缩运动转化为所述刀具安装柄在轴向或径向上的振动。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：采用带豁口的钢制弹性框架作为振动放大机构，在钢制弹性框架上连接一段刀具安装柄，充分利用了杠杆原理放大超磁致伸缩驱动器的输出位移，没有多余的装配零件且相比于常规超声刀柄的变幅杆，钢制弹性框架和刀具安装柄对材质的选择要求低，只需普通金属即可，成本较低；没有多余的装配零件也就意味着没有装配间隙，超磁致伸缩驱动器的微位移变形可以完全传输到刀头，能量浪费少；更进一步地，常规的超磁致伸缩驱动器普遍有一个固定外壳作为支撑，而本发明的钢制弹性框架可以兼作超磁致伸缩驱动器的外部支撑，使超磁致伸缩驱动器可以固定在钢制弹性框架内部，钢制弹性框架作为超磁致伸缩驱动器的外部支撑，其具有良好的散热功能。

前述的一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄中，所述超磁致伸缩驱动器经预压螺栓固定在钢制弹性框架内。

前述的一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄中，所述超磁致伸缩驱动器包括线圈骨架、励磁线圈和超磁致伸缩材料，所述超磁致伸缩材料的一端抵住预压螺栓，另一端抵住钢制弹性框架内部的一个面。

前述的一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄中，所述钢制弹性框架为非导磁材料，所述超磁致伸缩驱动器的外侧环设有硅钢片组，所述硅钢片组内嵌于钢制弹性框架的内侧面。

前述的一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄中，所述钢制弹性框架连接有装配板。

前述的一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄中，所述超磁致伸缩驱动器的伸缩方向与碟簧组的伸缩方向一致，且均垂直于刀具安装柄的中轴线；或所述超磁致伸缩驱动器的伸缩方向与碟簧组的伸缩方向一致，且均平行于刀具安装柄的中轴线。

前述的一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄中，所述刀具安装柄内置有传动转轴，传动转轴的输入端经同步轮和同步带连接有电机。

附图说明

图1是本发明装配钨合金尖刀的结构示意图；

图2是图1的内部结构示意图；

图3是本发明装配钨合金盘刀的结构示意图；

图4是图3的内部结构示意图；

图5是另一形态的本发明装配钨合金尖刀的结构示意图；

图6是图5的内部结构示意图；

图7是采用非导磁材料钢制弹性框架的本发明装配钨合金尖刀的结构示意图；

图8是图7的内部结构示意图；

图9是采用非导磁材料钢制弹性框架的本发明装配钨合金盘刀的结构示意图；

图10是图9的内部结构示意图；

图11是采用非导磁材料钢制弹性框架的另一形态本发明装配钨合金尖刀的结构示意图；

图12是图11的内部结构示意图。

附图标记：1-钢制弹性框架，2-豁口，3-刀具安装柄，4-调压螺栓，5-碟簧组，6-超磁致伸缩驱动器，7-预压螺栓，8-装配板，9-传动转轴，10-同步轮，11-同步带，12-电机，13-硅钢片组，61-线圈骨架，62-励磁线圈，63-超磁致伸缩材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例一

一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄，用来装配钨合金尖刀，使钨合金尖刀沿刀柄径向振动，结构如图1和图2所示，包括钢制弹性框架1，所述钢制弹性框架1为四条边的框架体结构且其中一条边上开有豁口2，与所述豁口2所在边相邻的其中一条边上连接有一段刀具安装柄3，刀具安装柄3作为所连接那条边的延伸段，所述豁口2的两侧经调压螺栓4和碟簧组5弹性连接，所述钢制弹性框架1内以四条边的内侧面为支撑面夹装有超磁致伸缩驱动器6，所述超磁致伸缩驱动器6能将自身的伸缩运动转化为所述刀具安装柄3在径向上的振动。

进一步地，本实施例的钢制弹性框架1选择导磁材料，其整体作为磁回路，可以减少磁回路上的气隙，提高能量利用率。

进一步地，超磁致伸缩驱动器6经预压螺栓7固定在钢制弹性框架1内，预压螺栓7压住超磁致伸缩驱动器6伸缩方向上的一端，使得超磁致伸缩驱动器6的伸缩位移向另一端输出，从而利用杠杆原理将微位移变形可以完全传输到钨合金尖刀。

