CN102825270B - 一种超声扭转振动主轴 - Google Patents

Abstract

一种超声扭转振动主轴，包括主轴和变幅杆；变幅杆设置在主轴的后端，变幅杆的后部连接有换能器，变幅杆的前部与主轴的后部活动地插接在一起，并使两者一起转动，变幅杆前部与主轴后部之间的配合间隙小于变幅杆的振幅。本发明中变幅杆与主轴之间不是固定连接，而是变幅杆前端与主轴后端通过插接方式的活动连接，两者之间的配合间隙小于变幅杆的振幅，变幅杆以高频产生扭转振动，将振动传递给主轴，驱动主轴以同样的频率产生微小的扭转振动，这样就使得变幅杆的振幅不受主轴所带工件或切削刀具的影响，即不受负载的影响，从而在切削加工时获得高质量的加工表面。

Description

一种超声扭转振动主轴

技术领域

本发明涉及一种用于机床上对工件进行超声波加工的超声振动主轴，属于超声振动主轴技术领域。

背景技术

通过超声波对金属表面加工，具有效率高、成本低、无污染的特点，能够降低金属表面的粗糙度值。可以通过各种超声波加工装置对金属表面加工，也可以通过直接带有超声波振动功能的主轴对金属表面加工。目前出现了各种各样的超声波加工主轴。

中国专利文献CN101369757公开了一种《感应式超声电主轴》，整个超声主轴由两大部分构成，后部分为电主轴，前部分为超声振动系统，两部分之间通过屏蔽环隔离其电磁场干扰，电机使得主轴产生高速旋转，超声振动系统由超声换能器、变幅杆和工具头构成，其产生主轴轴向的超声频振动。

CN101213042公开了一种《超声波加工主轴装置》， 在构成加工主轴的轴的壳体的外周面，卷绕装配有连接于振动器的接收线圈，另一方面，在其周围，隔开适宜的间隔并以同轴状设置有发送线圈，从超声波驱动装置输出的、用于驱动振动器的预定的电信号被施加在发送线圈上，能通过发送线圈和接收线圈间的电磁感应并经接收线圈向振动器施加预定的电信号。

 CN102101179A 公开了一种《旋转超声主轴》，包括有传递轴、后端盖、电刷座、内套、外套、轴承、前端盖、电刷、换能器、变幅杆，外套和内套通过轴承同轴安装，后端盖和前端盖限制轴承的轴向移动，变幅杆安装在内套中间，传递轴通过锥面和键槽与变幅杆连接，在传递扭矩的同时保证传递轴与内套的同轴，跟随内套旋转的电刷座固定在内套上，电刷固定在后端盖上，传递轴与机床主轴连接，加工工具安装在变幅杆下部，其中在换能器或/和变幅杆上设有与内套实现自动对中的带锥面的凸起法兰，换能器或/和变幅杆以其锥面抵住内套内表面阶梯轴过渡处的锥面。

CN101540540公开了一种《压电式超声旋转主轴装置》，具有主轴、轴套、变幅杆、换能器与集流装置，主轴为内、外复合轴，外轴为中空轴，在外轴上装有支承轴承，支承轴承由前、后轴承法兰压紧固定在外轴与所述的轴套之间；各轴承间设有定位隔套与套筒；变幅杆设有凸缘部，由法兰与螺钉将凸缘部连接在外轴端头；变幅杆只有变幅杆波节处的凸缘与外轴相接；在外轴中部装有一个驱动齿轮，由驱动齿轮传递旋转动力。外部提供的超声波发生器产生的高频振动信号，通过旋转运动的集流装置传递给换能器，换能器的压电晶片产生的轴向超声振动，经变幅杆放大后并作用到工具头。

但是，上述各种结构形式的超声主轴都是使超声振动系统或装置固定连接在主轴上，超声振动系统或装置中的变幅杆与切削刀具连接，带动切削刀具振动，切削刀具将产生的超声振动作用到工件上实现超声加工，加工过程中不是将振动直接作用在主轴上，主轴只起带动工件旋转的作用，并不参与振动，就像普通车床上的主轴只带动工件转动，而另有车刀车削工件一样。这样在加工时，切削刀具就会受切削参数（如线速度、切削深度和走刀量等）的影响，即受负载的影响，从而在切削加工时，工件不会得到稳定、连续的振动，严重影响超声波加工质量，使得超声加工效果不理想。

发明内容

本发明针对现有用于超声波加工的主轴结构所存在的问题，提供一种不受负载特性影响、可获得高质量的加工表面的超声扭转振动主轴。

本发明的超声扭转振动主轴，采用以下技术方案：

该超声扭转振动主轴，包括主轴和变幅杆；变幅杆设置在主轴的后端，变幅杆的后部连接有换能器，变幅杆的前部与主轴的后部活动地插接在一起，并使两者一起转动，变幅杆前部与主轴后部之间的配合间隙小于变幅杆的振幅。

