CN103157593A - 一种超声椭圆振动铣削刀柄装置 - Google Patents

Abstract

一种超声椭圆振动铣削刀柄装置，它包括有供电盒、超声椭圆振动铣削刀柄、密封环和保护罩；供电盒的上端面通过螺栓与机床的刀盘下平面连接，超声椭圆振动铣削刀柄的小圆轴与刀盘通过弹簧夹头连接，其大圆柱的上端面与供电盒的下端面螺接，其大圆柱的下端面放置密封环，并通过螺栓与保护罩连接；本发明能够与传统加工中心实现柔性对接，实现高频超声椭圆振动铣削，解决钛合金、复合材料高精度、高效率铣削难题。它在超声振动加工装置技术领域里具有广阔地应用前景。

Description

一种超声椭圆振动铣削刀柄装置

技术领域

本发明涉及一种应用于难加工材料精密加工领域的铣削加工装置,尤其是指一种能产生高频超声椭圆振动的铣削刀柄装置。属于超声振动加工装置技术领域。

背景技术

随着航空、航天等国防产业的飞速发展，对飞机、导弹等产品高速、高机动性能要求越来越高。在保证强度和刚度的条件下，轻量化、结构整体化是航空航天产品发展的必然趋势。采用复合材料、钛合金等材料的薄壁结构件具有高强度、重量轻、高承载等特点，在航空航天领域得到了越来越广泛的应用。在薄壁零件的加工过程中，由于其刚性较低，在切削力、切削热、切削振动等因素综合作用下，使其极易产生加工变形，难以保证零件的加工精度和表面质量，甚至造成整个构件的报废，严重影响整体加工效率。因此高精度、高效率加工已成为航空航天薄壁件加工制造的紧迫需求。

超声振动切削间断、往复的断续切削特点使其具有显著降低切削力、抑制振颤、降低残余应力、提高加工精度和表面质量、延长刀具寿命等作用。为解决薄壁件的高精度、高效率加工问题，超声振动逐渐被引入到铣削加工中，国内外均取得了一些成果。但至今尚没有一种能够与传统加工中心实现柔性对接的超声振动铣削刀柄，这限制了超声振动铣削技术在精密铣削领域的应用。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种超声椭圆振动铣削刀柄装置，它能够与传统加工中心实现柔性对接，实现高频超声椭圆振动铣削，解决钛合金、复合材料高精度、高效率铣削难题。2、技术方案：

本发明一种超声椭圆振动铣削刀柄装置，它包括有供电盒、超声椭圆振动铣削刀柄、密封环和保护罩。它们之间的位置连接关系是：供电盒的上端面通过螺栓与机床的刀盘下平面连接，超声椭圆振动铣削刀柄的小圆轴与刀盘通过弹簧夹头连接，其大圆柱的上端面与供电盒的下端面螺接，其大圆柱的下端面放置密封环，并通过螺栓与保护罩连接。

所述供电盒包括电源插座、左半壳体和右半壳体。其之间的关系是：电源插座放置在左半壳体的梯形通孔225内，左半壳体和右半壳体通过连接件连成整体。该电源插座是按需选购的市购件；该左半壳体为半环状件，其上设置有A上端面227和A下端面228，中部设置有梯形通孔225用于放置电源插座21，其设置的C通孔223用于与右半壳体螺接；A上端面227上设置的B通孔222用于与机床刀盘的下平面连接。该右半壳体的形状与左半壳体类似，其上设置有B上端面234和B下端面236，B对接面233上设置的F通孔232用于与左半壳体螺接，B上端面234上设置的E通孔231用于与机床刀盘的下平面连接。该供电盒主要是为了实现插拔供电和连接机床主轴外壳与导电滑环定子实现回转供电的作用。在本发明中供电盒设计成左右两个半壳体，这是为了在安装超声椭圆振动铣削刀柄时，方便使用扳手拧紧刀盘上的锁紧螺母。

