一種超聲波切割刀具的製作方法

2023-10-10 14:26:14 1

本發明涉及切割裝置領域，具體地，涉及一種超聲波切割刀具。

背景技術：

粘性材料如橡膠、固態化學產品、印刷線路板等在切割時容易產生粘刀現象，彈性材料如凍肉、糖果、巧克力、水果、蛋糕等在切割時容易產生變形，壓壞材料表面。超聲波切割刀具通過超聲波的能量，將被切割材料的局部加熱熔化，達到切割目的，超聲波切割不需要鋒利的刃口，不需要很大的壓力，就可以將材料輕鬆切割，不會造成被切割材料的崩邊、破損和掉渣。同時，由於刀面在做超聲波振動，摩擦阻力特別小，被切割材料不易粘在刀片上，可以解決上述粘刀問題。且在切割的同時刀刃對切割部位產生熔合作用，切割的同時將切割面被完美地封邊，避免造成材料飛邊等問題。

傳統超聲波切割刀具主要由換能器、變幅杆、刀片組成。圖1是現有超聲波切割刀具中的刀片結構示意圖，如圖1所示，為了使刀片振動均勻且在刀刃處保持較大振幅，刀片設計成上大下小的楔形結構。但是，這種楔形結構的刀片的刀刃不能過長，若刀刃過長則可能產生刀片兩端刀尖振幅較大而刀刃中部振幅較小的現象，使刀片中部失去功能，因此現有超聲波切割刀具中刀片的刀刃通常設計的較短，無法適應多種工況。

這種楔形結構的刀片工作時的振型為縱向伸縮，這種振型雖然能在刀刃處得到最大振幅，但刀片中間某處會存在一個明顯的帶狀節面，越靠近節面處刀片的振幅越小，使得在切割粘性材料時，在刀片節面附近仍然存在粘刀現象。

如圖2a所示，由於刀片楔角的存在，在切割橡膠等較軟的材料時，切面兩端很難保證相同的角度。如圖2b所示，使用楔形刀片切割較厚且切角較小的材料時，當切到較深處時，楔形刀片上端會與材料產生幹涉，而阻礙刀片繼續切割。

為了使這種楔形結構刀片可以連續使用，必須採用如鈦合金等聲學特性較好的材料來製造。但鈦合金屬於典型難加工材料，要將鈦合金加工出固定楔角是十分困難的，其加工成本及原料成本也較高。且從機械性能考慮，鈦合金硬度不夠，不適合切割較硬的材料，因此現有的傳統超聲波切割刀具刀片的加工範圍較窄。

技術實現要素：

鑑於以上問題，本發明的目的是提供一種超聲波切割刀具，以轉接機構和刀片連接的設計代替楔形刀片結構，以解決現有超聲波切割刀具中刀刃較短，易出現切面兩端切角不同，切深較小，加工範圍窄且成本高等技術問題。

為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案：

本發明所述超聲波切割刀具，包括：

換能器、變幅杆，換能器與變幅杆連接；

轉接機構，轉接機構的頂部與變幅杆連接；以及

刀片，刀片與轉接機構的底部連接，

其中，刀片與轉接機構在同一頻率產生振型一致的共振。

優選的，刀片是片狀結構，在刀片上設置有豎直的多個通槽。

進一步地，優選的，在通槽靠近轉接機構的一側設置有傾斜的一個或多個橢圓槽。

優選的，轉接機構的頂部表面上設置有用於安裝變幅杆的第一螺紋孔。

作為另一優選，轉接機構的頂部表面上設置有沉孔，在沉孔中設置有用於安裝變幅杆的第一螺紋孔，且沉孔兩側設置有調整槽。

優選的，轉接機構的端面一側呈直線形狀，另一側從轉接機構的頂部朝向底部變窄，轉接機構的所述另一側的下部沿長度方向設置有多個第二螺紋孔，刀片通過第二螺紋孔安裝在轉接機構上。