变幅杆的前部与主轴的后部活动地插接在一起的结构可有以下几种形式：

1.变幅杆的前部呈扁平状，而在主轴的后端开有一与变幅杆的扁平前部相配合的槽，变幅杆扁平前部插入主轴后端的槽中。

2.变幅杆的前部与主轴后部是花键连接，具体可将变幅杆的前部加工成花键轴，而在主轴后部加工花键内孔，将变幅杆前部的花键轴插入主轴后部的花键孔。

3.变幅杆的前部截面加工成多边形，而主轴后部加工出与该多边形相配合的多边形内孔，变幅杆多边形前部插入主轴后部的多边形内孔中。

4.变幅杆的前部截面与主轴后部的内孔是其它任意能够相配合的形状，如半圆形、椭圆形等。

本发明中变幅杆与主轴之间不是固定连接，而是变幅杆前端与主轴后端通过插接方式的活动连接，两者之间的配合间隙小于变幅杆的振幅，变幅杆以高频产生扭转振动，将振动传递给主轴，驱动主轴以同样的频率产生微小的扭转振动，这样就使得变幅杆的振幅不受主轴所带工件或切削刀具的影响，即不受负载的影响，从而在切削加工时获得高质量的加工表面。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是变幅杆与主轴连接的第一种结构示意图。

图3是变幅杆与主轴连接的第二种结构示意图。

图4是变幅杆与主轴连接的第三种结构示意图。

图5是变幅杆与主轴连接的第四种结构示意图。

图中：1、主轴箱体，2、主轴，3、槽，4、变幅杆，5、保护套，6、电刷座，7、弹簧，8、电刷，9、螺旋压盖，10、换能器，11、绝缘环，12、集流环，13、绝缘套，14、连接套，15、变幅杆法兰，16、变幅杆前部。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的超声旋转主轴主要包括主轴2和变幅杆4。主轴2的后端连接有一个连接套14，可以通过在连接套14的前部设置内孔或止口与主轴的后端外圆或端面定位并将两者固定连接为一体。变幅杆4通过其上的变幅杆法兰15固定安装在连接套14的内孔中的台阶上，变幅杆4的后部连接换能器10，变幅杆4和换能器10由连接套14的内孔后端装入，然后通过螺旋压盖9将连接套14的内孔堵住。在连接套14的外部套装有一个保护套5，该保护套5可以通过定位销和螺栓固定安装在主轴箱体1上。变幅杆前部16活动地与主轴后部插接在一起，主轴能够带动变幅杆一起转动，两者之间的配合间隙很小，小于变幅杆4的振幅。

为了使换能器10与外部的电源连接，在连接套14上设置有电源连接装置，该装置包括设置在连接套14上的绝缘套13和套在绝缘套13上的两个集流环12，两个集流环12之间隔有绝缘环11，两个集流环12与换能器10连接有电线。同时两个集流环12各自与一个电刷8接触，两个电刷8安装在电刷座6中的电刷孔中，电刷8通过弹簧7与集流环12实现紧密接触。两个电刷8分别与外部电源线连接。在连接套14的外部套装有一个保护套5，电刷座6安装在该保护套5上。这样在连接套14随主轴2的转动中，通过电刷8使换能器10得到持续不断的供电。换能器10与外部的电源连接装置的结构，也可以采用中国专利文献CN101369757公开的《感应式供电装置》中的电源连接结构。

变幅杆前部16与主轴后部的插接结构，可以有以下几种形式：

1.如图2所示，变幅杆前部16呈扁平状，而在主轴2的后端开有一与变幅杆扁平前部相配合的槽3，变幅杆扁平前部插入主轴后端的槽中。变幅杆扁平前部与主轴后端槽3之间的配合间隙小于变幅杆4的振幅。

2. 如图3所示，变幅杆前部16与主轴后部是花键连接，可将变幅杆前部16加工成花键轴，而在主轴后部加工花键内孔，将变幅杆前部的花键轴插入主轴后部的花键孔，花键轴与花键孔的配合间隙小于变幅杆4的振幅。

3. 如图4所示，变幅杆前部16的截面加工成三角形、四边形、五边形等多边形（图4中为四边形），而主轴后部加工出与该多边形变幅杆前部相配合的多边形内孔，变幅杆的多边形前部插入主轴后部的多边形内孔中。变幅杆的多边形截面与主轴的多边形内孔的配合间隙小于变幅杆4的振幅。

4. 如图5所示，变幅杆的前部截面呈半圆形，而主轴后部加工出半圆形内孔，变幅杆的半圆形前部插入主轴后部的半圆形内孔中，变幅杆的半圆形截面与主轴的半圆形内孔的配合间隙小于变幅杆4的振幅。半圆形也可以是椭圆形等其它任意的形状。

本发明的上述超声旋转主轴中变幅杆4与主轴2的连接方式，不是采用的直接固定连接关系，而是使变幅杆4与主轴2活动地插接在一起，且两者之间的配合间隙小于变幅杆4的振幅，主轴2能够带动变幅杆4旋转，这样当变幅杆以高频产生扭转振动时，就会驱动主轴2以同样的频率产生微小的扭转振动，且此振幅不受主轴2所带工件或切削刀具的影响，即不受负载特性的影响，从而在切削加工时，获得高质量的加工表面。

本发明的这一结构原理与现有技术是完全不同的，现有技术中主轴是不参与振动的，所以超声波振动受负载影响，而本发明则完全避免了这一问题。

本发明的上述超声扭转振动主轴可适用于车床、铣床或钻床等机床的主轴。

Claims (1)

1.一种超声扭转振动主轴，包括主轴和变幅杆；其特征是：变幅杆设置在主轴的后端，变幅杆的后部连接有换能器，变幅杆的前部与主轴的后部活动地插接在一起，并使两者一起转动，变幅杆前部与主轴后部之间的配合间隙小于变幅杆的振幅。