所述超声椭圆振动铣削刀柄包括高精度加长杆、导电滑环、后盖板、压电陶瓷堆、前盖板、绝缘管、紧固螺钉和直柄立铣刀。其之间的关系是：高精度加长杆连接机床主轴和直柄立铣刀实现旋转运动的传递。而前盖板通过热装固定在高精度加长杆上，用螺钉将后盖板、压电陶瓷堆、绝缘管等与前盖板固定，从而实现了超声振动发生部分与直柄立铣刀同步旋转。导电滑环转子通过螺钉固定在后盖板上，随同后盖板一起旋转，而导电滑环定子固定通过供电盒间接固定在机床主轴外壳上，不旋转，从而实现了回转供电。该高精度加长杆包括夹持柄、高精度弹簧夹头和紧固螺帽，高精度弹簧夹头的外锥面与夹持柄一端的内锥面配接，并通过紧固螺帽的内螺纹与夹持柄的外螺纹螺接。该夹持柄是一圆管件，其一端加工有外螺纹和内锥面；该高精度弹簧夹头是喇叭口状件，其外锥面开有豁口便于夹紧直柄立铣刀并与夹持柄的内锥面接触；该紧固螺帽是套筒状件，其内设有内螺纹与夹持柄的外螺纹连接。该导电滑环包括定字和转子，转子置于定字内部，该转子是圆盘状件，其上设置有H通孔3221和A中心通孔3223；该定字是环状件，其上设置有C螺纹孔3211。该后盖板是圆柱状件，其上设置有B中心通孔333、阶梯通孔331、D螺纹孔332和台肩335；该压电陶瓷堆由激励源A、激励源B和中心绝缘管组成，后者放在前二者中心通孔之间，三者之间紧密接触；该激励源A和激励源B为圆形陶瓷件，其上设置有C中心通孔341和I通孔342;该中心绝缘管是塑料圆管；激励源A和激励源B加上相应电源激励后，会产生两路方向相互垂直的弯曲高频振动，最终在铣刀切削刃处合成成椭圆振动，实现超声椭圆振动铣削。达到降低切削力和切削温度，提高加工精度和表面质量，延长刀具的寿命的目的。该前盖板是台阶轴状件，其上设置有D中心通孔352、E螺纹孔351和板手平面354。该绝缘管是4个塑料圆管，置于压电陶瓷堆中的I通孔342内；该紧固螺钉是按需选购的沉头螺钉；该直柄立铣刀是按需选购的圆杆式立铣刀。通过高精度弹簧夹头连接直柄立铣刀，不仅换刀方便而且可利用现有刀具，通过更换夹头可实现多直径尺寸、不同铣刀类型的刀具更换，装夹、拆卸方便。

所述密封环是环状件，其上设置有J通孔41。

所述保护罩是带法兰的喇叭口状件，法兰上设置有K通孔51,喇叭口端设置有E中心通孔52。

在本发明中，通过密封环和保护罩对压电陶瓷堆进行保护，通过螺钉将保护罩和密封环固定在导电滑环的定子上，从而间接固定在机床主轴外壳上，在铣削时固定不动。

3、优点及功效：本发明一种超声椭圆振动铣削刀柄装置有以下优点：

（1）通过激励源A和激励源B产生两个方向相互垂直的弯曲振动合成成超声椭圆振动进行铣削加工。

（2）铣削刀柄通过高精度中心杆连接加工中心主轴和直柄立铣刀，有效避免因激励源、变幅杆、振动体的装配产生的回转误差。有利于主轴转矩的有效传递。

（3）超声椭圆振动铣削刀柄通过高精度弹簧夹头连接直柄立铣刀，不仅换刀方便而且可利用现有刀具，通过更换夹头可实现多直径尺寸、不同铣刀类型的刀具更换，装夹、拆卸方便。

