1.本发明涉及航空航天难加工材料超声辅助加工技术领域，具体涉及一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置。
背景技术：2.随着航空航天行业的高速发展，对于航空航天领域典型材料如碳纤维复合材料的的需求日益旺盛。但与此同时典型材料所具有的高强度、易脆性和复杂结构等难加工特性，传统加工技术方法难以满足其典型材料零部件的生产加工。因此，超声振动辅助加工作为非传统加工技术的方法，以断续切削机理为主导，具有切削力小、切削热低、刀具延寿、表面加工质量高等特点，适用于钻削、铣削、车削等特种加工。
3.现有市场常用产品为一维纵向超声振动装置和二维纵扭超声振动装置，目前暂无三维超声振动装置。一维纵向或二维纵扭超声振动装置在面对复杂工况下无法满足多形式加工，且对于材料的切屑形态难以进行调控。
技术实现要素：4.本发明的目的是提供一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置，以解决现有技术中存在的问题。
5.为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置，包括拉钉、刀柄壳、三维超声换能器、压帽、立铣刀和弹簧夹头。
6.所述刀柄壳的上端与拉钉固定，下端开设有供三维超声换能器安装的空腔。
7.所述刀柄壳的外壁上套设并固定有相互间隔的无线输电接收整圆环ⅰ和无线输电接收整圆环ⅱ，无线输电接收整圆环ⅰ和无线输电接收整圆环ⅱ内均埋有副线圈。
8.所述三维超声换能器包括预紧螺栓、后盖板、第一组弯曲压电陶瓷片、第一绝缘垫片、第二组弯曲压电陶瓷片、第二绝缘垫片、第三组纵振压电陶瓷片和纵扭弯耦合变幅杆。
9.从上到下，所述后盖板、第一组弯曲压电陶瓷片、第一绝缘垫片、第二组弯曲压电陶瓷片、第二绝缘垫片、第三组纵振压电陶瓷片和纵扭弯耦合变幅杆依次叠放，预紧螺栓穿过后盖板、第一组弯曲压电陶瓷片、第一绝缘垫片、第二组弯曲压电陶瓷片、第二绝缘垫片和第三组纵振压电陶瓷片并旋入纵扭弯耦合变幅杆。
10.所述第一组弯曲压电陶瓷片和第二组弯曲压电陶瓷片均与无线输电接收整圆环ⅰ的副线圈连接，第三组纵振压电陶瓷片与无线输电接收整圆环ⅱ的副线圈连接。
11.所述纵扭弯耦合变幅杆包括从上到下依次连接的第一圆柱段、第一圆台段、第二圆柱段、第二圆台段、第三圆柱段和连接头。
12.所述第一圆柱段的上端面的中心处开设有螺纹孔，预紧螺栓的下端旋入螺纹孔。
13.所述第一圆柱段的下端与第一圆台段的大径端连接，纵扭弯耦合变幅杆位于第一圆台段与第二圆柱段连接处的外壁上连接有法兰盘，法兰盘与刀柄壳连接。
14.所述第二圆柱段、第二圆台段、第三圆柱段和连接头均伸出刀柄壳，第二圆柱段上
开设有若干螺纹槽，螺纹槽贯穿第二圆柱段的两端。
15.所述第二圆台段的小径端与第二圆柱段连接，第二圆台段上开设有弯振孔，弯振孔的轴线与第二圆台段的轴线垂直且贯穿第二圆台段。
16.所述纵扭弯耦合变幅杆的下端开设有弹簧夹头槽，弹簧夹头槽的上端延伸至第三圆柱段内部，下端贯穿连接头的下端面。所述弹簧夹头安装到弹簧夹头槽内。
17.所述立铣刀的尖部朝下，立铣刀的上端插入弹簧夹头并通过压帽紧固。
18.工作前，在加工中心主轴上固定双通道无线输电环，双通道无线输电环包括固定圆环、无线输电输出环ⅰ和无线输电输出环ⅱ。
19.轴线竖直的所述固定圆环连接加工中心主轴上，固定圆环的下表面固定有连接杆ⅰ和连接杆ⅱ，连接杆ⅰ和连接杆ⅱ均竖直且两者与固定圆环的连接点关于固定圆环的中心对称，连接杆ⅰ的长度小于连接杆ⅱ的长度。
