CN103071614B - 分离式超磁致伸缩旋转超声振动头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分离式超磁致伸缩旋转超声振动头，包括：刀柄；变幅杆；刀具；永磁体；超磁致伸缩棒，所述超磁致伸缩棒套设在所述永磁体上，所述超磁致伸缩棒与所述永磁体同轴且与所述永磁体之间形成填充间隙；第一和第二导磁片；线圈，所述线圈套设在所述超磁致伸缩棒上，所述线圈中通入超声频交变电流产生交变磁场以驱动所述超磁致伸缩棒产生超声频纵向振动；和线圈支架，所述线圈支架设在所述线圈外周以安装所述线圈。根据本发明实施例的超声振动头，将线圈与刀柄分离设计，实现超声能量非接触式传输的同时，提高了能量的传输效率，在同等条件下增大了输出功率和输出振幅。
Description
技术领域
本发明涉及超声精密加工技术领域，更具体地，涉及一种分离式超磁致伸缩旋转超声振动头。
背景技术
在旋转超声加工设备的设计制造上，目前普遍采用的方法是使用压电陶瓷片作为电-机能量转换元件，在超声波发生器与压电陶瓷换能器之间使用导电滑环来将电能从静止部件（超声波发生器）传输出到旋转部件（压电陶瓷换能器）。使用导电滑环的主要缺点在于：(1)滑环的滑动磨损快，使用寿命短，需要频繁更换，而且更换麻烦；(2)滑环的导线裸露，容易打火，发热量大，具有一定的安全隐患；(3)滑环的转速不宜过高，限制了主轴转速，对高转速的应用环境不利。
德国DMG公司率先推出了Ultrasonic系列超声加工中心，摒弃了传统的导电滑环，而采用非接触电能传输的方式，使得这一问题得到改善，但同时也带来了新的问题。非接触电能传输的技术关键在于旋转式变压器，这种变压器的原边与副边之间存在气隙，即是一种松耦合的状态，气隙的尺寸取决于偏心的尺寸和旋转轴的公差。气隙导致了原边磁化电感量降低、原边与副边之间的漏感非常大，因此能量传输效率很低，大大减小了输出到刀具的超声能量和刀具端面的振幅，这对旋转超声加工是十分不利的。
近年来，稀土超磁致伸缩材料成为研究热点。这种材料除了具有高的磁致伸缩性能之外，还具有输出功率大、能量密度高、响应速度快等优点。利用稀土超磁致伸缩材料制作超声换能器，并应用于旋转超声加工机床，将能有效地提高旋转超声加工的输出超声功率。目前尚未有针对旋转超声加工设计的超磁致伸缩换能器，普遍的设计形式对旋转超声加工而言有许多不合理之处，例如产生交变磁场的线圈与超磁致伸缩棒设计成一体，在旋转应用场合仍然需要使用导电滑环；又如结构设计对刀柄集成不利，需要进行较大的改动才能应用于旋转超声加工。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种安装方便、传输效率高的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头。
根据本发明实施例的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头，包括：刀柄，所述刀柄包括夹持部和连接杆，所述连接杆的上端与所述夹持部相连；变幅杆，所述变幅杆的上端与所述连接杆的下端相连；刀具，所述刀具设在所述变幅杆下端；永磁体，所述永磁体设在所述连接杆的外周壁上且与所述连接杆同轴，所述连接杆穿过所述永磁体与所述变幅杆相连；超磁致伸缩棒，所述超磁致伸缩棒套设在所述永磁体上，所述超磁致伸缩棒与所述永磁体同轴且与所述永磁体之间形成填充间隙；第一和第二导磁片，所述第一导磁片设在所述夹持部与所述超磁致伸缩棒之间，所述第二导磁片设在所述变幅杆的上端与所述超磁致伸缩棒之间；线圈，所述线圈套设在所述超磁致伸缩棒上，所述线圈与所述超磁致伸缩棒同轴且与所述超磁致伸缩棒之间形成安装间隙，所述线圈中通入超声频交变电流产生交变磁场以驱动所述超磁致伸缩棒产生超声频纵向振动；和线圈支架，所述线圈支架设在所述线圈外周以安装所述线圈。
根据本发明实施例的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头，将线圈与刀柄分离设计，实现超声能量非接触式传输的同时，提高了能量的传输效率，在同等条件下增大了输出功率和输出振幅；另外，该超声振动头结构紧凑，接合面少，有利于超声能量的高效传输和整体质量的减轻，并且刀柄和线圈结构相对于机床独立，无需对机床进行大的改动，安装使用方便。
