CN104439348A - 一种用于旋转超声加工的非接触能量传输装置 - Google Patents

一种用于旋转超声加工的非接触能量传输装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于旋转超声加工的非接触能量传输装置，包括固定端和旋转端两部分，所述的固定端与旋转端相对位置分别有轴向敞开式或径向敞开式两种布置方式。所述的固定端与旋转端相对位置为轴向敞开式时，固定端磁芯为从罐型磁芯上截取得到的部分磁芯，所截取的部分磁芯的圆心角小于等于180°；旋转端磁芯为完整的罐形磁芯。所述的固定端与旋转端相对位置为径向敞开式时，固定端磁芯为从环形内开槽磁芯上截取得到的部分磁芯，所截取磁芯的圆心角小于等于180°；旋转端磁芯为完整的环形外开槽磁芯。本发明可提高加工效率和自动化水平、节约改造成本和资金投入、提高超声加工装置的安全性、提高超声加工装置的适应性、安装和调试性能好。

Description

一种用于旋转超声加工的非接触能量传输装置
技术领域
本发明属于旋转超声加工技术装备领域，具体涉及一种用于旋转超声加工的非接触能量传输装置。
背景技术
旋转超声加工技术是在传统旋转加工技术的基础上，复合以超声振动从而实现材料去除的一种加工方法。旋转超声加工可以有效减小切削力，降低刀具磨损，提高材料去除率，尤其对于难加工材料有良好的加工效果。因此，旋转超声加工技术被广泛应用于陶瓷、玻璃等硬脆材料以及纤维增强复合材料等难加工材料的加工领域。
旋转超声加工方法主要有：旋转超声铣削、旋转超声磨削、旋转超声车削、旋转超声钻削等方法。这些加工方法的实现都离不开旋转超声加工系统。一个完整的旋转超声加工系统通常由超声电源、超声能量传输装置和旋转超声刀柄构成。旋转超声刀柄包括换能器、变幅杆和加工刀具。加工过程中，旋转超声刀柄随机床主轴高速旋转，超声能量传输装置将超声电源产生的超声能量传递给旋转超声刀柄。旋转超声刀柄中的换能器接收超声能量并转换为高频振动，通过变幅杆的放大作用带动刀具实现旋转超声加工。
超声能量传输装置是旋转超声加工系统的核心，总体上分为接触式和非接触式两大类。接触式超声能量传输主要依靠碳刷和导电滑环相接触导电的方式实现。这种电能传输方法工作过程中容易产生打火和积碳现象，碳刷磨损严重，系统的使用寿命短，安全性低。
目前通常采用非接触式超声能量传输方式来克服接触式超声能量传输的缺点。非接触式超声能量传输装置采用电磁耦合能量传输原理设计，在结构上包括固定端和旋转端两部分，按照固定端与旋转端相对位置的不同，分为轴向式和径向式两种。
轴向非接触能量传输装置有：德国专利(DE102009008227A1)《Interface fora tool actuator and or for a tool,in particular for connecting to a machine tool》。该专利提出了一种将超声振动刀具与机床实现连接的接口形式。该接口在轴向上分为第一和第二连接区域并包含非接触能量传输装置。非接触能量传输装置实现电能的初步传输，后经导电装置将电能传输给旋转超声刀柄，完成整个电能的传输。其中，非接触能量传输装置的固定端与旋转端轴向相对布置并集成在机床主轴内部，形成较为封闭的轴向能量传输空间；此外，中国专利CN103128605A《一种超声加工刀柄》提出了一种感应式超声刀柄结构，该刀柄外侧设置有包括发射线圈和接收线圈等结构的轴向非接触电磁转换装置；中国专利CN102642157A《具有无线传输超声功率信号的加工装置》也提出一种轴向非接触能量传输形式的旋转超声加工装置。该能量传输装置包括发射线圈固定套件、发射电磁线圈、接收电磁线圈和软磁体环形槽等结构。发射电磁线圈通过发射线圈固定套件与机床主轴固定并与接收电磁线圈轴向小间隙布置，从而实现轴向上的非接触能量传输。
径向非接触能量传输装置有：中国专利CN102151867A公开了《一种基于机床附件化的旋转超声波头》，该专利将非接触式集流环设置在主轴与支撑外壳之间，通过非接触式集流环将超声波振动信号在刀柄径向方向上传递给超声振动工作装置。支撑外壳通过拨叉或磁座方式与机床床身固定。旋转端随机床主轴旋转，并通过轴承等形式与固定端小间隙径向布置。由于轴承的采用和支撑外壳的尺寸限制，均增加了装置的径向尺寸。