（4）在后盖板的外缘上安装滑环，利用供电盒使滑环的外圈与机床刀盘固连，实现了换能器的回转供电。

（5）本发明通过实现普通铣削的超声振动加工，可以有效降低切削力和切削温度，提高加工精度和表面质量，延长刀具的寿命。

附图说明

图1是本发明超声椭圆振动铣削刀柄装置整体结构图。

图2是本发明超声椭圆振动铣削刀柄装置分解图。

图3是本发明供电盒分解图。

图3A是本发明供电盒左半壳体结构图。

图3B是本发明供电盒右半壳体结构图。

图4是本发明超声椭圆振动铣削刀柄主体分解图。

图4A是本发高精度加长杆分解图。

图中：	1.刀盘	11.A螺纹孔	2.供电盒
				21.电源插座	211.A通孔	212.接线端	22.左半壳体
221.B螺纹孔	222.B通孔	223.C通孔	224.A对接面
				225.梯形通孔	226.D通孔	227.A上端面	228.A下端面
23.右半壳体	231.E通孔	232.F通孔	233.B对接面
				234.B上端面	235.G通孔	236.B下端面	3.超声椭圆振动铣削刀柄
31.高精度加长杆	311.夹持柄	3111.外圆柱面	3112.内锥面
				312.高精度弹簧夹头	3121.外锥面	313.紧固螺帽	32.导电滑环
321.定子	3211.C螺纹孔	3212.定子上端面	3213.定子下端面
				322.转子	3221.H通孔	3222.隔板下端面	3223.A中心通孔
33.后盖板	331.阶梯通孔	332.D螺纹孔	333.B中心通孔
				334.C上端面	335.台肩	336.C下端面	34.压电陶瓷堆
34A.激励源A	34B.激励源B	34C.中心绝缘管	341.C中心通孔
				342.I通孔	343.D上端面	344.D下端面	35.前盖板
351.E螺纹孔	352.D中心通孔	353.E上端面	354.扳手平面
				36.绝缘管	37.紧固螺钉	371.螺帽	38.直柄立铣刀
4.密封环	41.J通孔	5.保护罩	51.K通孔
				52.E中心通孔

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图2所示，刀盘1为数控机床刀盘，本发明的一种超声椭圆振动铣削刀柄装置，包括有供电盒2、超声椭圆振动铣削刀柄3、密封环4和保护罩5。它们之间的位置连接关系是：供电盒2的上端面通过螺栓与机床的刀盘1下平面连接，超声椭圆振动铣削刀柄的小圆轴与刀盘通过弹簧夹头连接，其大圆柱的上端面与供电盒2的下端面螺接，其大圆柱的下端面放置密封环4，并通过螺栓与保护罩5连接。

一、供电盒2

参见图3、图3A、图3B，供电盒2包括电源插座21、左半壳体22和右半壳体23。其之间的关系是：电源插座21放置在左半壳体22的梯形通孔225内，左半壳体22和右半壳体23通过连接件连成整体。

电源插座21两侧设有2个A通孔211，左半壳体22上的梯形孔225两侧设有两个B螺纹孔221用来固定电源插座21。本发明中，电源插座21接线端212插入到左半壳体22上的梯形孔225中，两个螺钉穿过电源插座21上的A通孔211与左半壳体22上的B螺纹孔221连接，将电源插座21固定在左半壳体22上。

左半壳体22设有两个A对接面224，在A对接面224上分别设有一个C通孔223；相对应，右半壳体23上设有两个B对接面233，在B对接面233上分别设有一个F通孔232。在本发明中，左半壳体22上的A对接面224与右半壳体23上的B对接面233贴合，A上端面227与B上端面234、A下端面228与B下端面236分别重合，两个螺钉穿过左半壳体22上的C通孔223和右半壳体23上的F通孔232与螺母连接，将左半壳体22和右半壳体23合并固定。

二、超声椭圆振动铣削刀柄3

参见图4、图4A，超声椭圆振动铣削刀柄3包括高精度加长杆31、导电滑环32、后盖板33、压电陶瓷堆34、前盖板35、绝缘管36、紧固螺钉37和直柄立铣刀38。其之间的关系是：高精度加长杆31连接机床主轴和直柄立铣刀实现旋转运动的传递。而前盖板35通过热装固定在高精度加长杆31上，用螺钉将后盖板33、压电陶瓷堆34、绝缘管36等与前盖板35固定，从而实现了超声振动发生部分与直柄立铣刀同步旋转。导电滑环32的转子322通过螺钉固定在后盖板33上，随同后盖板33一起旋转，而导电滑环32的定子321的固定是通过供电盒2间接固定在机床主轴外壳上，不旋转，从而实现了回转供电。

导电滑环32的转子322上设有A中心通孔3223，后盖板33上设有B中心通孔333，压电陶瓷堆34上设有C中心通孔341，前盖板35上设有D中心通孔352。在本发明中，高精度加长杆31穿过导电滑环32上转子322上的A中心通孔3223、后盖板33上的B中心通孔333、压电陶瓷堆34上的C中心通孔341后与前盖板35上的D中心通孔352热装固定。其中高精度加长杆31的外圆柱面3111与导电滑环32的转子322上的A中心通孔3223、后盖板33上的B中心通孔333、压电陶瓷堆34上的C中心通孔341均是间隙配合。