20.所述无线输电输出环ⅰ和无线输电输出环ⅱ均为半圆环，无线输电输出环ⅰ连接到连接杆ⅰ面向连接杆ⅱ的一侧并靠近连接杆ⅰ的下端，无线输电输出环ⅰ的开口朝向连接杆ⅱ。所述无线输电输出环ⅱ连接到连接杆ⅱ面向连接杆ⅰ的一侧并靠近连接杆ⅱ的下端，无线输电输出环ⅱ的开口朝向连接杆ⅰ。
21.所述连接杆ⅰ和连接杆ⅱ上分别设置有第一电源接口和第二电源接口，第一电源接口与无线输电输出环ⅰ内部的原线圈连接，第二电源接口与无线输电输出环ⅱ内部的原线圈连接。
22.所述刀柄壳穿过固定圆环，无线输电接收整圆环ⅰ与无线输电输出环ⅰ相对，无线输电接收整圆环ⅱ与无线输电输出环ⅱ相对。
23.工作时，通过所述第一电源接口向无线输电输出环ⅰ提供超声电源ⅰ，第一组弯曲压电陶瓷片和第二组弯曲压电陶瓷片接收到无线输电接收整圆环ⅰ的感应电流进行弯曲振动形变。通过所述第二电源接口向无线输电输出环ⅱ提供超声电源ⅱ，第三组纵振压电陶瓷片接收到无线输电接收整圆环ⅱ的感应电流进行弯曲振动形变，带动立铣刀振动加工。
24.进一步，所述刀柄壳的外壁上固定有动平衡环。
25.进一步，所述法兰盘上开设有若干连接螺栓孔，若干连接螺栓穿过连接螺栓孔并旋入刀柄壳的下端面。
26.进一步，所述固定圆环通过若干紧定螺柱与加工中心主轴连接。
27.进一步，所述第一组弯曲压电陶瓷片包括四片呈半圆环的压电陶瓷片ⅰ，四片压电陶瓷片ⅰ分成上下两层，每层中的两片压电陶瓷片ⅰ开口相对，上层中两片压电陶瓷片ⅰ的分界线与下层中两片压电陶瓷片ⅰ的分界线重合。
28.所述第二组弯曲压电陶瓷片包括四片呈半圆环的压电陶瓷片ⅱ，四片压电陶瓷片ⅱ分成上下两层，每层中的两片压电陶瓷片ⅱ开口相对，上层中两片压电陶瓷片ⅱ的分界线与下层中两片压电陶瓷片ⅱ的分界线重合。所述第一组弯曲压电陶瓷片中每层压电陶瓷片ⅰ的分界线与第二组弯曲压电陶瓷片中每层压电陶瓷片ⅱ的分界线垂直。
29.所述第三组纵振压电陶瓷片包括相重叠的两块压电陶瓷片ⅲ，压电陶瓷片ⅲ呈圆形且开设有供预紧螺栓穿过的中央通孔。
30.所述三维超声换能器设置在o-xyz坐标系内，x-y面为水平面，z轴为纵向轴。
31.工作时，所述第一组弯曲压电陶瓷片和第二组弯曲压电陶瓷片产生x轴和y轴两个
方向的弯曲振动形变，第三组纵振压电陶瓷片产生z轴方向的弯曲振动形变。
32.本发明的有益效果在于：
33.1、本发明基于电磁感应无线输电原理，设计了双通道无线输电结构即双通道无线输电输出半圆环结构和双通道无线输电接收整圆环结构，通过采用两套超声电源分别传输给对应无线输电接收整圆环，进而激发不同压电陶瓷片产生不同方向的形变；
34.2、相较于传统的单通道纵向转纵扭二维超声振动装置，本发明通过采用分区电极设计了三组不同方向形变的压电陶瓷片结构，并采用两套超声电源分别激励弯曲和纵向变形陶瓷片即从源头即实现了三维超声振动；
35.3、弯曲压电陶瓷片每组由四片半圆环组成，并采用分区电极设计，上表面两半圆环为正负相对的电极，下表面两半圆环为负正相对的电极；中间连接面为同极，且左右两半圆环中间连接面为相反电极；
36.4、纵扭弯耦合变幅杆设计采用圆锥-倒圆锥复合结构，圆锥部分主要功能为聚能放大振幅；倒圆锥部分主要作用是与er16标准结构尺寸相匹配，便于其他零部件的标准连接和刀具的更换；
37.5、纵扭弯耦合变幅杆上圆柱面的四个螺纹槽结构能将超声纵向振动转化一部分为扭转振动，进而提高扭转振动幅度；
38.6、纵扭弯耦合变幅杆倒锥面上的弯振孔能一定程度上减缓倒锥面结构所产生的变幅杆放能，同时将纵向超声振动转化一部分为弯曲振动，进而放大弯曲振动幅度。
附图说明
39.图1为本发明的纵扭弯耦合三维超声振动装置结构示意图；
40.图2为本发明的纵扭弯耦合三维超声振动装置剖视图；