另外，根据本发明实施例的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述永磁体的高度小于所述超磁致伸缩棒的高度，且所述填充间隙内填充有弹性材料。
可选地，所述弹性材料为橡胶。
根据本发明的一个实施例，所述线圈的高度大于所述超磁致伸缩棒的高度。
可选地，进一步包括冷却管，所述冷却管安装在所述线圈支架上，所述冷却管的一端伸入到所述安装间隙内。
可选地，所述冷却管的另一端与空气压缩机或冷却液泵相连以冷却所述超声振动头。
根据本发明的一个实施例，所述超磁致伸缩棒包括多个间隔开布置的切片，多个所述切片成环形分部，多个所述切片之间通过环氧树脂粘接且所述切片的外周和内周分别设有同轴布置的外壳和内壳。
可选地，所述线圈支架通过螺钉安装在机床上。
根据本发明的一个实施例，所述连接杆与所述变幅杆通过螺纹连接。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头的结构示意图；
图2是根据图1中A-A线的剖面图；
图3是根据本发明实施例的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头的超磁致伸缩棒的俯视图；
图4是根据本发明实施例的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头的线圈支架的结构示意图；
图5是根据本发明实施例的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头的线圈支架的安装示意图；
图6是根据本发明实施例的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头的线圈支架的另一安装示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“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发明和简化描述，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发明的限制。
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个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图具体描述根据本发明实施例的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头。
如图1至图6所示，根据本发明实施例的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头包括：刀柄10、变幅杆20、刀具30、永磁体40、超磁致伸缩棒50、第一导磁片60、第二导磁片70、线圈80和线圈支架90。
具体而言，如图1所示，刀柄10包括夹持部11和连接杆12，连接杆12的上端与夹持部11相连。变幅杆20的上端与连接杆12的下端相连，刀具30设在变幅杆20下端。永磁体40设在连接杆12的外周壁上且与连接杆12同轴，连接杆12穿过永磁体40与变幅杆20相连。
超磁致伸缩棒50套设在永磁体40上，超磁致伸缩棒50与永磁体40同轴且与永磁体40之间形成填充间隙。第一导磁片60设在夹持部11与超磁致伸缩棒50之间，第二导磁片70设在变幅杆20的上端与超磁致伸缩棒50之间。
线圈80套设在超磁致伸缩棒50上，线圈80与超磁致伸缩棒50同轴且与超磁致伸缩棒50之间形成安装间隙，线圈80通入超声频交变电流产生交变磁场以驱动超磁致伸缩棒50产生超声频纵向振动。线圈支架90设在线圈80外周以安装线圈80。
由此，根据本发明实施例的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头，将线圈80与刀柄10分离设计，实现超声能量非接触式传输的同时，提高了能量的传输效率，在同等条件下增大了输出功率和输出振幅；另外，该超声振动头结构紧凑，接合面少，有利于超声能量的高效传输和整体质量的减轻，并且刀柄10和线圈80结构相对于机床独立，无需对机床进行大的改动，安装使用方便。
