超音波悬臂梁切削方法与流程

1.本发明涉及一种工业设计中的切削方法，尤其涉及一种轻量化处理工件切削方法。


背景技术：

2.随着工业设计的快速发展，产品各项性能的快速提升势在必行。传统工业设备的用于承载受力的部件悬臂梁，都直接采用整体的条状或者板状的型材，且大多数设备中都就有若干这种悬臂梁。这种直接采用型材的方式，虽然能保证不悬臂梁具有的刚性和承载能力，但是其重量为整个设备的负荷增加了很多；并且还占据了整个设备的极大设计空间；由于悬臂梁的规则形状占据设备空间的各个角落，彰显出设备的工业设计感较低和笨重，工业设计美感差。
3.因此，既能保持悬臂梁具有足够刚性和承载能力，又能减轻设备重量及增加工业设计美感的悬臂梁切削方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种超音波悬臂梁切削方法，通过该超音波悬臂梁切削方法对现有的悬臂梁进行切削，使得切削后的悬臂梁既具有足够刚性和承载能力，又能减轻设备重量及增加工业设计美感。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种超音波悬臂梁切削方法，其包括如下步骤：(1)将悬臂梁的长度方向的一端进行固定，并保持悬臂梁呈水平状；(2)对悬臂梁的长度方向的另一端的中心处施加竖直向下的作用力f，该作用力f需使悬臂梁具有明显的弯曲趋势；(3)保持作用力f不变，保持弯曲的悬臂梁处于静止状态；(4)采用静态有限元法(static finite element method，简称：static fem)找出悬臂梁承受作用力f的有效应力区域和无效应力区域；所述有效应力区域为p≥5.0兆帕，所述无效应力区域为p＜5.0兆帕；其中，p为压力，单位为帕；(5)采用超音波设备切削掉悬臂梁的无效应力区域；(6)循环执行步骤(1)－步骤(5)直至悬臂梁的重量满足所需设计为止。
6.与现有技术相比，本发明通过对现有的悬臂梁的无效应力区域进行多次的超音波切削，使得悬臂梁的重量大幅减小实现轻量化的设计，但是其刚性和承载能力依然保持所需；从而使得使用本发明的方法对悬臂梁进行切削处理后，重量大幅减轻，但是其刚性和承载能力并未受到较大的影响，仍然能满足所需。同时，现有的悬臂梁经过超音波切削后会呈多处呈镂空状及边缘部分多处呈弧状，其工业设计美感得到大幅提升。另，采用超音波设备所提供的超音波切削，使得能精准的切削掉无效应力区域，同时确保切削表面不会受损。由此可见，使用本发明的超音波悬臂梁切削方法对现有的悬臂梁进行切削，使得切削后的悬臂梁既具有足够刚性和承载能力，又能减轻设备重量及增加工业设计美感。
7.较佳地，本发明的超音波悬臂梁切削方法中的作用力f满足如下关系式：1.5s≤f≤2.5s；其中f的单位为牛顿；s为悬臂梁的表面积且单位为平方厘米。
附图说明
8.图1是需要利用本发明的超音波悬臂梁切削方法进行切削的悬臂梁的第一实施例结构示意图。
9.图2是对图1的悬臂梁左端进行固定右端施加竖直向下的作用力f后的静止状态的静态有限元－应力图。
10.图3是切削图2中的无效应力区域后的悬臂梁的结构示意图。
11.图4是对图3所示的悬臂梁左端进行固定右端施加竖直向下的作用力f后的静止状态的静态有限元－应力图。
12.图5是切削图4中的无效应力区域后的悬臂梁的结构示意图。
13.图6是利用本发明的超音波悬臂梁切削方法对第二实施例的悬臂梁进行四次超音波设备切削的状态图。
14.图7是图1和图6中悬臂梁采用超音波设备切削后的切削表面放大144倍的影像图。
15.图8是采用现有cnc数控机床刀对图1和图6中悬臂梁切削后的切削表面放大144倍的影像图。
具体实施方式
16.现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