41.图3为本发明的纵扭弯耦合三维超声振动装置爆炸视图；
42.图4为本发明的双通道无线输电环示意图；
43.图5为刀柄壳示意图；
44.图6为三维超声换能器爆炸视图；
45.图7为三组纵振压电陶瓷片的示意图；
46.图8为纵扭弯耦合变幅杆半剖视图。
47.图中：拉钉1、刀柄壳2、无线输电接收整圆环ⅰ201、无线输电接收整圆环ⅱ202、双通道无线输电环3、第一电源接口301、第二电源接口302、紧定螺柱303、无线输电输出环ⅰ304、无线输电输出环ⅱ305、固定圆环306、动平衡环4、三维超声换能器5、预紧螺栓501、后盖板502、第一组弯曲压电陶瓷片503、第一绝缘垫片504、第二组弯曲压电陶瓷片505、第二绝缘垫片506、第三组纵振压电陶瓷片507、纵扭弯耦合变幅杆508、螺纹孔508a、法兰盘508b、连接螺栓孔508c、螺纹槽508d、弯振孔508e、连接头508f、弹簧夹头槽508g、连接螺栓6、压帽7、立铣刀8和弹簧夹头9。
具体实施方式
48.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯
用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
49.实施例1：
50.参见图1，本实施例公开了一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置，包括拉钉1、刀柄壳2、三维超声换能器5、压帽7、立铣刀8和弹簧夹头9。
51.参见图2，所述刀柄壳2的上端与拉钉1固定，下端开设有供三维超声换能器5安装的空腔。所述拉钉1为bt40刀柄通用拉钉。
52.参见图5，所述刀柄壳2的外壁上套设并固定有相互间隔的无线输电接收整圆环ⅰ201和无线输电接收整圆环ⅱ202，无线输电接收整圆环ⅰ201和无线输电接收整圆环ⅱ202内均埋有副线圈。所述刀柄壳2的外壁上固定有动平衡环4。
53.参见图6，所述三维超声换能器5包括预紧螺栓501、后盖板502、第一组弯曲压电陶瓷片503、第一绝缘垫片504、第二组弯曲压电陶瓷片505、第二绝缘垫片506、第三组纵振压电陶瓷片507和纵扭弯耦合变幅杆508。
54.从上到下，所述后盖板502、第一组弯曲压电陶瓷片503、第一绝缘垫片504、第二组弯曲压电陶瓷片505、第二绝缘垫片506、第三组纵振压电陶瓷片507和纵扭弯耦合变幅杆508依次叠放，预紧螺栓501穿过后盖板502、第一组弯曲压电陶瓷片503、第一绝缘垫片504、第二组弯曲压电陶瓷片505、第二绝缘垫片506和第三组纵振压电陶瓷片507并旋入纵扭弯耦合变幅杆508，并根据逆压电效应为压电陶瓷片提供预紧力。
55.所述第一组弯曲压电陶瓷片503和第二组弯曲压电陶瓷片505均与无线输电接收整圆环ⅰ201的副线圈连接，第三组纵振压电陶瓷片507与无线输电接收整圆环ⅱ202的副线圈连接。
56.参见图7，所述第一组弯曲压电陶瓷片503包括四片呈半圆环的压电陶瓷片ⅰ，四片压电陶瓷片ⅰ分成上下两层，每层中的两片压电陶瓷片ⅰ开口相对，上层中两片压电陶瓷片ⅰ的分界线与下层中两片压电陶瓷片ⅰ的分界线重合，且分别对上下两半圆环做分区电极处理。
57.所述第二组弯曲压电陶瓷片505包括四片呈半圆环的压电陶瓷片ⅱ，四片压电陶瓷片ⅱ分成上下两层，每层中的两片压电陶瓷片ⅱ开口相对，上层中两片压电陶瓷片ⅱ的分界线与下层中两片压电陶瓷片ⅱ的分界线重合。所述第一组弯曲压电陶瓷片503中每层压电陶瓷片ⅰ的分界线与第二组弯曲压电陶瓷片505中每层压电陶瓷片ⅱ的分界线垂直。
