CN104439301A - 采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴 - Google Patents

采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴 Download PDF

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Abstract

本发明公开了采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴，第二感应线圈通过第一导线与磁悬浮轴承定子相连接，第二感应线圈接收第一感应线圈发射的电能并通过第一导线将电能传递至磁悬浮轴承定子使之产生磁力以使磁悬浮轴承转子相对磁悬浮轴承定子在径向上保持固定进而保证变幅杆之后端与主轴壳体之间在径向上能无接触的相对固定。该结构增强了变幅杆的径向刚度，进而增强了超声波系统的径向刚度。同时可以通过磁力增强超生刀具的垂直度及主轴壳体的同轴度，大大提高系统的加工精度。且，加工过程中可根据实际加工强度的需要，通过改变电能供应以改变磁悬浮轴承的磁力，以便提高满足加工要求的磁力支承。

Description

采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴
技术领域
本发明涉及采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴。
背景技术
工程陶瓷、光学玻璃、人工晶体等硬脆性材料因具有硬度高、化学稳定性好、不易氧化、耐磨损、耐腐蚀等优点而被广泛应用。然而，这些硬脆性材料具有极高的硬度和脆性，其加工十分困难。超声波加工是近几十年逐步发展和应用的一种新型加工方法，大量的理论与实验研究表明，在硬脆性难加工材料的精密加工中超声波加工具有普通加工方法无法比拟的工艺效果。为了更好地发挥超声波加工的优势，通常将超声波加工与其它传统加工结合应用，如超声振动辅助磨削、超声振动辅助切削、超声振动辅助铣削和超声振动辅助钻削等，在这些传统的加工中加入超声振动辅助能大大提高其加工精度和加工效率。
旋转超声加工是一种将超声加工和传统机械加工相结合的复合加工方法。加工时工具一边作超声频小振幅的纵向振动，同时又绕其轴线作高速旋转。这样即克服了超声加工效率较低的特点，又提高了传统机械加工的精度。为了扩大旋转超声加工的应用，现已将超声振动系统与机床主轴相结合设计出旋转超声主轴。将超声振动系统与机床主轴设计为一体，即可实现高速旋转运动，又可实现轴向超声振动。超声振动则由超声发生器通过变幅杆带动加工工具做纵向超声振动。整个超声振动系统则通过变幅杆上零振幅位置点与机床主轴外壳相连，在主轴带动下整个超声振动系统连同加工工具一起做高速旋转运动。目前所设计的旋转超声主轴中的超声振动系统连同加工工具仅仅通过变幅杆上的零位移节点对其进行固定，且固定处轴向宽度较小，因此，造成旋转超声主轴的径向刚度小、加工工具与机床主轴的同轴度低，且当高速旋转时，振动系统后端和工具端都会由于偏心而产生一定的晃动，严重影响加工精度。为了提高旋转轴的径向刚度和稳定性，通常需在轴的两个位置进行固定和限制，然而，超声振动由于沿轴向会存在超声波的振动，当对超声振动轴采用接触式径向夹持时，会阻碍其轴向的振动，使得超声波能量损失，同时引起振动系统发热。因此，目前都只是在变幅杆上一个振幅为零的位置处对超声系统进行固定，稳定性差，径向刚度低，使得加工精度降低。
发明内容
本发明提供了采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴，其克服了背景技术所存在的不足。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴，它包括固联在机床上的主轴固定架(50)、装接在主轴固定架(50)上的主轴壳体(10)和装接在主轴壳体(10)内的超声波系统，超声波系统包括变幅杆(21)，变幅杆(21)之前端与主轴壳体(10)相固定连接，其特征在于：它还包括磁悬浮轴承结构，磁悬浮轴承结构包括装接在主轴壳体(10)的磁悬浮轴承定子(31)、装接在变幅杆(21)之后端的磁悬浮轴承转子(32)、装接在主轴固定架(50)的第一感应线圈和装接在主轴壳体(10)的第二感应线圈(33)，磁悬浮轴承转子(32)位于磁悬浮轴承定子(31)内且与磁悬浮轴承定子(31)相对应，第二感应线圈(33)位于第一感应线圈内且与第一感应线圈相对应，第二感应线圈(33)通过第一导线(34)与磁悬浮轴承定子(31)相连接，第二感应线圈(33)接收第一感应线圈发射的电能并通过第一导线(34)将电能传递至磁悬浮轴承定子(31)使之产生磁力以使磁悬浮轴承转子(32)相对磁悬浮轴承定子(31)在径向上保持固定进而保证变幅杆(21)之后端与主轴壳体(10)之间在径向上能无接触的相对固定。
