CN220218732U - 一种超声直刃刀 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声直刃刀，包括变幅杆、刀座和直刃刀体，所述刀座的第一端固定连接在所述变幅杆的接口处，所述直刃刀体包括刀体基体、刀腹、侧刀刃和刀尖，所述刀体基体的第一端通过焊料焊接连接在所述刀座的第二端，所述刀腹和所述侧刀刃连接设置于所述刀体基体的第二端，所述侧刀刃对称设置于所述刀腹的两侧处，且所述刀腹的厚度和所述侧刀刃的厚度从连接所述刀体基体的一端到远离所述刀体基体的一端均逐渐减小，所述刀尖设置于所述刀腹两侧的所述侧刀刃的端头交汇处。本实用新型提出的用于超声辅助加工航空航天芳纶蜂窝材料的超声直刃刀，能够有效提高航空航天芳纶蜂窝材料的加工质量。

Description

一种超声直刃刀

技术领域

本实用新型涉及超声波加工领域，特别涉及一种针对芳纶纸蜂窝芯材的机加工超声切割直刃刀刀具。

背景技术

在航天航空领域航空器的质量一直是决定航空器优劣的重要条件，轻量化材料的研究是国际上飞机材料领域最活跃的研究方向之一，而芳纶纸蜂窝材料就是其成果中的佼佼者。芳纶纸蜂窝是一种极其特殊的材料，它具有比强度、比刚度高的特点，低变形，耐高温，耐化学腐蚀，阻燃，优良的电绝缘性能等一系列优良的特性，目前已广泛应用于航天航空领域。芳纶纸蜂窝材料是一种多孔蜂窝状结构的纤维材料，因此其在各向异性的性质尤为明显，在蜂窝芯格轴向方向上可以承受很大的应力拥有很高的刚度与强度，而在其芯格径向方向上只能承受很小的应力且极其容易产生变形。

使用传统的高速铣削加工方式对其进行加工时容易出现加工产生的碎屑纤维缠绕刀具阻碍加工、蜂窝工件撕裂、工件毛刺、外观缺陷等一系列问题。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种用于超声辅助加工航空航天芳纶蜂窝材料的超声直刃刀，能够有效提高航空航天芳纶蜂窝材料的加工质量。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型公开了一种超声直刃刀，包括变幅杆、刀座和直刃刀体，所述刀座的第一端固定连接在所述变幅杆的接口处，所述直刃刀体包括刀体基体、刀腹、侧刀刃和刀尖，所述刀体基体的第一端通过焊料焊接连接在所述刀座的第二端，所述刀腹和所述侧刀刃连接设置于所述刀体基体的第二端，所述侧刀刃对称设置于所述刀腹的两侧处，且所述刀腹的厚度和所述侧刀刃的厚度从连接所述刀体基体的一端到远离所述刀体基体的一端均逐渐减小，所述刀尖设置于所述刀腹两侧的所述侧刀刃的端头交汇处。

优选地，所述刀座的第一端处设有外螺纹部和导向柱部，所述导向柱部连接设置于所述外螺纹部的第二端，所述变幅杆的接口端处设有内螺纹部和导向槽部，所述导向槽部设置于所述内螺纹部的外端口处，其中所述外螺纹部与所述内螺纹部相互匹配，所述导向柱部与所述导向槽部对应设置，且所述导向柱部与所述导向槽部的表面粗糙度均不大于Ra0.8。

优选地，所述导向柱部和所述导向槽部分别呈锥形结构。

优选地，所述外螺纹部在预定的大径的基础上，采用相比标准粗牙螺纹更小的螺距，且所述外螺纹部的小径d＝D-P*1.0825，其中D为所述外螺纹部的大径，D的取值范围为7.8mm～8.2mm，P为所述外螺纹部的螺距，P的取值范围为1.058mm～1.33mm。

优选地，所述外螺纹部靠近所述导向柱部的一端处开设有退刀槽，所述退刀槽与所述外螺纹部之间以及所述退刀槽与所述导向柱部之间分别设有倒角。

优选地，所述刀座的第二端处设有夹持部，所述夹持部的中间开设有焊接槽，所述刀体基体的第一端通过焊料焊接连接在所述焊接槽内。

优选地，所述刀体基体与所述侧刀刃之间设有倒角，所述倒角的尺寸为所述刀体基体的厚度的1/2。

优选地，所述侧刀刃的角度为25°～30°。

优选地，所述刀尖处设有与所述变幅杆的轴向方向垂直的刀刃。

优选地，所述刀体基体的第一端与所述刀座的第二端之间的所述焊料的厚度为0.01mm～0.1mm。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供的超声直刃刀，其中直刃刀体的侧刀刃和刀腹从根部到尖端越来越薄，提升了直刃刀体的根部的强度，且能更好地传递超声能量，对航空航天芳纶纸蜂窝材料的侧面压力更小，稳定性高，从而能够有效提高航空航天芳纶蜂窝材料的加工质量。