58.第一组弯曲压电陶瓷片503和第二组弯曲压电陶瓷片505均采用分区电极设计，其中每组上表面两半圆环为正负相对的电极，下表面两半圆环为负正相对的电极，中间连接面为同极，且左右两半圆环中间连接面为相反电极；
59.所述第三组纵振压电陶瓷片507包括相重叠的两块压电陶瓷片ⅲ，压电陶瓷片ⅲ呈圆形且开设有供预紧螺栓501穿过的中央通孔。
60.所述三维超声换能器5设置在o-xyz坐标系内，x-y面为水平面，z轴为纵向轴，所述第一组弯曲压电陶瓷片503和第二组弯曲压电陶瓷片505可产生x轴和y轴两个方向的弯曲振动形变，第三组纵振压电陶瓷片507可产生z轴方向的弯曲振动形变。
61.参见图8，所述纵扭弯耦合变幅杆508包括从上到下依次连接的第一圆柱段、第一圆台段、第二圆柱段、第二圆台段、第三圆柱段和连接头508f。
62.所述第一圆柱段的上端面的中心处开设有螺纹孔508a，预紧螺栓501的下端旋入
螺纹孔508a。
63.所述第一圆柱段的下端与第一圆台段的大径端连接，纵扭弯耦合变幅杆508位于第一圆台段与第二圆柱段连接处的外壁上连接有法兰盘508b，法兰盘508b与刀柄壳2连接。所述法兰盘508b上开设有若干连接螺栓孔508c，若干连接螺栓6穿过连接螺栓孔508c并旋入刀柄壳2的下端面。
64.所述第二圆柱段、第二圆台段、第三圆柱段和连接头508f均伸出刀柄壳2，第二圆柱段上开设有若干螺纹槽508d，螺纹槽508d贯穿第二圆柱段的两端，螺纹槽508d的作用是将纵向超声振动转化一部分为扭转振动。
65.所述第二圆台段的小径端与第二圆柱段连接，第二圆台段上开设有弯振孔508e，弯振孔508e的轴线与第二圆台段的轴线垂直且贯穿第二圆台段，弯振孔508e的作用是将纵向超声振动转化一部分为弯曲振动。
66.所述纵扭弯耦合变幅杆508的下端开设有弹簧夹头槽508g，弹簧夹头槽508g的上端延伸至第三圆柱段内部，下端贯穿连接头508f的下端面。所述弹簧夹头9安装到弹簧夹头槽508g内。
67.所述立铣刀8的尖部朝下，立铣刀8的上端插入弹簧夹头9并通过压帽7紧固。所述压帽7、弹簧夹头9、连接头508f三个结构的尺寸型号均为er16标准系列，可夹持刀具直径范围为1-10mm。
68.工作前，在加工中心主轴上固定双通道无线输电环3，双通道无线输电环3包括固定圆环306、无线输电输出环ⅰ304和无线输电输出环ⅱ305。
69.参见图4，轴线竖直的所述固定圆环306连接加工中心主轴上，为固定结构，不参与刀柄主体的旋转，固定圆环306通过若干紧定螺柱303与加工中心主轴连接。固定圆环306的下表面固定有连接杆ⅰ和连接杆ⅱ，连接杆ⅰ和连接杆ⅱ均竖直且两者与固定圆环306的连接点关于固定圆环306的中心对称，连接杆ⅰ的长度小于连接杆ⅱ的长度。
70.所述无线输电输出环ⅰ304和无线输电输出环ⅱ305均为半圆环，无线输电输出环ⅰ304连接到连接杆ⅰ面向连接杆ⅱ的一侧并靠近连接杆ⅰ的下端，无线输电输出环ⅰ304的开口朝向连接杆ⅱ。所述无线输电输出环ⅱ305连接到连接杆ⅱ面向连接杆ⅰ的一侧并靠近连接杆ⅱ的下端，无线输电输出环ⅱ305的开口朝向连接杆ⅰ。
71.所述连接杆ⅰ和连接杆ⅱ上分别设置有第一电源接口301和第二电源接口302，第一电源接口301与无线输电输出环ⅰ304内部的原线圈连接，第二电源接口302与无线输电输出环ⅱ305内部的原线圈连接。
72.参见图3，所述刀柄壳2穿过固定圆环306，无线输电接收整圆环ⅰ201与无线输电输出环ⅰ304相对，无线输电接收整圆环ⅱ202与无线输电输出环ⅱ305相对。