后盖板33上设有四个圆周方向均布的阶梯通孔331，相对应，压电陶瓷堆34上设有四个圆周方向均布的I通孔342，前盖板35上设有四个圆周方向均布的E螺纹孔351。在本发明中，四个紧固螺钉37穿过后盖板33上的阶梯通孔331、压电陶瓷堆34上的I通孔342与前盖板35上的E螺纹孔351连接，将后盖板33、压电陶瓷堆34固定在前盖板35上，并在压电陶瓷堆34上加上预紧力。其中，后盖板33上的C下端面336与压电陶瓷堆34上的D上端面343贴合，压电陶瓷堆34上的D下端面与前盖板35上的E上端面353贴合，四个紧固螺钉37的螺帽371沉进阶梯通孔331中。

在本发明中，激励源A34A和激励源B34B均选用型号PZT-8压电陶瓷半圆环片，激励源A34A和激励源B34B分别含有四个压电陶瓷半圆环片，两半圆环片组成一个压电陶瓷环片，激励源A34A和激励源B34B的压电陶瓷环片的对接方向相互垂直。在上述两激励源上加相应电源激励后，会产生两路方向相互垂直的弯曲高频振动，最终在铣刀切削刃处合成成椭圆振动，工作频率范围为15KHz～35KHz。

导电滑环32的转子322上设有四个在圆周方向均布的H通孔3221，相对应，在后盖板33的C上端面334上设有四个D螺纹孔332。本发明中，后盖板33的C上端面334与导电滑环32的转子322上的隔板下端面3222贴合，四个螺钉穿过导电滑环32的转子322上的H通孔3221与后盖板33的C上端面334上的D螺纹孔332连接，将导电滑环32的转子322固定在后盖板33上。

高精度加长杆31包含夹持柄311、高精度弹簧夹头312和紧固螺帽313三个零件。高精度弹簧夹头的外锥面与夹持柄一端的内锥面配接，并通过紧固螺帽的内螺纹与夹持柄的外螺纹螺接。高精度弹簧夹头312的外锥段3121一部分伸进夹持柄311的内锥段3112中并通过紧固螺帽313紧固卡紧铣刀。在本发明中，通过高精度弹簧夹头312连接直柄立铣刀38，不仅换刀方便而且可利用现有刀具，通过更换夹头可实现多直径尺寸、不同铣刀类型的刀具更换，装夹、拆卸方便。

三、密封环4和保护罩5

在本发明中，密封环4和保护罩5主要起到防止切削液和切屑接触到压电陶瓷堆34的作用，保护电路安全工作。连接保护罩5时，高精度加长杆31穿过保护罩5上的E中心通孔。

四、各零部件的连接

刀盘1与供电盒2的连接：参见图2、图3、图3A，刀盘1上有四个A螺纹孔11，与之对应，供电盒2的左半壳体22和右半壳体23上分别设有两个B通孔222和两个E通孔231。四个螺钉分别穿过供电盒2的左半壳体22上的两个B通孔222和右半壳体23上的两个E通孔231与刀盘1上的四个A螺纹孔11连接，将供电盒2固定在刀盘1上。

供电盒2与超声椭圆振动铣削刀柄3的连接：参见图3、图3A、图3B、图4，供电盒2的左半壳体22和右半壳体23上分别设有两个D通孔226和两个G通孔235，与之对应，超声椭圆振动铣削刀柄3的导电滑环32定子上端面3212上设有四个圆周方向均布的C螺纹孔3211。四个螺钉分别穿过左半壳体22上的两个D通孔226和右半壳体23上的两个G通孔235与定子321上的四个C螺纹孔3211连接，将定子321固定在供电盒2上。

超声椭圆振动铣削刀柄3与密封环4、保护罩5的连接：参见图2、图4，超声椭圆振动铣削刀柄3的导电滑环32定子下端面3213上设有四个圆周方向均布的C螺纹孔3211，与之对应，密封环4设有四个J通孔41，保护罩5上设有四个K通孔51。四个螺钉分别穿过四个K通孔51和四个J通孔41与四个C螺纹孔3211连接，将密封环4和保护罩5固定到导电滑环32定子321上。

五、采用本发明的超声椭圆振动铣削刀柄装置进行超声振动铣削时的过程为：

开动机床主轴，此时机床主轴旋转，在机床主轴的带动下高精度加长杆31旋转；高精度加长杆31将旋转运动传给直柄立铣刀38，同时带动前盖板35、压电陶瓷堆34、紧固螺钉37、后盖板33，导电滑环32的转子322旋转。这样主轴旋转直接通过高精度加长杆31传递到直柄立铣刀38，有效避免了因激励源、变幅杆、振动体的装配产生的回转误差。有利于主轴转矩的有效传递。而供电盒2、导电滑环32的定子321、密封环4、保护罩5则直接或间接的连接到了机床主轴外壳上，在工作时固定不动。