進一步地，優選的，所述轉接機構的端面的所述另一側，從轉接機構的頂部先呈直線形狀後通過過渡圓弧朝向底部變窄。

作為另一優選，轉接機構的端面呈多邊形，且關於變幅杆的軸線對稱，轉接機構的底部沿長度方向間隔設置有多個安裝腳，所述多個安裝腳上均設置有第二螺紋孔，所述多個安裝腳內部均設置有固定槽，刀片通過第二螺紋孔安裝在固定槽內。

優選的，轉接機構中部沿長度方向設置有通孔。

優選的，轉接機構由鋁合金製造，刀片由不鏽鋼或合金鋼製造。

與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果：

本發明以轉接機構和刀片連接代替楔形刀片結構，通過轉接機構和刀片在同一頻率下產生振型一致的共振，使刀片產生良好振動，振幅均勻，刀片上不存在明顯節面，不會產生局部粘刀現象；且刀片呈片狀結構，刀刃較長，切深較深，使得加工範圍較廣，且避免了切面兩端切角不同和切刀上端與材料之間的幹涉；本發明中轉接機構可由鋁合金製造，降低成本，片狀刀片可由不鏽鋼或合金鋼製造，硬度遠大於鈦合金，可以切割較硬的材質，大大提高了超聲波切割刀具的使用範圍。

附圖說明

圖1是現有超聲波切割刀具中的刀片結構示意圖；

圖2a是現有超聲波切割刀具楔形刀片切割的一個應用例的剖面示意圖；

圖2b是現有超聲波切割刀具楔形刀片切割的另一個應用例的剖面示意圖；

圖3a是本發明所述超聲波切割刀具的一個優選實施例的示意圖；

圖3b是本發明所述超聲波切割刀具的另一個優選實施例的示意圖；

圖4a是圖3a所示超聲波切割刀具中轉接機構示意圖；

圖4b是圖3b所示超聲波切割刀具中轉接機構示意圖；

圖5a是圖3a所示超聲波切割刀具中刀片結構示意圖；

圖5b是圖3b所示超聲波切割刀具中刀片結構示意圖。

具體實施方式

下面將參考附圖來描述本發明所述的實施例。本領域的普通技術人員可以認識到，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下，可以用各種不同的方式或其組合對所描述的實施例進行修正。因此，附圖和描述在本質上是說明性的，而不是用於限制權利要求的保護範圍。此外，在本說明書中，附圖未按比例畫出，並且相同的附圖標記表示相同的部分。

下面結合圖3a、圖4a和圖5a來詳細說明本發明的一個優選實施例。

如圖3a所示，本發明所述超聲波切割刀具包括換能器100、變幅杆200、轉接機構300和刀片400，其中，換能器100與變幅杆200連接，轉接機構300的頂部與變幅杆200連接，轉接機構300的底部與刀片400連接，刀片400和轉接機構300在同一頻率產生振型一致的共振，二者在該共振頻率下的振型波動幅度一致。轉接機構300在某一頻率下的振型呈波浪形，且關於變幅杆200的軸線左右對稱，此振型剛好與刀片400在這一頻率下的振型所吻合，使得刀片400良好的振動，且振幅均勻，刀片400上不存在明顯節面，且刀片400的切深較深，適用工況廣泛。

圖4a是圖3a所示超聲波切割刀具中轉接機構示意圖，如圖4a所示，轉接機構300可採用鋁合金製造，降低了超聲波切割刀具的製造成本，在轉接機構300的頂部表面上設置有第一螺紋孔310，第一螺紋孔310用於安裝變幅杆200，轉接機構300與變幅杆200通過螺紋連接。轉接機構300的端面不是對稱結構，端面一側呈直線形狀，另一側從轉接機構300的頂部朝向底部變窄，優選地，另一側從轉接機構300的頂部先呈直線形狀後通過過渡圓弧朝底部過渡變窄。在轉接機構300的另一側的底部沿長度方向設置有多個第二螺紋孔321，在刀片400上設置多個與第二螺紋孔321對應的安裝孔410(如圖5a所示)，刀片400通過第二螺紋孔321安裝在轉接機構300上，可用螺釘直接將刀片400固定。