73.工作时，通过所述第一电源接口301向无线输电输出环ⅰ304提供超声电源ⅰ，第一组弯曲压电陶瓷片503和第二组弯曲压电陶瓷片505接收到无线输电接收整圆环ⅰ201的感应电流进行弯曲振动形变。通过所述第二电源接口302向无线输电输出环ⅱ305提供超声电源ⅱ，第三组纵振压电陶瓷片507接收到无线输电接收整圆环ⅱ202的感应电流进行弯曲振动形变，三组压电陶瓷片所产生的机械变形均通过纵扭弯耦合变幅杆508进行放大聚能以及转化为扭振和弯振来实现输出端的三维超声振动，带动立铣刀8振动加工。
74.值得说明的是，本发明装置通过采用两套超声电源输出的超声电信号分别输入设
计双通道无线输电环结构、纵弯振动换能器结构以及纵扭弯耦合变幅杆结构，进而实现了刀柄纵扭弯耦合三维超声振动，适用于复杂工况下难加工材料的特种加工，达到降低切削力、切削热、提高了表面加工质量以及刀具延寿等目的。
75.实施例2：
76.参见图1，本实施例公开了一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置，包括拉钉1、刀柄壳2、三维超声换能器5、压帽7、立铣刀8和弹簧夹头9。
77.参见图2，所述刀柄壳2的上端与拉钉1固定，下端开设有供三维超声换能器5安装的空腔。
78.参见图5，所述刀柄壳2的外壁上套设并固定有相互间隔的无线输电接收整圆环ⅰ201和无线输电接收整圆环ⅱ202，无线输电接收整圆环ⅰ201和无线输电接收整圆环ⅱ202内均埋有副线圈。
79.参见图6，所述三维超声换能器5包括预紧螺栓501、后盖板502、第一组弯曲压电陶瓷片503、第一绝缘垫片504、第二组弯曲压电陶瓷片505、第二绝缘垫片506、第三组纵振压电陶瓷片507和纵扭弯耦合变幅杆508。
80.从上到下，所述后盖板502、第一组弯曲压电陶瓷片503、第一绝缘垫片504、第二组弯曲压电陶瓷片505、第二绝缘垫片506、第三组纵振压电陶瓷片507和纵扭弯耦合变幅杆508依次叠放，预紧螺栓501穿过后盖板502、第一组弯曲压电陶瓷片503、第一绝缘垫片504、第二组弯曲压电陶瓷片505、第二绝缘垫片506和第三组纵振压电陶瓷片507并旋入纵扭弯耦合变幅杆508。
81.所述第一组弯曲压电陶瓷片503和第二组弯曲压电陶瓷片505均与无线输电接收整圆环ⅰ201的副线圈连接，第三组纵振压电陶瓷片507与无线输电接收整圆环ⅱ202的副线圈连接。
82.参见图8，所述纵扭弯耦合变幅杆508包括从上到下依次连接的第一圆柱段、第一圆台段、第二圆柱段、第二圆台段、第三圆柱段和连接头508f。
83.所述第一圆柱段的上端面的中心处开设有螺纹孔508a，预紧螺栓501的下端旋入螺纹孔508a。
84.所述第一圆柱段的下端与第一圆台段的大径端连接，纵扭弯耦合变幅杆508位于第一圆台段与第二圆柱段连接处的外壁上连接有法兰盘508b，法兰盘508b与刀柄壳2连接。
85.所述第二圆柱段、第二圆台段、第三圆柱段和连接头508f均伸出刀柄壳2，第二圆柱段上开设有若干螺纹槽508d，螺纹槽508d贯穿第二圆柱段的两端。
86.所述第二圆台段的小径端与第二圆柱段连接，第二圆台段上开设有弯振孔508e，弯振孔508e的轴线与第二圆台段的轴线垂直且贯穿第二圆台段。
87.所述纵扭弯耦合变幅杆508的下端开设有弹簧夹头槽508g，弹簧夹头槽508g的上端延伸至第三圆柱段内部，下端贯穿连接头508f的下端面。所述弹簧夹头9安装到弹簧夹头槽508g内。
88.所述立铣刀8的尖部朝下，立铣刀8的上端插入弹簧夹头9并通过压帽7紧固。
89.工作前，在加工中心主轴上固定双通道无线输电环3，双通道无线输电环3包括固定圆环306、无线输电输出环ⅰ304和无线输电输出环ⅱ305。
90.参见图4，轴线竖直的所述固定圆环306连接加工中心主轴上，固定圆环306的下表