一较佳实施例之中：所述第二感应线圈(33)套接在主轴壳体(10)之后端部外周，磁悬浮定子(31)装接在主轴壳体(10)后端之内壁，主轴壳体(10)后端开设贯穿主轴壳体(10)内外的第一导线孔(11)，第一导线(34)穿过第一导线孔(11)且其两端分别与第二感应线圈(33)和磁悬浮定子(31)相连接。
一较佳实施例之中：所述超声波系统还包括压电陶瓷(41)，变幅杆(21)之后端外周设有第一台阶面(22)和第二台阶面(23)，压电陶瓷(41)重叠套接在变幅杆(21)外且其底端面与第一台阶面(22)相靠接，磁悬浮轴承转子(32)套接在变幅杆(21)外且其底端面与压电陶瓷(41)相靠接，另设有固定套(24)和锁固件(25)，固定套(24)套接在变幅杆(21)外且其底端面与第二台阶面(23)和磁悬浮轴承转子(32)之顶端面相靠接，锁固件(25)将固定套(24)、磁悬浮轴承转子(32)和变幅杆(21)锁接在一起。
一较佳实施例之中：所述锁固件(25)为螺栓，变幅杆(21)之后端开设有纵向延伸的螺孔(26)，螺栓之螺帽顶抵在固定套(24)之顶端面，螺栓之螺杆伸入螺孔(26)内且与螺孔(26)相螺接配合。
一较佳实施例之中：所述主轴壳体(10)通过圆锥滚子轴承(12)与主轴固定架(50)相转动连接。
一较佳实施例之中：所述主轴壳体(10)之前端内壁设有第三台阶面(13)，所述变幅杆(21)之前端外周设有凸环(27)，凸环(27)之顶端面与第三台阶面(13)相靠接，另设有固定盖(28)，该固定盖(28)抵靠在凸环(27)之底端面且与主轴壳体(10)之内壁相紧配合。
一较佳实施例之中：所述超声波系统还包括压电陶瓷(41)、第三感应线圈(42)、第四感应线圈(43)、第二导线(44)，压电陶瓷(41)装接在变幅杆(21)上，第三感应线圈(42)装接在主轴固定架(50)上，第四感应线圈(43)装接在主轴壳体(10)上且位于第三感应线圈(42)内并与第三感应线圈(42)相对应，第二导线(44)连接压电陶瓷(41)和第四感应线圈(43)，第三感应线圈(42)将超声波能量传递至第四感应线圈(43)，第四感应线圈(43)通过第二导线(44)将超声波能量传递至压电陶瓷(41)以使压电陶瓷(41)产生超声振动进而使变幅杆(21)产生超声振动。
一较佳实施例之中：所述第四感应线圈(43)套接在主轴壳体(10)之前端部外周，主轴壳体(10)前端开设贯穿主轴壳体(10)内外的第二导线孔(14)，第二导线(44)穿过第二导线孔(14)。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
第二感应线圈接收第一感应线圈发射的电能并通过第一导线将电能传递至磁悬浮轴承定子使之产生磁力以使磁悬浮轴承转子相对磁悬浮轴承定子在径向上保持固定进而保证变幅杆之后端与主轴壳体之间在径向上能无接触的相对固定，增强了变幅杆的径向刚度，进而增强了超声波系统的径向刚度。同时可以通过磁力调节超声刀具的垂直度及主轴壳体的同轴度，大大提高系统的加工精度。且，加工过程中可根据实际加工强度的需要，通过改变电能供应以改变磁悬浮轴承的磁力，以便提高满足加工要求的磁力支承。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1绘示了一较佳实施例的采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴的整体结构示意图。
图2绘示了一较佳实施例的主轴壳体的剖视示意图。
图3绘示了一较佳实施例的变幅杆的剖视示意图。
图4绘示了一较佳实施例的磁悬浮轴承结构的俯视示意图。
具体实施方式
请查阅图1至图4，采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴的一较佳实施例，所述的采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴，它包括固联在机床上的主轴固定架50、主轴壳体10、超声波系统和磁悬浮轴承结构。
