CN104138831A - 高速电主轴通用旋转超声换能器总成 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速电主轴通用旋转超声换能器总成。现有多数技术还停留在集流环碳刷结构或者电磁感应向换能器供电方式的基础上，同等功率下换能器体积过大，效率低下不能高速运行。本发明包括一体结构的连接轴和换能器外壳，同轴固定在连接轴上的磁共振发射器静止单元和磁共振接收器转动单元，以及同轴固定在换能器外壳内部的一体化超声换能器，换能器包括上盖板，压电元件，一体化结构的下盖板、变幅杆、刃具夹头。采用本发明的技术方案，磁共振传输状态的磁共振发射器有识别特性，不会对周边的金属壳体传输能量而导致发热，传输效率及可靠性提高，动、静单元之间的距离可在几个mm范围任意定位，降低了整机的装配难度。

Description

高速电主轴通用旋转超声换能器总成

技术领域

本发明属于特种加工的加工装置，具体涉及一种高速电主轴通用旋转超声换能器总成。

背景技术

    自从人类第一次使用齿轮摩擦产生24KHz的超声以来，迄今为止已有一百八十多年。这个既古老又年轻的学科随着科技的进步及相关学科的需求，其应用技术已遍及工农业生产、国防、医疗、科研等，到处都可看到她的身影，其不可替代性已充分证明它自身的优势。

    超声旋转加工是应用声学的一个重要分支，属于特种加工的范畴，针对用普通方法无法加工或难以加工的材料如:光学玻璃、陶瓷、YAG钇铝石榴石、蓝宝石、人造水晶、玉石、半导体材料（硅、锗）、铝复合材料、硬质合金、永磁材料、不锈钢、高温合金等，可实现钻孔、磨削、铣型、雕刻等加工。

   旋转超声加工，即在旋转的刀具上复合超声波振动，对工件进行旋转超声加工。它不同于以往的超声波磨料加工，其原理是在原有的机械加工的刀具上施加超声振动。与普通机械加工相比，超声波旋转复合加工技术具有以下特点：

    1、钻、磨、铣的机械阻力大大降低。其原因是刀具施加超声振动后，工件与刀具将形成高频率的断续接触，从而降低了机械阻力，同时也降低了切削热。尤其在加工热膨胀系数高，材质又不均匀的材料时有优良的表现，不易发生局部过热而破裂或者变形。超声波振动将工件的被加工表面击碎形成微痕，刀具可很轻易的将材料切削下来。切削力的降低不仅使生产效率提高，同时由于高频率断续接触，也使刀具不易抱死扭断，磨损减轻，使得刀具的使用寿命提高。

    2、加工温度低，冷却及排屑效果好。在超声波作用下，刀具与工件呈高频率的断续接触状态，冷却液可无死区的喷射到工件和刀具表面，不但形成超声清洗的效果，同时液体流速加快，迅速带走热量使冷却作用提高。切屑为均匀细小的粉末或断屑，很容易排出，防止了划痕和裂纹的产生，大大提高了加工光洁度。

   3、对工件施加的机械力减小，使刀具或工件不易产生让刀和弯曲变形，因而型腔及孔的精度、同心度和圆柱度得到提高。

   虽有以上诸多优点，但真正用于生产实践中的高速超声电主轴产品还不多见。目前公知的多数技术还停留在集流环碳刷结构或者通过电磁感应向换能器供电方式的基础上，同等功率下换能器体积过大，效率低下不能高速运行，制约此项技术在高速电主轴上的应用。前者通过碳刷接触集流环向换能器馈电，其缺点是碳刷容易磨损，脱落的碳屑容易使集流环短路造成故障，同时在高速运转时碳刷与集流环产生摩擦热，使得转速难以提高，须定期维护清理、更换碳刷，给使用者带来不便和额外费用。后者电磁感应方式，虽然丢弃了集流环及碳刷，但其传输效率不高，动态工作时对动、静感应器间的距离要求苛刻。位移及频率变化时稳定性较差、对传输对象没有识别能力，容易向周围的金属比如外壳等传输能量，造成发热及能量损失，导致效率低下。