面固定有连接杆ⅰ和连接杆ⅱ，连接杆ⅰ和连接杆ⅱ均竖直且两者与固定圆环306的连接点关于固定圆环306的中心对称，连接杆ⅰ的长度小于连接杆ⅱ的长度。
91.所述无线输电输出环ⅰ304和无线输电输出环ⅱ305均为半圆环，无线输电输出环ⅰ304连接到连接杆ⅰ面向连接杆ⅱ的一侧并靠近连接杆ⅰ的下端，无线输电输出环ⅰ304的开口朝向连接杆ⅱ。所述无线输电输出环ⅱ305连接到连接杆ⅱ面向连接杆ⅰ的一侧并靠近连接杆ⅱ的下端，无线输电输出环ⅱ305的开口朝向连接杆ⅰ。
92.所述连接杆ⅰ和连接杆ⅱ上分别设置有第一电源接口301和第二电源接口302，第一电源接口301与无线输电输出环ⅰ304内部的原线圈连接，第二电源接口302与无线输电输出环ⅱ305内部的原线圈连接。
93.参见图3，所述刀柄壳2穿过固定圆环306，无线输电接收整圆环ⅰ201与无线输电输出环ⅰ304相对，无线输电接收整圆环ⅱ202与无线输电输出环ⅱ305相对。
94.工作时，通过所述第一电源接口301向无线输电输出环ⅰ304提供超声电源ⅰ，第一组弯曲压电陶瓷片503和第二组弯曲压电陶瓷片505接收到无线输电接收整圆环ⅰ201的感应电流进行弯曲振动形变。通过所述第二电源接口302向无线输电输出环ⅱ305提供超声电源ⅱ，第三组纵振压电陶瓷片507接收到无线输电接收整圆环ⅱ202的感应电流进行弯曲振动形变，带动立铣刀8振动加工。
95.实施例3：
96.本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述刀柄壳2的外壁上固定有动平衡环4。
97.实施例4：
98.本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述法兰盘508b上开设有若干连接螺栓孔508c，若干连接螺栓6穿过连接螺栓孔508c并旋入刀柄壳2的下端面。
99.实施例5：
100.本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述固定圆环306通过若干紧定螺柱303与加工中心主轴连接。
101.实施例6：
102.本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述第一组弯曲压电陶瓷片503包括四片呈半圆环的压电陶瓷片ⅰ，四片压电陶瓷片ⅰ分成上下两层，每层中的两片压电陶瓷片ⅰ开口相对，上层中两片压电陶瓷片ⅰ的分界线与下层中两片压电陶瓷片ⅰ的分界线重合。
103.所述第二组弯曲压电陶瓷片505包括四片呈半圆环的压电陶瓷片ⅱ，四片压电陶瓷片ⅱ分成上下两层，每层中的两片压电陶瓷片ⅱ开口相对，上层中两片压电陶瓷片ⅱ的分界线与下层中两片压电陶瓷片ⅱ的分界线重合。所述第一组弯曲压电陶瓷片503中每层压电陶瓷片ⅰ的分界线与第二组弯曲压电陶瓷片505中每层压电陶瓷片ⅱ的分界线垂直。
104.所述第三组纵振压电陶瓷片507包括相重叠的两块压电陶瓷片ⅲ，压电陶瓷片ⅲ呈圆形且开设有供预紧螺栓501穿过的中央通孔。
105.所述三维超声换能器5设置在o-xyz坐标系内，x-y面为水平面，z轴为纵向轴。
106.工作时，所述第一组弯曲压电陶瓷片503和第二组弯曲压电陶瓷片505产生x轴和y轴两个方向的弯曲振动形变，第三组纵振压电陶瓷片507产生z轴方向的弯曲振动形变。