需要理解的是，根据本发明实施例的超声振动头，采用超磁致伸缩材料制作具有分离线圈的超声换能器。超声波发生器的两极与线圈80的两端相连，超声波发生器产生的超声频交变电流流经线圈80，通过电磁感应原理可以理解，将在线圈80内的空间产生超声频的交变磁场，处于交变磁场中的超磁致伸缩棒50产生超声频的机械振动，从而将电能转化为机械能，达到换能效果。与压电陶瓷材料依靠两端电压的变化来产生机械振动的机理不同，超磁致伸缩材料依靠空间磁场的变化产生机械振动。基于二者产生机械振动的机理不同，使用超磁致伸缩材料制作分离式超声换能器，只需要单一线圈提供空间交变磁场，而不需要一组松耦合的线圈，因而能够有效避免松耦合旋转式变压器能量传输效率低的问题。
根据本发明实施例的超声振动头，将超声振动系统与刀柄10作为整体进行统筹设计。刀柄10、变幅杆20、永磁体40、超磁致伸缩棒50、第一导磁片60和第二导磁片70同轴布置（如图2所示）。刀柄10的选择没有特殊限制，可以根据具体机床采用的刀柄连接标准进行选择，例如BT、HSK等。刀柄10的上端与机床的主轴配合，作为换能器后盖板，刀柄10的连接杆12穿过第一导磁片60、永磁体40、超磁致伸缩棒50和第二导磁片70的中心孔，刀柄10的下端与变幅杆20相连。由于刀柄10可以选用任意的标准，可针对不同的加工需求，设计一系列集成刀柄，实现集成刀柄的快速更换。
变幅杆20是对换能器前端面的集成设计，变幅杆20的上端对超磁致伸缩棒50施加均匀的预紧力，使其处于压缩状态，变幅杆20的下端与具有接口的刀具30相连。变幅杆20上设有V型槽，V型槽形成在合适的位置，可以在安装时避免与线圈80产生干涉。第一导磁片60和第二导磁片70使线圈80产生的磁场与超磁致伸缩棒50构成完整的回路。永磁体40提供偏置磁场，避免产生倍频现象。
根据本发明的一个实施例，永磁体40的高度小于超磁致伸缩棒50的高度，且填充间隙内填充有弹性材料。关于弹性材料的选择没有特殊限制，采用非导磁的材料即可。优选地，弹性材料为橡胶。由此，可以保证变幅杆20的上端施加的预紧力施加给超磁致伸缩棒50。
优选地，根据本发明的一个实施例，线圈80的高度大于超磁致伸缩棒50的高度。由此，线圈80上下两端的高度比超磁致伸缩棒50的高度略长，可以保证超磁致伸缩棒50所处磁场的均匀性。
考虑到根据本发明实施例的超声振动头的线圈80与刀柄10采用分离设计，刀柄10安装后，线圈80包裹在超磁致伸缩棒50外侧，两者不接触且形成安装间隙。为了充分利用该安装间隙，根据本发明的一个实施例，超声振动头进一步包括冷却管91，冷却管91安装在线圈支架90上，冷却管91的一端伸入到该安装间隙内。冷却管91可沿线圈支架90放置多股，冷却方式可以采用空气冷却或冷却液冷却，冷却介质流经线圈80与超磁致伸缩棒50之间的空隙，可同时对超磁致伸缩棒50和线圈80进行冷却。
根据本发明的一个实施例，冷却管91的另一端与空气压缩机或冷却液泵相连以冷却超声振动头。由此，在线圈80与刀柄10分离设计的同时，在两者之间形成的安装间隙内设置冷却系统，有利于降低超声振动头在加工过程中超磁致伸缩棒50与线圈80的温度，确保其工作温度低于居里点，可以保证加工的顺利进行，并且延长设备的整体使用寿命。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，超磁致伸缩棒50包括多个间隔开布置的切片53，多个切片53成环形分部，多个切片53之间通过环氧树脂粘接且所述切片的外周和内周分别设有同轴布置的外壳52和内壳51。其中，外壳52和内壳51为非导磁材料，只要是对环形分部的切片53起固定作用。由此，该结构可以减少超声振动头在工作时产生的涡流损耗，提高输出功率。
关于线圈支架90，需要理解的是，线圈支架90可以包括固定部分92和旋转部分93（如图4所示）。
其中，固定部分92与机床主轴的轴向平行，根据机床的具体情况选择固定形式和位置；旋转部分93可绕固定部分92旋转，并在与刀柄10配合的位置设置限位档，以保证配合精度。在进行普通加工时，可将线圈支架90旋出主轴位置，以避免机械手及普通刀柄的V型槽与线圈支架90产生干涉，保证普通刀柄的正常安装；在进行超声加工时，将线圈支架90旋至限位档，实现线圈80与超磁致伸缩棒50的配合。
根据本发明的一个实施例，线圈支架90通过螺钉安装在机床上。具体地，线圈支架90在机床上的装配位置没有特殊限制，可以根据需要进行合理调节，线圈支架90可以固定在机床床身的底面上（如图5所示），也可以固定在机床床身的侧面（如图6所示）。
根据本发明实施例的超声振动头的各部件之间的连接方式没有特殊限制，优选地，根据本发明的一个实施例，连接杆12与变幅杆20通过螺纹连接。