现有的非接触能量传输方式，无论是轴向还是径向，其能量传输空间都相对封闭，同时固定端在机床主轴端部占用一定空间，因此会对于机械手的换刀过程造成干涉。在不改变机床现有结构的情况下，只能采用人工的方式进行换刀。一个零件的加工往往需要诸多工序才能完成，不同的工序之间需要进行多次刀具的更换。这种频繁的人工换刀过程，降低了加工效率和生产的自动化水平；如果想实现自动换刀功能，就需要对机床本身或者换刀机构进行大量改造，其改造成本和资金投入巨大；此外，这种人工换刀等人为因素的引入和相对封闭的能量传输空间，不利于加工过程的安全。现有的非接触能量传输装置还存在对于不同机床和不同刀柄结构适应性差，安装调试不方便等缺点。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明要设计一种既可提高机床加工效率、自动化水平和生产安全性，又能提高刀柄结构的适应性和安装调试性能的用于旋转超声加工的非接触能量传输装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种用于旋转超声加工的非接触能量传输装置，包括固定端和旋转端两部分，所述的固定端包括固定端磁芯和固定端线圈，所述的旋转端包括旋转端磁芯、旋转端线圈和磁芯外套；所述的固定端与旋转端相对位置分别有轴向敞开式或径向敞开式两种布置方式。其中轴向敞开式布置方式适用于径向空间受限制的场合，径向敞开式布置方式适用于轴向空间受限制的场合；所述的轴向敞开式布置的固定端位于旋转端上侧，并与旋转端相对轴向布置；所述的径向敞开式布置的固定端位于旋转端的外侧，并与旋转端相对径向布置；
所述的固定端磁芯和固定端线圈用灌封胶封装于固定板内，并通过调整板和转接板安装在机床主轴端部。所述的旋转端磁芯和旋转端线圈用灌封胶封装于磁芯外套内，所述的磁芯外套通过过盈连接与旋转超声刀柄连接；所述的固定板与调整板之间、调整板与转接板之间预制凹槽和螺纹孔。一组螺钉穿过固定板的凹槽，与调整板螺纹固定。另一组螺钉穿过转接板的凹槽与调整板螺纹固定。所述的转接板通过螺纹与机床主轴固定；
所述的转接板与调整板之间、调整板与固定板之间采用定位槽定位，利用定位槽的定位和导向作用，约束调整板的移动方向。所述的调整板依靠凹槽的调整作用，实现调整板与固定板和转接板之间相对位置的调整，即调整固定端与旋转端之间的轴向或径向间隙。
当所述的固定端与旋转端相对位置为轴向敞开式时，固定端磁芯为从罐型磁芯上截取得到的部分磁芯，所截取的部分磁芯的圆心角小于等于180°；旋转端磁芯为完整的罐形磁芯。其中，固定端和旋转端磁芯通过磁感线的有效面积Ae相同，二者轴线重合，在轴向上小间隙敞开布置；在绕线方式上，固定端线圈呈半月形绕线方式，漆包线从所截取的罐形磁芯沟槽内绕过并沿罐形磁芯外壁绕回，如此往复缠绕在固定端磁芯的外壁；旋转端线圈呈环形绕线方式，漆包线往复缠绕在旋转端磁芯的沟槽内。
当所述的固定端与旋转端相对位置为径向敞开式时，固定端磁芯为从环形内开槽磁芯上截取得到的部分磁芯，所截取磁芯的圆心角小于等于180°；旋转端磁芯为完整的环形外开槽磁芯；其中，固定端和旋转端磁芯通过磁感线的有效面积Ae相同，且环形外开槽磁芯的外径比环形内开槽磁芯的内径略小，二者轴线重合，在径向上小间隙敞开布置；在绕线方式上，固定端线圈呈半月形绕线方式，漆包线从环形内开槽磁芯沟槽内绕过并沿磁芯外壁绕回，如此往复缠绕在固定端磁芯的外壁；旋转端线圈呈环形绕线方式，漆包线往复缠绕在环形外开槽的磁芯沟槽内。
本发明的工作原理如下：根据固定端磁芯的具体形状，固定端线圈围绕磁芯外壁进行绕制。电流沿着固定端线圈绕线方向流动，并在固定端形成一个局部的半月形电流回路。根据电磁感应原理，该感应电流产生变化的磁场，在旋转端环形线圈内产生感应电流。固定端与旋转端线圈一起构成了非接触能量传输装置的敞开式电流回路，从而实现非接触能量传输。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、提高加工效率和自动化水平。在现有的手动换刀条件下，旋转超声加工过程的各个工序之间往往需要较多的手动换刀工艺时间，加工效率低下，不利于提高加工的自动化水平。本发明由于采用了敞开式的非接触电能传输形式，预留出足够的敞开空间，方便换刀过程中机械手的进出，可以有效地解决机械手与固定端的干涉问题，从而实现加工过程与换刀过程的有机衔接，缩短各工序间的准备时间，提高加工的自动化水平。