17.本发明的超音波悬臂梁切削方法，包括如下步骤：(1)将悬臂梁的长度方向的一端进行固定，并保持悬臂梁呈水平状；(2)对悬臂梁的长度方向的另一端的中心处施加竖直向下的作用力f，该作用力f需使悬臂梁具有明显的弯曲趋势；(3)保持作用力f不变，保持弯曲的悬臂梁处于静止状态；(4)采用静态有限元法(static finite element method，简称：static fem)找出悬臂梁承受作用力f的有效应力区域和无效应力区域；所述有效应力区域为p≥5.0兆帕，所述无效应力区域为p＜5.0兆帕；其中，p为压力，单位为帕；(5)采用超音波设备切削掉悬臂梁的无效应力区域；(6)循环执行步骤(1)－步骤(5)直至悬臂梁的重量满足所需设计为止。由此可见，本发明通过对现有的悬臂梁的无效应力区域进行多次的超音波切削，使得悬臂梁的重量大幅减小实现轻量化的设计，但是其刚性和承载能力依然保持所需；从而使得使用本发明的方法对悬臂梁进行切削处理后，重量大幅减轻，但是其刚性和承载能力并未受到较大的影响，仍然能满足所需。同时，现有的悬臂梁经过超音波切削后会呈多处呈镂空状及边缘部分多处呈弧状，其工业设计美感得到大幅提升。另，采用超音波设备所提供的超音波切削，使得能精准的切削掉无效应力区域，同时确保切削表面不会受损。由此可见，使用本发明的超音波悬臂梁切削方法对现有的悬臂梁进行切削，使得切削后的悬臂梁既具有足够刚性和承载能力，又能减轻设备重量及增加工业设计美感。具体地，结合图1－图8对本发明超音波悬臂梁切削方法做进一步详细的说明。
18.如图1－图5所示，本发明的第一实施例，设计要求为悬臂梁重量减轻20％且刚性最大化：
19.该第一实施例对图1的悬臂梁进行了两次超音波切削后得到所需设计重量的悬臂梁(图5所示)；具体地切削步骤如下：步骤(1)将图1所示的悬臂梁的左端进行固定，并保持该悬臂梁呈水平状态；图1所示的悬臂梁呈规则的矩形截面的板状结构，其长度为160毫米，宽度为40毫米，其表面面积s＝64平方厘米。步骤(2)于该悬臂梁的右端中心处施加竖直向
下的作用力f，f＝100牛顿，f＝1.5625s；进一步地，作用力f可以进行调整，其满足1.5s≤f≤2.5s即可；该悬臂梁在作用力f的作用下呈现明显的弯曲趋势(如图2所示)。步骤(3)保持作用力f不变，保持弯曲的悬臂梁处于静止状态。步骤(4)采用静态有限元法(static finite element method，简称：static fem)找出悬臂梁承受作用力f的有效应力区域和无效应力区域；所述有效应力区域为p≥5.0兆帕，所述无效应力区域为p＜5.0兆帕；其中，p为压力，单位为帕；具体地，图2中标示了p＝0.0083271兆帕的区域，标示了p＝0.065601兆帕的区域，标示了p＝0.51681兆帕的区域，标示了p＝4.0714兆帕的区域，标示了p＝32.074兆帕的区域，标示了p＝252.68兆帕的区域；由此可见，p＝0.0083271兆帕的区域、p＝0.065601兆帕的区域、p＝0.51681兆帕的区域、p＝4.0714兆帕的区域均为无效应力区域；p＝32.074兆帕的区域及p＝252.68兆帕的区域为有效应力区；无效应力区域表示其用于抵抗承受作用力f的效率极低。步骤(5)采用超音波设备切削掉悬臂梁的无效应力区域，即削切掉图2所示的p＝0.0083271兆帕的区域、p＝0.065601兆帕的区域、p＝0.51681兆帕的区域、p＝4.0714兆帕的区域均为无效应力区域；削切掉图2上述无效应力区域后剩余的为有效应力区域(即，图3所示)，该有效应力区域对应图3所示的结构图；由于图3所示的悬臂梁的重量还不满足所需设计的要求，因此还需对其进行切削。步骤(6)将图3所述的悬臂梁的左端进行固定，并保持该悬臂梁呈水平状。