在进一步的方案中，本实用新型还具有以下有益效果：

(1)刀座的外螺纹部靠近导向柱部的一端设有退刀槽，该退刀槽与外螺纹部以及与导向部处之间均设置圆弧过渡，能够减小刀具本身的应力集中，提高刀具寿命。

(2)刀座的外螺纹部在预定的大径的基础上，采用相比标准粗牙螺纹更小的螺距，以提高刀座与变幅杆之间的连接强度，提升抗疲劳强度，同时也保证超声传递接触面积。

(3)刀座的导向柱部和变幅杆的导向槽部分别采用锥形结构时，使得刀座安装在变幅杆上的时候定位更加准确，接触面也随之更大，且两锥面贴合度会随着螺纹预紧力的提高而提高，锥面的微小变形量还会修复由加工产生的锥面的误差。

附图说明

图1为本实用新型实施例一公开的超声直刃刀的结构示意图；

图2是图1中的超声直刃刀的分解示意图；

图3是图1中的超声直刃刀的安装示意图；

图4是图1中超声直刃刀的直刃刀体的结构示意图；

图5是图4中直刃刀体的侧视图；

图6是图5中的F-F的截面示意图；

图7是图1中超声直刃刀的刀座的结构示意图；

图8是图7中刀座的外螺纹部的结构示意图；

图9是图1中超声直刃刀的焊料的结构示意图；

图10是图9中的焊料的厚度示意图；

图11是图1中超声直刃刀的变幅杆的结构示意图；

图12为本实用新型实施例二公开的超声直刃刀的结构示意图；

图13是图12中超声直刃刀的刀座的结构示意图；

图14为本实用新型实施例三公开的超声直刃刀的结构示意图；

图15是图14中超声直刃刀的刀座的结构示意图。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型实施例和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为解决传统的高速铣削加工方式对芳纶纸蜂窝材料加工所存在的一系列问题，本实用新型提出的解决方案是超声辅助加工，此种技术的基本原理是给蜂窝芯材料的切割刀具沿轴向施加超声频振动，从而使切割刀具上可以轻易破坏芳纶纸蜂窝芯材料的内部分子结构达到切割的目的。

超声切割方案按超声组件与切割刀具是否一体分为两种，一种是将超声波变幅杆直接加工出刀刃形状，另一种是变幅杆与刀具分离式。因刀具为损耗品，刀具需要经常拆装更换，因此通常采用的是变幅杆与刀具为分离式设计。在该分离式设计中，由于变幅杆为螺纹连接，而螺纹大小受限，导致连接处螺纹强度不足，刀具螺纹连接处容易发生震断或因拆卸导致螺纹失效。

变幅杆与刀具分离式的刀具按刀片与刀座是否一体又分为一体式刀具及分体式刀具。由于切割刀具需承受高频振动所以即便采用硬度较高的金属材料也难以避免磨损的问题，而刀座刀片一体式的硬质合金刀具制造成本过于高昂，刀片刀座的连接方式选用不当又容易产生接触不良导致发热及能量损失的问题。且刀片的形状对蜂窝材料的非刃向压力过大的容易造成蜂窝材料切割结束后出现坍塌的现象。

基于上述所存在的问题，本实用新型设计了一种新型超声直刃刀，以达到提高螺纹连接强度，保证超声稳定输送至工作端，减小切削力，增加切削深度，提高芳纶蜂窝材料的加工表面质量以及降低加工成本。

如图1和图2所示，是本实用新型实施例一公开的超声直刃刀，包括变幅杆4、刀座1和直刃刀体3，刀座1的第一端固定连接在变幅杆4的接口处，结合图3，直刃刀体3通过焊料2焊接连接在刀座1的第二端。