Claims (1)

1.一种超声椭圆振动铣削刀柄装置，其特征在于：它包括有供电盒、超声椭圆振动铣削刀柄、密封环和保护罩；供电盒的上端面通过螺栓与机床的刀盘下平面连接，超声椭圆振动铣削刀柄的小圆轴与刀盘通过弹簧夹头连接，其大圆柱的上端面与供电盒的下端面螺接，其大圆柱的下端面放置密封环，并通过螺栓与保护罩连接；

所述供电盒包括电源插座、左半壳体和右半壳体，电源插座放置在左半壳体的梯形通孔（225）内，左半壳体和右半壳体通过连接件连成整体；该电源插座是按需选购的市购件；该左半壳体为半环状件，其上设置有A上端面（227）和A下端面（228），中部设置有梯形通孔（225）用于放置电源插座（21），其设置的C通孔（223）用于与右半壳体螺接；A上端面（227）上设置的B通孔（222）用于与机床刀盘的下平面连接；该右半壳体的形状与左半壳体类似，其上设置有B上端面（234）和B下端面（236），B对接面（233）上设置的F通孔（232）用于与左半壳体螺接，B上端面（234）上设置的E通孔（231）用于与机床刀盘的下平面连接；供电盒设计成左右两个半壳体，是为了在安装超声椭圆振动铣削刀柄时，方便使用扳手拧紧刀盘上的锁紧螺母；

所述超声椭圆振动铣削刀柄包括高精度加长杆、导电滑环、后盖板、压电陶瓷堆、前盖板、绝缘管、紧固螺钉和直柄立铣刀；高精度加长杆连接机床主轴和直柄立铣刀实现旋转运动的传递，而前盖板通过热装固定在高精度加长杆上，用螺钉将后盖板、压电陶瓷堆、绝缘管与前盖板固定，从而实现超声振动发生部分与直柄立铣刀同步旋转；导电滑环转子通过螺钉固定在后盖板上，随同后盖板一起旋转，而导电滑环定子固定通过供电盒间接固定在机床主轴外壳上，不旋转，从而实现了回转供电；该高精度加长杆包括夹持柄、高精度弹簧夹头和紧固螺帽，高精度弹簧夹头的外锥面与夹持柄一端的内锥面配接，并通过紧固螺帽的内螺纹与夹持柄的外螺纹螺接；该夹持柄是一圆管件，其一端加工有外螺纹和内锥面；该高精度弹簧夹头是喇叭口状件，其外锥面开有豁口便于夹紧直柄立铣刀并与夹持柄的内锥面接触；该紧固螺帽是套筒状件，其内设有内螺纹与夹持柄的外螺纹连接；该导电滑环包括定字和转子，转子置于定字内部，该转子是圆盘状件，其上设置有H通孔（3221）和A中心通孔（3223）；该定字是环状件，其上设置有C螺纹孔（3211）；该后盖板是圆柱状件，其上设置有B中心通孔（333）、阶梯通孔（331）、D螺纹孔（332）和台肩（335）；该压电陶瓷堆由激励源A、激励源B和中心绝缘管组成，后者放在前二者中心通孔之间，三者之间紧密接触；该激励源A和激励源B为圆形陶瓷件，其上设置有C中心通孔（341）和I通孔（342）;该中心绝缘管是塑料圆管；激励源A和激励源B加上相应电源激励后，会产生两路方向相互垂直的弯曲高频振动，最终在铣刀切削刃处合成成椭圆振动，实现超声椭圆振动铣削；该前盖板是台阶轴状件，其上设置有D中心通孔（352）、E螺纹孔（351）和板手平面（354）；该绝缘管是4个塑料圆管，置于压电陶瓷堆中的I通孔（342）内；该紧固螺钉是按需选购的沉头螺钉；该直柄立铣刀是按需选购的圆杆式立铣刀；

所述密封环是环状件，其上设置有J通孔（41）；

所述保护罩是带法兰的喇叭口状件，法兰上设置有K通孔（51）,喇叭口端设置有E中心通孔（52）。

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