技术特征：1.一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置，其特征在于：包括所述拉钉(1)、刀柄壳(2)、三维超声换能器(5)、压帽(7)、立铣刀(8)和弹簧夹头(9)；所述刀柄壳(2)的上端与拉钉(1)固定，下端开设有供三维超声换能器(5)安装的空腔；所述刀柄壳(2)的外壁上套设并固定有相互间隔的无线输电接收整圆环ⅰ(201)和无线输电接收整圆环ⅱ(202)，无线输电接收整圆环ⅰ(201)和无线输电接收整圆环ⅱ(202)内均埋有副线圈；所述三维超声换能器(5)包括预紧螺栓(501)、后盖板(502)、第一组弯曲压电陶瓷片(503)、第一绝缘垫片(504)、第二组弯曲压电陶瓷片(505)、第二绝缘垫片(506)、第三组纵振压电陶瓷片(507)和纵扭弯耦合变幅杆(508)；从上到下，所述后盖板(502)、第一组弯曲压电陶瓷片(503)、第一绝缘垫片(504)、第二组弯曲压电陶瓷片(505)、第二绝缘垫片(506)、第三组纵振压电陶瓷片(507)和纵扭弯耦合变幅杆(508)依次叠放，预紧螺栓(501)穿过后盖板(502)、第一组弯曲压电陶瓷片(503)、第一绝缘垫片(504)、第二组弯曲压电陶瓷片(505)、第二绝缘垫片(506)和第三组纵振压电陶瓷片(507)并旋入纵扭弯耦合变幅杆(508)；所述第一组弯曲压电陶瓷片(503)和第二组弯曲压电陶瓷片(505)均与无线输电接收整圆环ⅰ(201)的副线圈连接，第三组纵振压电陶瓷片(507)与无线输电接收整圆环ⅱ(202)的副线圈连接；所述纵扭弯耦合变幅杆(508)包括从上到下依次连接的第一圆柱段、第一圆台段、第二圆柱段、第二圆台段、第三圆柱段和连接头(508f)；所述第一圆柱段的上端面的中心处开设有螺纹孔(508a)，预紧螺栓(501)的下端旋入螺纹孔(508a)；所述第一圆柱段的下端与第一圆台段的大径端连接，纵扭弯耦合变幅杆(508)位于第一圆台段与第二圆柱段连接处的外壁上连接有法兰盘(508b)，法兰盘(508b)与刀柄壳(2)连接；所述第二圆柱段、第二圆台段、第三圆柱段和连接头(508f)均伸出刀柄壳(2)，第二圆柱段上开设有若干螺纹槽(508d)，螺纹槽(508d)贯穿第二圆柱段的两端；所述第二圆台段的小径端与第二圆柱段连接，第二圆台段上开设有弯振孔(508e)，弯振孔(508e)的轴线与第二圆台段的轴线垂直且贯穿第二圆台段；所述纵扭弯耦合变幅杆(508)的下端开设有弹簧夹头槽(508g)，弹簧夹头槽(508g)的上端延伸至第三圆柱段内部，下端贯穿连接头(508f)的下端面；所述弹簧夹头(9)安装到弹簧夹头槽(508g)内；所述立铣刀(8)的尖部朝下，立铣刀(8)的上端插入弹簧夹头(9)并通过压帽(7)紧固；工作前，在加工中心主轴上固定双通道无线输电环(3)，双通道无线输电环(3)包括固定圆环(306)、无线输电输出环ⅰ(304)和无线输电输出环ⅱ(305)；轴线竖直的所述固定圆环(306)连接加工中心主轴上，固定圆环(306)的下表面固定有连接杆ⅰ和连接杆ⅱ，连接杆ⅰ和连接杆ⅱ均竖直且两者与固定圆环(306)的连接点关于固定圆环(306)的中心对称，连接杆ⅰ的长度小于连接杆ⅱ的长度；所述无线输电输出环ⅰ(304)和无线输电输出环ⅱ(305)均为半圆环，无线输电输出环ⅰ(304)连接到连接杆ⅰ面向连接杆ⅱ的一侧并靠近连接杆ⅰ的下端，无线输电输出环ⅰ(304)