结合图4，直刃刀体3包括刀体基体3-1、侧刀刃3-3、刀腹3-5和刀尖3-4，刀体基体3-1的第一端通过焊料2钎焊连接在刀座1的第二端，侧刀刃3-3和刀腹3-5连接设置于刀体基体3-1的第二端，侧刀刃3-3对称设置于刀腹3-5的两侧处，且刀腹3-5的厚度和侧刀刃3-3的厚度从连接刀体基体3-1的一端到远离刀体基体3-1的一端均逐渐减小，刀尖3-4设置于刀腹3-5两侧的侧刀刃3-3的端头交汇处(该交汇处位于侧刀刃3-3远离于刀体基体3-1的一端)。侧刀刃3-3用于在加工中对蜂窝材料的切削；结合图5和图6，其中侧刀刃3-3的角度γ为25°～30°，刀片的锋利程度随γ减小而增加，刀片强度随γ减小而降低。发明人发现，γ大于30°在实际切削时会产生较大的切削力，不利于加工。在本实施例中为获得最小切削力采用γ为25°。直刃刀体3的两面的刀腹3-5之间的角度为δ，通过设置刀腹3-5可以进一步减轻刀具的质量，提高输出振幅，本实施例中δ取值为2.2°。刀尖3-4处设有与变幅杆4的轴向方向垂直的刀刃，刀尖3-4开刃避免了切削蜂窝材料时产生拉伤、毛刺现象，本实施例中，直刃刀体3的两面的刀尖3-4刃面的夹角为β，本实施例中β取值为9°。

刀体基体3-1与侧刀刃3-3之间设有倒角3-2，倒角3-2的尺寸为刀体基体3-1的厚度的1/2，通过设置倒角3-2，降低了直刃刀体3高频振动时的应力集中。

结合图7，刀座1从第一端到第二端依次设有外螺纹部1-5、退刀槽1-4、导向柱部1-3和夹持部1-2，结合图11，变幅杆4的接口端处设有内螺纹部4-1和导向槽部4-2，导向槽部4-2设置于内螺纹部4-1的外端口处，其中外螺纹部1-5与内螺纹部4-1相互匹配，以使得刀座1固定连接在变幅杆4的接口处；导向柱部1-3与导向槽部4-2对应设置，使得焊接连接在刀座1上的直刃刀体3的中轴线与变幅杆4的中轴线重合；其中导向柱部1-3与导向槽部4-2的表面粗糙度均不大于Ra0.8，导向柱部1-3的公差为h6，且导向槽部4-2的公差为H7，以进一步提高超声直刃刀的整体精度。退刀槽1-4开设于外螺纹部1-5靠近导向柱部1-3的一端处，其中，退刀槽1-4与外螺纹部1-5之间以及退刀槽1-4与导向柱部1-3之间分别设有倒角，避免了刀具在高频振动时产生应力集中从而导致螺纹断裂。本实施例中，夹持部1-2采用外六角夹持结构，用于更换刀具时拆卸与安装；夹持部1-2的中间开设有焊接槽1-1，刀体基体3-1的第一端通过焊料2焊接连接在焊接槽1-1内。

如图2所示，超声能量经过刀座1时，超声能量传递路径为三条，分别为A螺纹传递路径、B导向面传递、C端面传递，此三条路径中传递路径传递超声能量的速率大小为C>A>B。如图8所示，为了保证超声传递接触面积的同时提高连接强度，在保证外螺纹部1-5的螺纹大径D尺寸不变原则，减小了螺牙的螺距P，在螺纹粗牙螺距基础上减小螺纹螺距P，小径d＝D-P*1.0825，螺距P减小小径d增大，提升了抗疲劳强度；而且在不影响超声的输送面积的情况下提高了刀座1与变幅杆4之间的连接强度。在此实施例中D设为8.1mm，P设为非常规螺距1.1mm。导向柱部1-3的外径需大于外螺纹部1-5的外径，在本实施例中导向柱部1-3的外径设为Φ9mm。

如图9、10所示，焊料2形成于刀体基体3-1的第一端与刀座1的第二端之间，也即位于焊接槽1-1内，其设有焊料倒角2-1、焊料底部2-2和焊料侧部2-3，其中焊料底部2-2和焊料侧部2-3的厚度分别为a、b，在本实施例中采用钎焊时a、b的范围应在0.005mm～0.1mm之间。为取得各性能相对平衡的效果，本实施例取a＝b＝0.05。

在本实施例中，直刃刀体3的两刀面完全对称，材质选用硬质合金，以提高刀具的硬度及耐磨性；刀座1的材料选用高强度钢，焊料2选用铜银合金，焊接方式采用钎焊，焊接完成后焊料2加工成倒圆角的结构(即图9所示的焊料倒角2-1的结构)，以降低应力集中，避免焊料被破坏。完整的刀具在声学方面频率在超声波组件频率的2.5倍以下，以避免过高的频率差对整个声学***产生影响。在本实施例中刀具的声学频率为43612Hz，本实施例应用于2KHz的声学***中，匹配后声学频率为20.2K。偏差率为0.2/20＝0.01，1％的偏差率，认为可接受。