   另外公知的换能器结构，其上盖板与压电元件之间没有声的反射涂层，压电元件在同等单位体积下发射效率低，因而当压电元件体积过小时，所能辐射的功率及转换效率得不到提高。

发明内容

本发明提供一种高速电主轴通用旋转超声换能器总成，采用了以磁共振非接触传输方式及一体化高转换效率的阶梯形换能器的技术。

    为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种高速电主轴通用旋转超声换能器总成，包括一体结构的连接轴和换能器外壳，同轴固定在连接轴或电主轴末端上的磁共振发射器静止单元和磁共振接收器转动单元，以及同轴固定在换能器外壳内部的一体化超声换能器；所述换能器外壳上通过螺母固定有轴承；所述一体化超声换能器包括上盖板，压电元件，一体化结构的下盖板、变幅杆、刃具夹头，所述压电元件设置在上盖板与下盖板之间。所述上盖板与压电元件之间设有反射声波系数高的复合材料涂层。所述涂层优选为由低密度高分子材料与碳化硅微粉按比例混合而成。所述涂层通过喷涂在上盖板的方式形成。所述变幅杆的直径为15mm-35mm。所述磁共振发射器静止单元和磁共振接收器转动单元之间的距离为0.2-5mm。所述轴承的个数为1-2个。

本发明的优点如下：

1、本发明采用磁共振传输状态的磁共振发射器与接收器，所以传输效率高、传输的有效距离比磁感应远，对受体有识别特性，同时不会对周边的金属壳体传输能量而导致发热，因而传输效率及可靠性得以提高。同时动、静单元之间的距离可在几个mm范围任意定位，彻底克服了磁感应方式距离在超过0.5mm时，其输出功率下降为80%甚至无法驱动的缺点。

2、本发明采用磁共振非接触传输方式，使整机制作工艺难度降低，整机的装配及调试变的非常容易，给后期与电主轴组合、装配及调试带来方便，使整机的批量生产周期缩短，产品参数的一致性得到提高。

3、本发明的换能器上盖板与压电元件之间喷涂了具有反射超声波功能的复合材料，使得压电元件在同等单位体积下发射效率得到提高，减轻了换能器内部的无功耗损，从而提高了换能器的电声转换效率。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是换能器内部结构图。

图3是换能器上盖板与复合材料涂层的结构关系示意图。

图4是本发明电气工作原理图。

图中，1是连接轴、2是磁共振发射器静止单元、3是磁共振接收器转动单元、4是轴承压紧螺母、5是轴承、6是换能器外壳、7是换能器上盖板、8是压电元件、9是下盖板、10是变幅杆、11是刃具夹头、12是复合材料涂层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明所述的一种高速电主轴通用旋转超声换能器总成，包括一体结构的连接轴1和换能器外壳6，同轴固定在连接轴1上或电主轴后轴端的磁共振发射器静止单元2和磁共振接收器转动单元3，以及同轴固定在换能器外壳6内部的一体化超声换能器；换能器外壳6上通过螺母4固定有轴承5；一体化超声换能器包括上盖板7，压电元件8，一体化结构的下盖板9、变幅杆10、刃具夹头11，所述压电元件8设置在上盖板7与下盖板9之间。

由于下盖板9与变幅杆10采用一体化紧凑结构，变幅杆直径可选择在15mm-35mm之间，方便组成不同规格的超声电主轴，满足了在实际使用中机械疲劳强度与钢性要求。

如图2-图3所示，一体化高效率阶梯形换能器的上盖板7与压电元件8之间喷涂了反射声波系数较高的复合材料12，该材料由低密度高分子材料与碳化硅微粉按比例混合而成，形成一个低阻抗反射介面。其原理是声在传递过程中，介质的声阻抗与振动母体的声阻抗相差甚远时将会产生反射，使其原本向后端的超声波经过反射后向前端叠加。因而压电元件在同等单位体积下提高了反射效率，减轻了换能器内部无功耗损，提高了换能器的电声转换效率。