进一步地，超磁致伸缩驱动器6包括线圈骨架61、励磁线圈62和超磁致伸缩材料63，无固定的外壳，散热效率高，所述超磁致伸缩材料63的一端抵住预压螺栓7，另一端抵住钢制弹性框架1内部的一个面，从而将超磁致伸缩驱动器6稳定地夹持在钢制弹性框架1内部。

进一步地，钢制弹性框架1连接有装配板8，本发明在使用时是安装到五轴机床上或多关节机器人上，通过装配板8和螺栓的配合可以使本发明便捷地拆装。

进一步地，超磁致伸缩驱动器6的伸缩方向与碟簧组5的伸缩方向一致，且均垂直于刀具安装柄3的中轴线，本发明为径向振动刀柄，由于本发明是利用杠杆原理放大超磁致伸缩驱动器6的微位移，在本实施例中杠杆的支点为图2中的A点，超磁致伸缩驱动器6的伸缩方向与刀具安装柄3的中轴线呈垂直关系可以最大化地放大振动。

本实施例中的钨合金尖刀设计工作频率在10Hz-1000Hz可调，刀头最大振幅可达30um，无需工作在共振频率，抗负载能力强。

工作原理：励磁线圈62通入交变电流，产生交变磁场驱动中间的超磁致伸缩材料63发生伸缩变形，由于钢制弹性框架1上面有一个预压螺栓7紧紧压住超磁致伸缩材料63，超磁致伸缩材料63的变形推动钢制弹性框架1发生变形，钢制弹性框架1上连接的刀具安装柄3部分会将位移放大传递到钨合金尖刀的刀头，从而使刀头发生振动，刀头的高速微小振动能够用于切削蜂窝材料，每次切削就相当于微小的冲击。

实施例二

一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄，用来装配钨合金盘刀，使钨合金盘刀沿刀柄径向振动，结构如图3和图4所示，包括钢制弹性框架1，所述钢制弹性框架1为四条边的框架体结构且其中一条边上开有豁口2，与所述豁口2所在边相邻的其中一条边上连接有一段刀具安装柄3，刀具安装柄3作为所连接那条边的延伸段，所述豁口2的两侧经调压螺栓4和碟簧组5弹性连接，所述钢制弹性框架1内以四条边的内侧面为支撑面夹装有超磁致伸缩驱动器6，所述超磁致伸缩驱动器6能将自身的伸缩运动转化为所述刀具安装柄3在径向上的振动。

进一步地，本实施例的钢制弹性框架1选择导磁材料，其整体作为磁回路，可以减少磁回路上的气隙，提高能量利用率。

进一步地，超磁致伸缩驱动器6经预压螺栓7固定在钢制弹性框架1内，预压螺栓7压住超磁致伸缩驱动器6伸缩方向上的一端，使得超磁致伸缩驱动器6的伸缩位移向另一端输出，从而利用杠杆原理将微位移变形可以完全传输到钨合金盘刀。

进一步地，超磁致伸缩驱动器6包括线圈骨架61、励磁线圈62和超磁致伸缩材料63，无固定的外壳，散热效率高，所述超磁致伸缩材料63的一端抵住预压螺栓7，另一端抵住钢制弹性框架1内部的一个面，从而将超磁致伸缩驱动器6稳定地夹持在钢制弹性框架1内部。

进一步地，钢制弹性框架1连接有装配板8，本发明在使用时是安装到五轴机床上或多关节机器人上，通过装配板8和螺栓的配合可以使本发明便捷地拆装。

进一步地，超磁致伸缩驱动器6的伸缩方向与碟簧组5的伸缩方向一致，且均垂直于刀具安装柄3的中轴线，本发明为径向振动刀柄，由于本发明是利用杠杆原理放大超磁致伸缩驱动器6的微位移，在本实施例中杠杆的支点为图4中的B点，超磁致伸缩驱动器6的伸缩方向与刀具安装柄3的中轴线呈垂直关系可以最大化地放大振动。