如图12和13所示，是本实用新型实施例二公开的超声直刃刀的结构示意图，本实施例与实施例一的区别仅在于，刀座1中的夹持部1-2部分与导向柱部1-3相连贯形成，该结构一方面方便拆卸与安装，另一方面方便成型。另外，导向柱部1-3靠近外螺纹部1-5的底面1-6与导向槽部4-2的底面接触，以用于对螺纹的限位以及负责超声波的传递。本实施例中的超声直刃刀的其他结构与实施例一相同，在此不再赘述。

如图14和15所示，是本实用新型实施例三公开的超声直刃刀的结构示意图，本实施例与实施例一的区别仅在于，刀座1中的夹持部1-2部分与导向柱部1-3相连贯形成，而且导向柱部1-3采用锥形结构，对应地，变幅杆4的导向槽部4-2也采用锥形结构，该结构不仅方便拆卸与安装，方便成型，而且锥形结构使得刀座1安装在变幅杆4上的时候定位更加准确，接触面也随之更大，且两锥面贴合度会随着螺纹预紧力的提高而提高，锥面的微小变形量还会修复由加工产生的锥面的误差。另外，导向柱部1-3靠近外螺纹部1-5的底面1-6与导向槽部4-2的底面接触，以用于对螺纹的限位以及负责超声波的传递。本实施例中的超声直刃刀的其他结构与实施例一相同，在此不再赘述。

本实用新型的背景部分可以包含关于本实用新型的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本实用新型的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种超声直刃刀，其特征在于，包括变幅杆、刀座和直刃刀体，所述刀座的第一端固定连接在所述变幅杆的接口处，所述直刃刀体包括刀体基体、刀腹、侧刀刃和刀尖，所述刀体基体的第一端通过焊料焊接连接在所述刀座的第二端，所述刀腹和所述侧刀刃连接设置于所述刀体基体的第二端，所述侧刀刃对称设置于所述刀腹的两侧处，且所述刀腹的厚度和所述侧刀刃的厚度从连接所述刀体基体的一端到远离所述刀体基体的一端均逐渐减小，所述刀尖设置于所述刀腹两侧的所述侧刀刃的端头交汇处。

2.根据权利要求1所述的超声直刃刀，其特征在于，所述刀座的第一端处设有外螺纹部和导向柱部，所述导向柱部连接设置于所述外螺纹部的第二端，所述变幅杆的接口端处设有内螺纹部和导向槽部，所述导向槽部设置于所述内螺纹部的外端口处，其中所述外螺纹部与所述内螺纹部相互匹配，所述导向柱部与所述导向槽部对应设置，且所述导向柱部与所述导向槽部的表面粗糙度均不大于Ra0.8。

3.根据权利要求2所述的超声直刃刀，其特征在于，所述导向柱部和所述导向槽部分别呈锥形结构。

4.根据权利要求2所述的超声直刃刀，其特征在于，所述外螺纹部在预定的大径的基础上，采用相比标准粗牙螺纹更小的螺距，且所述外螺纹部的小径d＝D-P*1.0825，其中D为所述外螺纹部的大径，D的取值范围为7.8mm～8.2mm，P为所述外螺纹部的螺距，P的取值范围为1.058mm～1.33mm。

5.根据权利要求2所述的超声直刃刀，其特征在于，所述外螺纹部靠近所述导向柱部的一端处开设有退刀槽，所述退刀槽与所述外螺纹部之间以及所述退刀槽与所述导向柱部之间分别设有倒角。

6.根据权利要求1所述的超声直刃刀，其特征在于，所述刀座的第二端处设有夹持部，所述夹持部的中间开设有焊接槽，所述刀体基体的第一端通过焊料焊接连接在所述焊接槽内。

7.根据权利要求1所述的超声直刃刀，其特征在于，所述刀体基体与所述侧刀刃之间设有倒角，所述倒角的尺寸为所述刀体基体的厚度的1/2。

8.根据权利要求1所述的超声直刃刀，其特征在于，所述侧刀刃的角度为25°～30°。

9.根据权利要求1所述的超声直刃刀，其特征在于，所述刀尖处设有与所述变幅杆的轴向方向垂直的刀刃。

10.根据权利要求1所述的超声直刃刀，其特征在于，所述刀体基体的第一端与所述刀座的第二端之间的所述焊料的厚度为0.01mm～0.1mm。