所述主轴壳体10转动装接在主轴固定架50。
本实施例中，主轴壳体10后端开设贯穿主轴壳体10内外的第一导线孔11。
本实施例中，所述主轴壳体10通过圆锥滚子轴承12与主轴固定架50相转动连接。
本实施例中，所述主轴壳体10之前端内壁设有第三台阶面13。
所述超声波系统装接在主轴壳体10内，超声波系统包括变幅杆21，变幅杆21之前端与主轴壳体10相固定连接。
本实施例中，所述超声波系统还包括压电陶瓷41、第三感应线圈42、第四感应线圈43、第二导线44，压电陶瓷41装接在变幅杆21上，第三感应线圈42装接在主轴固定架50上，第四感应线圈43装接在主轴壳体10上且位于第三感应线圈42内并与第三感应线圈42相对应，第二导线44连接压电陶瓷41和第四感应线圈43，第三感应线圈42将超声波能量传递至第四感应线圈43，第四感应线圈43通过第二导线44将超声波能量传递至压电陶瓷41以使压电陶瓷41产生超声振动进而使变幅杆21产生超声振动。
本实施例中，所述压电陶瓷41装接在变幅杆21之中部外周，所述第四感应线圈43套接在主轴壳体10之前端部外周，主轴壳体10前端开设贯穿主轴壳体10内外的第二导线孔14，第二导线44穿过第二导线孔14。
本实施例中，所述变幅杆21之后端外周设有第一台阶面22和第二台阶面23。
本实施例中，所述变幅杆21之前端外周设有凸环27，凸环27之顶端面与第三台阶面13相靠接，另设有固定盖28，该固定盖28抵靠在凸环27之底端面且与主轴壳体10之内壁相紧配合。
所述磁悬浮轴承结构包括装接在主轴壳体10的磁悬浮轴承定子31、装接在变幅杆21之后端的磁悬浮轴承转子32、装接在主轴固定架50的第一感应线圈(图中未示出)和装接在主轴壳体10的第二感应线圈33，磁悬浮轴承转子32位于磁悬浮轴承定子31内且与磁悬浮轴承定子31相对应，第二感应线圈33位于第一感应线圈内且与第一感应线圈相对应，第二感应线圈33通过第一导线34与磁悬浮轴承定子31相连接，第二感应线圈33接收第一感应线圈发射的电能并通过第一导线34将电能传递至磁悬浮轴承定子31使之产生磁力以使磁悬浮轴承转子32相对磁悬浮轴承定子31在径向上保持固定进而保证变幅杆21之后端与主轴壳体10之间在径向上能无接触的相对固定。
本实施例中，所述第二感应线圈33套接在主轴壳体10之后端部外周，磁悬浮定子31装接在主轴壳体10后端之内壁，第一导线34穿过第一导线孔11且其两端分别与第二感应线圈33和磁悬浮定子31相连接。
本实施例中，压电陶瓷41重叠套接在变幅杆21外且其底端面与第一台阶面22相靠接，磁悬浮轴承转子32套接在变幅杆21外且其底端面与压电陶瓷41相靠接，另设有固定套24和锁固件25，固定套24套接在变幅杆21外且其底端面与第二台阶面23和磁悬浮轴承转子32之顶端面相靠接，锁固件25将固定套24、磁悬浮轴承转子32和变幅杆21锁接在一起。
本实施例中，所述锁固件25为螺栓，变幅杆21之后端开设有纵向延伸的螺孔26，螺栓之螺帽顶抵在固定套24之顶端面，螺栓之螺杆伸入螺孔26内且与螺孔26相螺接配合。
实际使用过程中，在主轴壳体10之后端连接转动马达，在变幅杆21之前端安装超声刀具。马达转动带动主轴壳体10以及其内的超声波系统相对主轴固定架50转动进而带动超声刀具转动，且在超声波系统作用下超声刀具在纵向上振动以对产品进行加工。
第二感应线圈接收第一感应线圈发射的电能并通过第一导线将电能传递至磁悬浮轴承定子使之产生磁力以使磁悬浮轴承转子相对磁悬浮轴承定子在径向上保持固定进而保证变幅杆之后端与主轴壳体之间在径向上能无接触的相对固定，增强了变幅杆的径向刚度，进而增强了超生波系统的径向刚度。同时可以通过磁力调节超声刀具的垂直度及主轴壳体的同轴度，大大提高系统的加工精度。且，加工过程中可根据实际加工强度的需要，通过改变电能供应以改变磁悬浮轴承的磁力，以便提高满足加工要求的磁力支承。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (8)