    本发明的传输方式利用磁共振原理，如图4所示，分别设计有磁共振发射器静止单元2、磁共振接收器转动单元3、磁共振功率放大单元，当超声波发生器产生28KHz-40KHz的方波扫描信号后，该信号经磁共振功率放大器放大后推动磁共振发射器2向磁共振接收器3发射信号，当磁共振接收器3与换能器组成的谐振回路频率与磁共振发射器2频率一致时，即产生共振耦合，从而驱动换能器工作达到非接触传输的目的。其特点在于磁共振发射器2只对磁共振接收器3起共振传能作用，如果把磁共振接收器3换做导磁的铁氧体或金属，电路将没有输出。因此说明工作在磁共振传输状态的磁共振发射器2有识别特性，不会对周边的金属壳体传输能量而导致发热，因而传输效率及可靠性得以提高。

磁共振发射器2与磁共振接收器3组成动、静单元，当工作频率在低频28KHz-40KHz范围时，两个单元之间的位移距离范围可达0.2-5mm，其传输功率没有明显的下降，不仅满足设计工艺要求，同时其性能优于电磁感应方式，电磁感应方式两个感应器位移距离超过0.5mm时，其输出功率下降为80%甚至无法驱动。而磁共振传输方式的优点是可让动、静单元在距离为几个mm的范围内任意定位，从而降低了整机的装配难度，给后期装配工艺及调试带来方便，使整机的可靠性得以提高。

本总成可适用于生产不同规格的超声电主轴。使用本发明时，将本发明装配在电主轴上，以组成不同规格的超声电主轴，应用该超声电主轴安装在数控机床上，将所需刀具固定在刃具夹头11上。启动机床时，该总成随着电主轴开始转动，同时超声波发生器产生28KHz-40KHz的方波扫描信号，经磁共振功率放大器放大后推动磁共振发射器2向磁共振接收器3发射信号，当磁共振接收器3与换能器组成的谐振回路频率与磁共振发射器2频率一致时，即产生共振耦合，从而驱动换能器产生超声振动，实现对被加工物体进行旋转超声加工。

Claims (8)

1.一种高速电主轴通用旋转超声换能器总成，其特征在于：包括一体结构的连接轴（1）和换能器外壳（6），同轴固定在连接轴（1）上或电主轴后轴端的磁共振发射器静止单元（2）和磁共振接收器转动单元（3），以及同轴固定在换能器外壳（6）内部的超声换能器；

所述换能器外壳（6）上通过螺母（4）固定有轴承（5）；

所述超声换能器包括上盖板（7）、压电元件（8）、下盖板（9）、变幅杆（10）、刃具夹头（11），所述压电元件（8）设置在上盖板（7）与下盖板（9）之间。

2.根据权利要求1所述的一种高速电主轴通用旋转超声换能器总成，其特征在于：所述上盖板（7）与压电元件（8）之间设有反射声波系数较高的复合材料涂层（12）。

3.根据权利要求2所述的一种高速电主轴通用旋转超声换能器总成，其特征在于：所述复合材料涂层（12）优选为由低密度高分子材料与碳化硅微粉按比例混合而成。

4.根据权利要求2所述的一种高速电主轴通用旋转超声换能器总成，其特征在于：所述复合材料涂层（12）是通过喷涂的方式形成的。

5.根据权利要求1或2所述的一种高速电主轴通用旋转超声换能器总成，其特征在于：所述变幅杆（10）的直径为15mm-35mm。

6.根据权利要求1或2所述的一种高速电主轴通用旋转超声换能器总成，其特征在于：所述磁共振发射器静止单元（2）和磁共振接收器转动单元（3）之间的距离为0.2-5mm。

7.根据权利要求1或2所述的一种高速电主轴通用旋转超声换能器总成，其特征在于：所述轴承（5）的个数为1-2个。

8.根据权利要求1或2所述的一种高速电主轴通用旋转超声换能器总成，其特征在于：所述下盖板（9）与变幅杆（10）为一体件。