為了調整轉接機構300和刀片400的共振頻率和振型，優選地，在轉接機構300的中部沿長度方向設置有通孔330，通孔330位於轉接機構300的端面過渡圓弧的上方，通孔330的直徑根據轉接機構300和刀片400的共振頻率而定。

刀片400可由不鏽鋼或合金鋼板材加工製造，硬度遠大於鈦合金，大大提高了超聲波切割刀具的使用範圍。如圖5a所示，刀片400優選為片狀結構，避免切面兩端切角不同的現象以及切深較深時產生的幹涉現象。刀片400上設置有豎直的多個通槽420，通槽420用於調整刀片400的共振頻率，通槽420的尺寸、間距和位置分布等根據轉接機構300和刀片400的共振頻率而定。刀片上通槽420的設計使得全刀面振動均勻，無明顯節面，不產生局部粘刀現象。

通過優化轉接機構300和刀片400的匹配，圖3a中的超聲波切割刀具的切深可達到現有超聲波切割刀具的3倍。

下面結合圖3b、圖4b和圖5b來詳細說明本發明的另一個優選實施例。

如圖3b所示，本發明所述超聲波切割刀具包括換能器100、變幅杆200、轉接機構300和刀片400，其中，換能器100與變幅杆200連接，轉接機構300的頂部與變幅杆200連接，轉接機構300的底部與刀片400連接，刀片400和轉接機構300在同一頻率產生振型一致的共振，刀片400振幅均勻，不存在明顯節面，且刀片400的刀刃較長，適用工況廣泛。

圖4b是圖3b所示超聲波切割刀具中轉接機構示意圖，如圖4b所示，轉接機構300與圖4a所示的轉接機構300的不同之處在於，轉接機構300的頂部表面上處設置有沉孔340，第一螺紋孔(未示出)設置在沉孔340內，且在沉孔340兩側設置有調整槽341，調整槽341用於調整轉接機構300和刀片400的共振頻率和振型。調整槽341的尺寸根據實際情況而定。

轉接機構300的端面呈多邊形結構形式，且關於變幅杆200的軸線對稱，在轉接機構300的底部沿長度方向間隔設置有多個安裝腳320，在安裝腳320上均設置有第二螺紋孔321，優選地，在轉接機構300的底部中心處設置一個安裝腳320，其餘安裝腳320以底部中心為中心對稱均勻設置。優選地，在安裝腳320的內部均設置有固定槽322，刀片400安裝在固定槽322內。通過在刀片400上設置與安裝腳320上的第二螺紋孔321相對應的安裝孔410(如圖5b所示)，將刀片400安裝在固定槽322內，可用螺釘進行固定。

在轉接機構300中部沿長度方向設置的通孔330，可位於安裝腳320的正上方，且關於變幅杆200的軸線對稱。

如圖5b所示，刀片400與圖5a中刀片400的不同之處在於，在通槽420與安裝孔410之間設置有傾斜的一個或多個橢圓槽430，橢圓槽430與通槽420一起調整轉接機構300和刀片400的共振頻率，使刀片400與轉接機構300在同一頻率附近產生振型一致的共振，刀片上橢圓槽430與通槽420的共同作用使得全刀面振動均勻，無明顯節面，不產生局部粘刀現象。其中，橢圓槽430的尺寸、傾斜角度以及設置間距等均由轉接機構300和刀片400所需要的共振頻率而定。

通過優化轉接機構300和刀片400的匹配，圖3b中的超聲波切割刀具的刃長可達到現有超聲波切割刀具的5倍。

在本發明中，雖然僅在第二實施例中示出了沉孔340和橢圓槽430，然而第一實施例也可以根據模態仿真結果，增設這兩者。

以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。