1.采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴，它包括固联在机床上的主轴固定架(50)、装接在主轴固定架(50)上的主轴壳体(10)和装接在主轴壳体(10)内的超声波系统，超声波系统包括变幅杆(21)，变幅杆(21)之前端与主轴壳体(10)相固定连接，其特征在于：它还包括磁悬浮轴承结构，磁悬浮轴承结构包括装接在主轴壳体(10)的磁悬浮轴承定子(31)、装接在变幅杆(21)之后端的磁悬浮轴承转子(32)、装接在主轴固定架(50)的第一感应线圈和装接在主轴壳体(10)的第二感应线圈(33)，磁悬浮轴承转子(32)位于磁悬浮轴承定子(31)内且与磁悬浮轴承定子(31)相对应，第二感应线圈(33)位于第一感应线圈内且与第一感应线圈相对应，第二感应线圈(33)通过第一导线(34)与磁悬浮轴承定子(31)相连接，第二感应线圈(33)接收第一感应线圈发射的电能并通过第一导线(34)将电能传递至磁悬浮轴承定子(31)使之产生磁力以使磁悬浮轴承转子(32)相对磁悬浮轴承定子(31)在径向上保持固定进而保证变幅杆(21)之后端与主轴壳体(10)之间在径向上能无接触的相对固定。
2.根据权利要求1所述的采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴，其特征在于：所述第二感应线圈(33)套接在主轴壳体(10)之后端部外周，磁悬浮定子(31)装接在主轴壳体(10)后端之内壁，主轴壳体(10)后端开设贯穿主轴壳体(10)内外的第一导线孔(11)，第一导线(34)穿过第一导线孔(11)且其两端分别与第二感应线圈(33)和磁悬浮定子(31)相连接。
3.根据权利要求1所述的采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴，其特征在于：所述超声波系统还包括压电陶瓷(41)，变幅杆(21)之后端外周设有第一台阶面(22)和第二台阶面(23)，压电陶瓷(41)重叠套接在变幅杆(21)外且其底端面与第一台阶面(22)相靠接，磁悬浮轴承转子(32)套接在变幅杆(21)外且其底端面与压电陶瓷(41)相靠接，另设有固定套(24)和锁固件(25)，固定套(24)套接在变幅杆(21)外且其底端面与第二台阶面(23)和磁悬浮轴承转子(32)之顶端面相靠接，锁固件(25)将固定套(24)、磁悬浮轴承转子(32)和变幅杆(21)锁接在一起。
4.根据权利要求3所述的采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴，其特征在于：所述锁固件(25)为螺栓，变幅杆(21)之后端开设有纵向延伸的螺孔(26)，螺栓之螺帽顶抵在固定套(24)之顶端面，螺栓之螺杆伸入螺孔(26)内且与螺孔(26)相螺接配合。
5.根据权利要求1所述的采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴，其特征在于：所述主轴壳体(10)通过圆锥滚子轴承(12)与主轴固定架(50)相转动连接。
6.根据权利要求1所述的采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴，其特征在于：所述主轴壳体(10)之前端内壁设有第三台阶面(13)，所述变幅杆(21)之前端外周设有凸环(27)，凸环(27)之顶端面与第三台阶面(13)相靠接，另设有固定盖(28)，该固定盖(28)抵靠在凸环(27)之底端面且与主轴壳体(10)之内壁相紧配合。
7.根据权利要求1所述的采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴，其特征在于：所述超声波系统还包括压电陶瓷(41)、第三感应线圈(42)、第四感应线圈(43)、第二导线(44)，压电陶瓷(41)装接在变幅杆(21)上，第三感应线圈(42)装接在主轴固定架(50)上，第四感应线圈(43)装接在主轴壳体(10)上且位于第三感应线圈(42)内并与第三感应线圈(42)相对应，第二导线(44)连接压电陶瓷(41)和第四感应线圈(43)，第三感应线圈(42)将超声波能量传递至第四感应线圈(43)，第四感应线圈(43)通过第二导线(44)将超声波能量传递至压电陶瓷(41)以使压电陶瓷(41)产生超声振动进而使变幅杆(21)产生超声振动。
8.根据权利要求7所述的采用磁悬浮轴承支承的旋转超声主轴，其特征在于：所述第四感应线圈(43)套接在主轴壳体(10)之前端部外周，主轴壳体(10)前端开设贯穿主轴壳体(10)内外的第二导线孔(14)，第二导线(44)穿过第二导线孔(14)。
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