2、节约改造成本和资金投入。对于现有的自动换刀机床，将其改造成为旋转超声加工机床的同时，必然涉及到成本和资金投入等问题。本发明采用敞开式非接触能量传输装置，能有效地避让开机械手的换刀空间。不需要对机床主轴结构和机械手的换刀路径进行额外改造，从而大大降低了改造成本和资金投入。
3、提高超声加工装置的安全性。在不改变机械手路径的前提下，能有效避免机械手与固定端碰撞，提高换刀过程的安全性；同时，敞开式非接触能量传输装置，能在更换刀柄前后，预留出足够的观察和操作空间。在刀柄旋转过程中，该敞开的固定端结构还有利于切屑等杂质的排出，保证加工的安全进行。
4、提高超声加工装置的适应性。本发明对于机床具有良好的适应性：由于采用固定端敞开的非接触能量传输形式，固定端为完整磁芯的一部分，相比采用完整磁芯而言，不受限于与机床主轴结构及尺寸，其空间占用更小，为机床主轴端面其他装置如冷却管或传感器的布置留出更多空间。此外，本发明的敞开式非接触式能量传输装置的固定端预留出一半以上的空间，能有效地解决自动换刀过程中的机械手与固定板之间的干涉问题，提高装置对于自动换刀机床的适应性。同时，本发明对于不同形式的刀柄也具有适应性：旋转端通过磁芯外套的过盈连接可以安装在不同尺寸和形状的旋转超声刀柄上，实现与刀柄的有机结合，使得刀柄的设计更为灵活。
5、安装和调试性能好。本发明的转接板和调整板均采用定位槽定位，预制凹槽和螺纹孔，用螺钉实现相互位置的调整和固定。当固定端和旋转端位置调整好后，用螺钉对于整个机构进行紧固，整个安装和调试过程简单易行。当系统需要调整时，调整板可以实现固定端与旋转端之间的轴向和径向间隙的调整，同时可以方便地实现非接触电能传输系统的间隙和性能的调节，提高系统的安装和调试性能。
附图说明
本发明共有附图8张，其中：
图1是本发明的轴向敞开式旋转超声加工装置的局部示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是本发明的轴向敞开式电能传输装置的剖面示意图。
图4是本发明的轴向敞开式电能传输装置的外形示意图。
图5是本发明的径向敞开式旋转超声加工装置的局部示意图。
图6是图5的B-B剖视图。
图7是本发明的径向敞开式电能传输装置的剖面示意图。
图8是本发明的径向敞开式电能传输装置的外形示意图。
图中：1、固定板，2、固定端磁芯，3、固定端线圈，4、旋转端线圈，5、旋转端磁芯，6、磁芯外套，7、旋转超声刀柄，8、超声加工工具。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。
本发明敞开式非接触能量传输装置包括固定端和旋转端两部分。其特征在于，固定端包括固定端磁芯2和固定端线圈3。旋转端包括旋转端磁芯5、旋转端线圈4和磁芯外套6。固定端磁芯2和固定端线圈3由灌封胶(未给出)封装于固定板1内。并通过调整板(未给出)和转接板(未给出)安装在机床主轴(未给出)端部。所述的旋转端磁芯5和旋转端线圈4用灌封胶(未给出)封装于磁芯外套6内，所述的磁芯外6套通过过盈连接与旋转超声刀柄7连接；
磁芯外套6采用不锈钢材料，通过过盈连接与旋转超声刀柄7连接。所述的旋转超声刀柄7为常用的7:24锥度的通用刀柄、1:10锥度的真空刀柄或其他标准形式的刀柄。
所述的固定板1与调整板(未给出)之间，调整板(未给出)与转接板(未给出)之间预制凹槽和螺纹孔。安装过程中，一组螺钉穿过固定板1的凹槽，与调整板(未给出)实现螺纹固定。另一组螺钉穿过转接板的凹槽与调整板(未给出)实现螺纹固定。所述的转接板(未给出)通过螺纹与机床主轴(未给出)固定，实现整个装置的安装；
调整过程中，所述的转接板(未给出)与调整板(未给出)之间、调整板与固定板之间采用定位槽定位，利用定位槽的定位和导向作用，约束调整板(未给出)的移动方向。所述的调整板(未给出)依靠凹槽的调整作用，实现调整板(未给出)与固定板1和转接板(未给出)的相对位置的调整，从而达到固定端与旋转端之间轴向和径向间隙调整的目的。