进一步地，刀具安装柄3内置有传动转轴9，传动转轴9的输入端经同步轮10和同步带11连接有电机12，驱动钨合金盘刀做旋转运动。

本实施例中的钨合金盘刀设计工作频率在10Hz-1000Hz可调，刀头最大振幅可达30um，无需工作在共振频率，抗负载能力强。

工作原理：励磁线圈62通入交变电流，产生交变磁场驱动中间的超磁致伸缩材料63发生伸缩变形，由于钢制弹性框架1上面有一个预压螺栓7紧紧压住超磁致伸缩材料63，超磁致伸缩材料63的变形推动钢制弹性框架1发生变形，钢制弹性框架1上连接的刀具安装柄3部分会将位移放大传递到钨合金盘刀的刀头，从而使刀头发生振动，刀头的高速微小振动能够用于切削蜂窝材料，每次切削就相当于微小的冲击

实施例三

一种基于超磁致伸缩加工高密度芳纶纸蜂窝的振动刀柄，用来装配钨合金尖刀，使钨合金尖刀沿刀柄轴向振动，结构如图5和图6所示，包括钢制弹性框架1，所述钢制弹性框架1为四条边的框架体结构且其中一条边上开有豁口2，与所述豁口2所在边相邻的其中一条边上连接有一段刀具安装柄3，刀具安装柄3垂直所连接的那条边，所述豁口2的两侧经调压螺栓4和碟簧组5弹性连接，所述钢制弹性框架1内以四条边的内侧面为支撑面夹装有超磁致伸缩驱动器6，所述超磁致伸缩驱动器6能将自身的伸缩运动转化为所述刀具安装柄3在轴向上的振动。

进一步地，本实施例的钢制弹性框架1选择导磁材料，其整体作为磁回路，可以减少磁回路上的气隙，提高能量利用率。

进一步地，超磁致伸缩驱动器6经预压螺栓7固定在钢制弹性框架1内，预压螺栓7压住超磁致伸缩驱动器6伸缩方向上的一端，使得超磁致伸缩驱动器6的伸缩位移向另一端输出，从而利用杠杆原理将微位移变形可以完全传输到钨合金尖刀。

进一步地，超磁致伸缩驱动器6包括线圈骨架61、励磁线圈62和超磁致伸缩材料63，无固定的外壳，散热效率高，所述超磁致伸缩材料63的一端抵住预压螺栓7，另一端抵住钢制弹性框架1内部的一个面，从而将超磁致伸缩驱动器6稳定地夹持在钢制弹性框架1内部。

进一步地，钢制弹性框架1连接有装配板8，本发明在使用时是安装到五轴机床上或多关节机器人上，通过装配板8和螺栓的配合可以使本发明便捷地拆装。

进一步地，超磁致伸缩驱动器6的伸缩方向与碟簧组5的伸缩方向一致，且均平行于刀具安装柄3的中轴线，本发明为轴向振动刀柄，是利用杠杆原理放大超磁致伸缩驱动器6的微位移，在本实施例中杠杆的支点为图6中的C点。

本实施例中的钨合金尖刀设计工作频率在10Hz-1000Hz可调，刀头最大振幅可达30um，无需工作在共振频率，抗负载能力强。

工作原理：励磁线圈62通入交变电流，产生交变磁场驱动中间的超磁致伸缩材料63发生伸缩变形，由于钢制弹性框架1上面有一个预压螺栓7紧紧压住超磁致伸缩材料63，超磁致伸缩材料63的变形推动钢制弹性框架1发生变形，钢制弹性框架1上连接的刀具安装柄3部分会将位移放大传递到钨合金尖刀的刀头，从而使刀头发生振动，刀头的高速微小振动能够用于切削蜂窝材料，每次切削就相当于微小的冲击。

实施例四

本实施例基于实施例一至实施例三，将实施例一至实施例三中的钢制弹性框架1材料替换为非导磁材料，并在超磁致伸缩驱动器6的外侧环设硅钢片组13，硅钢片组13由若干硅钢片层叠，硅钢片组13内嵌于钢制弹性框架1的内侧面，如图7至图12所示。

本实施例中的非导磁材料可选择如不锈钢、铝合金或钛合金等，振动刀柄的其余结构与实施例一至实施例三保持一致，实施例一改版后的振动刀柄如图7和图8所示，实施例二改版后的振动刀柄如图9和图10所示，实施例三改版后的振动刀柄如图11和图12所示，此时钢制弹性框架1不再作为磁回路，硅钢片组13作为磁回路，相比于实施例一至实施例三中的结构能降低磁回路上的涡流损耗，能量利用率更高。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。