步骤(7)对图3所示的悬臂梁的右端的中心处施加竖直向下的作用力f，f＝100牛顿，该作用力f使悬臂梁具有明显的弯曲趋势(图4所示)。步骤(8)保持作用力f不变，保持弯曲的悬臂梁处于静止状态。步骤(9)采用静态有限元法(static finite elementmethod，简称：static fem)找出悬臂梁承受作用力f的有效应力区域和无效应力区域；所述有效应力区域为p≥5.0兆帕，所述无效应力区域为p＜5.0兆帕；其中，p为压力，单位为帕；具体地，图4中标示了p＝0兆帕的区域，标示了p＝0.025299兆帕的区域，标示了p＝0.25299兆帕的区域，标示了p＝2.5299兆帕的区域，标示了p＝25.299兆帕的区域，标示了p＝252.99兆帕的区域；由此可见，p＝0兆帕的区域、p＝0.025299兆帕的区域、p＝0.25299兆帕的区域、p＝2.5299兆帕的区域均为无效应力区域；p＝25.299兆帕的区域及p＝252.99兆帕的区域为有效应力区；无效应力区域表示其用于抵抗承受作用力f的效率极低。步骤(10)采用超音波设备切削掉悬臂梁的无效应力区域，即削切掉图4所示的p＝0兆帕的区域、p＝0.025299兆帕的区域、p＝0.25299兆帕的区域、p＝2.5299兆帕的区域均为无效应力区域；削切掉图4上述无效应力区域后剩余的为有效应力区域(即，图5所示)，该有效应力区域对应图5所示的结构图；由于图5所示的悬臂梁的重量满足所需设计的要求(重量减少20％)，因此完成对现有悬臂梁(图1所示)的轻量化切削设计，切削后得到的悬臂梁如图5所示。通过对图1所示的悬臂梁的无效应力区域进行连续两次的超音波切削而得到轻量化的图5所示的悬臂梁，使得悬臂梁的重量大幅减小实现轻量化的设计，但是其刚性和承载能力依然保持所需；从而使得使用本发明的方法对悬臂梁进行切削处理后，重量大幅减轻，但是其刚性和承载能力并未受到较大的影响，仍然能满足所需。同时，现有的悬臂梁(图1所示)经过超音波切削后会呈多处呈镂空状及边缘部分多处呈弧状(图5所示)，其工业设计美感得到大幅提升。另，结合图7及图8所示，本发明采用超音波设备所提供的超音波切削相对于采用现有的cnc数控机床刀进行切削，使得能精准的切削掉无效应力区域，同时确保切削表面不会受损。
20.如图6所示，本发明的第二实施例，设计要求为悬臂梁重量减轻50％且刚性最大
化：
21.该第二实施例的悬臂梁呈规则的矩形截面的板状结构，其长度为80毫米，宽度为50毫米，其表面面积s＝40平方厘米。在第二实施例与第一实施例同样施加的作用力f＝100牛顿，其第一次切削之前f＝2.5s，进一步地，作用力f可以进行调整，其满足1.5s≤f≤2.5s即可。该第二实施例与上述第一实施例不同之处在于，本实施例对悬臂梁进行了四次超音波切削，具体每次超音波切削后的悬臂梁结构图如图6所示。通过对图6所示的悬臂梁的无效应力区域进行连续四次的超音波切削而得到所需设计要求的悬臂梁(重量减轻50％)，使得悬臂梁的重量大幅减小实现轻量化的设计，但是其刚性和承载能力依然保持所需；从而使得使用本发明的方法对悬臂梁进行切削处理后，重量大幅减轻，但是其刚性和承载能力并未受到较大的影响，仍然能满足所需。同时，现有的悬臂梁(图1所示)经过超音波切削后会呈多处呈镂空状及边缘部分多处呈弧状(图5所示)，其工业设计美感得到大幅提升。另，结合图7及图8所示，本发明采用超音波设备所提供的超音波切削相对于采用现有的cnc数控机床刀进行切削，使得能精准的切削掉无效应力区域，同时确保切削表面不会受损。
22.另，本发明所涉及的静态有限元法为本领域普通技术人员所熟知的，在此不再作详细的说明。
23.以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。