根据本发明的超声振动头在装配时，对于任意普通机床，根据该机床的刀柄型号，设计相应的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头。
然后根据机床的实际情况选择线圈支架90的固定位置和方式。线圈80的两端与超声波发生器的两极相接，冷却管91与空气压缩机（空冷）或冷却液泵（液冷）相接。
进行旋转超声加工时，将线圈支架90旋至合适的位置并固定，确保线圈80从外侧与超磁致伸缩棒50配合。超声振动头的刀柄10一侧安装在机床主轴上，金刚石刀具30通过一定的连接方式安装在变幅杆20的下端。
具体地，超声振动头在进行旋转超声加工时，首先调节超声波发生器跟踪系统的谐振频率，并输出相应频率的交流电，调节合适的超声波发生器输出功率。超声波发生器输出的超声频交流电经线圈80形成空间的超声频交变磁场，该磁场通过第一导磁片60和第二导磁片70、超磁致伸缩棒50形成闭合磁路。
在超声频交变磁场的作用下，超磁致伸缩棒50产生超声频的纵向机械振动，机械振动经过变幅杆20进行振幅放大，并传输到金刚石刀具30端部，金刚石刀具30端部既作较大振幅的超声频纵向振动，又随主轴作高速旋转运动，在两种运动的综合作用下，对硬脆材料进行旋转超声加工。同时，冷却管91输出气流或冷却液，对超磁致伸缩棒50和线圈80进行冷却，确保其工作温度低于居里点。
总而言之，根据本发明实施例的分离式超磁致伸缩旋转超声振动头，在实现超声能量非接触式传输的同时，提高了能量的传输效率，在同等条件下增大了输出功率和输出振幅；另外，该超声振动头结构紧凑，接合面少，有利于超声能量的高效传输和整体质量的减轻，并且刀柄10和线圈80结构相对于机床独立，无需对机床进行大的改动，安装使用方便。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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发明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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种分离式超磁致伸缩旋转超声振动头，其特征在于，包括：
刀柄，所述刀柄包括夹持部和连接杆，所述连接杆的上端与所述夹持部相连；
变幅杆，所述变幅杆的上端与所述连接杆的下端相连；
刀具，所述刀具设在所述变幅杆下端；
永磁体，所述永磁体设在所述连接杆的外周壁上且与所述连接杆同轴，所述连接杆穿过所述永磁体与所述变幅杆相连；
超磁致伸缩棒，所述超磁致伸缩棒套设在所述永磁体上，所述超磁致伸缩棒与所述永磁体同轴且与所述永磁体之间形成填充间隙；
第一和第二导磁片，所述第一导磁片设在所述夹持部与所述超磁致伸缩棒之间，所述第二导磁片设在所述变幅杆的上端与所述超磁致伸缩棒之间；
线圈，所述线圈套设在所述超磁致伸缩棒上，所述线圈与所述超磁致伸缩棒同轴且与所述超磁致伸缩棒之间形成安装间隙，所述线圈中通入超声频交变电流产生交变磁场以驱动所述超磁致伸缩棒产生超声频纵向振动；和
线圈支架，所述线圈支架设在所述线圈外周以安装所述线圈。
2.根据权利要求1所述的超声振动头，其特征在于，所述永磁体的高度小于所述超磁致伸缩棒的高度，且所述填充间隙内填充有弹性材料。
3.根据权利要求2所述的超声振动头，其特征在于，所述弹性材料为橡胶。
4.根据权利要求1所述的超声振动头，其特征在于，所述线圈的高度大于所述超磁致伸缩棒的高度。
5.根据权利要求1所述的超声振动头，其特征在于，进一步包括冷却管，所述冷却管安装在所述线圈支架上，所述冷却管的一端伸入到所述安装间隙内。
6.根据权利要求5所述的超声振动头，其特征在于，所述冷却管的另一端与空气压缩机或冷却液泵相连以冷却所述超声振动头。
7.根据权利要求1所述的超声振动头，其特征在于，所述超磁致伸缩棒包括多个间隔开布置的切片，多个所述切片成环形分布，多个所述切片之间通过环氧树脂粘接且所述切片的外周和内周分别设有同轴布置的外壳和内壳。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的超声振动头，其特征在于，所述线圈支架通过螺钉安装在机床上。
9.根据权利要求8所述的超声振动头，其特征在于，所述连接杆与所述变幅杆通过螺纹连接。
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