的开口朝向连接杆ⅱ；所述无线输电输出环ⅱ(305)连接到连接杆ⅱ面向连接杆ⅰ的一侧并靠近连接杆ⅱ的下端，无线输电输出环ⅱ(305)的开口朝向连接杆ⅰ；所述连接杆ⅰ和连接杆ⅱ上分别设置有第一电源接口(301)和第二电源接口(302)，第一电源接口(301)与无线输电输出环ⅰ(304)内部的原线圈连接，第二电源接口(302)与无线输电输出环ⅱ(305)内部的原线圈连接；所述刀柄壳(2)穿过固定圆环(306)，无线输电接收整圆环ⅰ(201)与无线输电输出环ⅰ(304)相对，无线输电接收整圆环ⅱ(202)与无线输电输出环ⅱ(305)相对；工作时，通过所述第一电源接口(301)向无线输电输出环ⅰ(304)提供超声电源ⅰ，第一组弯曲压电陶瓷片(503)和第二组弯曲压电陶瓷片(505)接收到无线输电接收整圆环ⅰ(201)的感应电流进行弯曲振动形变；通过所述第二电源接口(302)向无线输电输出环ⅱ(305)提供超声电源ⅱ，第三组纵振压电陶瓷片(507)接收到无线输电接收整圆环ⅱ(202)的感应电流进行弯曲振动形变，带动立铣刀(8)振动加工。2.根据权利要求1所述的一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置，其特征在于：所述刀柄壳(2)的外壁上固定有动平衡环(4)。3.根据权利要求1或2所述的一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置，其特征在于：所述法兰盘(508b)上开设有若干连接螺栓孔(508c)，若干连接螺栓(6)穿过连接螺栓孔(508c)并旋入刀柄壳(2)的下端面。4.根据权利要求1或3所述的一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置，其特征在于：所述固定圆环(306)通过若干紧定螺柱(303)与加工中心主轴连接。5.根据权利要求1所述的一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置，其特征在于：所述第一组弯曲压电陶瓷片(503)包括四片呈半圆环的压电陶瓷片ⅰ，四片压电陶瓷片ⅰ分成上下两层，每层中的两片压电陶瓷片ⅰ开口相对，上层中两片压电陶瓷片ⅰ的分界线与下层中两片压电陶瓷片ⅰ的分界线重合；所述第二组弯曲压电陶瓷片(505)包括四片呈半圆环的压电陶瓷片ⅱ，四片压电陶瓷片ⅱ分成上下两层，每层中的两片压电陶瓷片ⅱ开口相对，上层中两片压电陶瓷片ⅱ的分界线与下层中两片压电陶瓷片ⅱ的分界线重合；所述第一组弯曲压电陶瓷片(503)中每层压电陶瓷片ⅰ的分界线与第二组弯曲压电陶瓷片(505)中每层压电陶瓷片ⅱ的分界线垂直；所述第三组纵振压电陶瓷片(507)包括相重叠的两块压电陶瓷片ⅲ，压电陶瓷片ⅲ呈圆形且开设有供预紧螺栓(501)穿过的中央通孔；所述三维超声换能器(5)设置在o-xyz坐标系内，x-y面为水平面，z轴为纵向轴；工作时，所述第一组弯曲压电陶瓷片(503)和第二组弯曲压电陶瓷片(505)产生x轴和y轴两个方向的弯曲振动形变，第三组纵振压电陶瓷片(507)产生z轴方向的弯曲振动形变。
技术总结本发明公开了一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置，包括拉钉、刀柄壳、三维超声换能器、压帽、立铣刀和弹簧夹头。三维超声换能器里包含的三组压电陶瓷片所产生的机械变形均通过纵扭弯耦合变幅杆进行放大聚能以及转化为扭振和弯振来实现输出端的三维超声振动，最终传递到立铣刀末端。本发明通过超声电源输出的超声电信号分别输入设计双通道无线输电环结构、纵弯振动换能器结构以及纵扭弯耦合变幅杆结构，进而实现了刀柄纵扭弯耦合三维超声振动，适用于复杂工况下难加工材料的特种加工，达到降低切削力、切削热、提高了表面加工质量以及刀具延寿等目的。延寿等目的。延寿等目的。
技术研发人员：曹华军 黄雪峰 张金 康信禛
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2022.02.23
技术公布日：2022/7/5