具体的设计流程如下：首先，根据超声加工系统的谐振频率f0，确定固定端磁芯2、固定端线圈3、旋转端线圈4、旋转端磁芯5组成的敞开式非接触能量传输装置的工作频率fw。其次，根据非接触能量传输装置的工作频率fw，计算穿透深度σ，并根据导线直径d小于等于2倍穿透深度σ的原则选取导线直径d。然后，根据导线直径d、固定端磁芯2和旋转端磁芯5的具体形状、所需的加工功率，计算固定端和旋转端线圈的匝数N1、N2，并进行圆整。再根据非接触能量传输装置的工作频率fw以及性能参数选择合适的磁芯材料。当磁芯材料、信号波形和工作频率fw确定后，通过系统传递的功率确定原边电压Vp和原边电流Ip，最后结合刀柄实际尺寸确定敞开式非接触能量传输装置的大小参数。
其中固定端磁芯2由罐型磁芯或环形内开槽磁芯截取得到，其截取磁芯的圆心角小于等于180°，旋转端为完整的罐型磁芯或完整的环形外开槽磁芯。固定端磁芯2和旋转端磁芯5轴线重合，相对轴向或径向小间隙布置，其中，固定端磁芯2和旋转端磁芯5通过磁感线的有效面积Ae相同。固定端线圈缠绕在固定端磁芯2的外壁，旋转端线圈绕制在旋转端磁芯5的环形槽内，二者构成敞开式的能量传输系统，从而实现能量从固定端到旋转端的传输。
整个装置的工作原理如下：固定端线圈3缠绕在固定端磁芯2的外壁并通过固定板1、调整板(未给出)以及转接板(未给出)连接在机床主轴上。固定端磁芯2与旋转端磁芯5同轴安装，相对轴向或径向小间隙布置。工作过程中，固定端线圈3通以高频的交变电流，在固定端周围产生交变的磁场。由于固定端磁芯2和旋转端磁芯5构成的磁路存在，使得该磁场在固定端磁芯2和旋转端磁芯5间流动，并将能量传递至旋转端磁芯5。根据电磁感应原理，旋转端线圈4内部产生与固定端线圈3相反的感应电动势和感应电流。该感应电流驱动超声加工工具8产生高频振动，从而实现旋转超声加工。
实施例一
如图1、2、3、4所示为本发明的轴向敞开式非接触能量传输装置的实施例一的示意图。其中，除了调整机构以及旋转超声刀柄外，其最核心的非接触能量传输装置的敞开性主要体现在磁芯结构和绕线方式上：该实施例中采用轴向敞开式非接触能量传输装置。在磁芯结构上，其固定端磁芯2和旋转端磁芯5分别采用部分和完整的罐形磁芯，二者同轴，轴小间隙布置，固定端磁芯2和旋转端磁芯5通过磁感线的有效面积Ae相同，形成敞开式磁场回路；在绕线方式上，固定端线圈3绕制在固定端磁芯3的外壁，旋转端线圈4绕制在旋转端磁芯5的沟槽内，二者组成了敞开式的电流回路。固定端和旋转端共同构成了轴向敞开式非接触能量传输装置。
实施例二
如图5、6、7、8所示为本发明的径向敞开式非接触能量传输装置的实施例二的示意图，其与图1、2、3、4所示的实施例一中的调整机构以及旋转超声刀柄相同之处就不再赘述，仅就不同点进行说明。
实施例二中采用径向敞开式非接触能量传输装置。其敞开性体现在：在磁芯结构上，固定端磁芯2和旋转端磁芯5分别采用部分和整个开槽环形磁芯，二者同轴，径向小间隙布置，固定端磁芯2和旋转端磁芯5通过磁感线的有效面积Ae相同，形成敞开式磁场回路；在绕线方式上，固定端线圈3绕制在固定端磁芯2的外壁，旋转端线圈4绕制在旋转端磁芯5的沟槽内，二者组成了敞开式的电流回路。固定端和旋转端共同构成了径向敞开式非接触能量传输装置。
实施例一和实施例二的不同点在于，实施例一在刀柄的径向空间上占用少，实施例二在刀柄的轴向空间上占用少；实施例一的磁芯结构较实施例二的加工工艺性更好，加工成本和制造难度更小；在相同条件下，实施例二较实施例一的电能传输效率更高，通过改变磁芯环形沟槽的尺寸，可以进一步对于刀柄的外形结构和尺寸进行简化；实施例一主要用于小功率非接触能量传输和传输效率要求不高的场合；实施例二主要用于大功率非接触能量传输和传输效率要求较高的场合。
实施例一和实施例二的相同点都能实现提高加工效率和自动化水平，降低改造成本和资金投入的目的，同时提高超声加工装置的安全性、适应性以及安装和调试性能。实施例一和实施例二都可以通过改变磁芯的形状、磁芯沟槽大小、线圈匝数以及固定端磁芯2和旋转端磁芯5的间隙的方式，实现系统性能和传输效率的调整。本发明有效地推动旋转超声加工技术在自动化机床上应用，为旋转超声加工装置中非接触能量传输装置的设计以及在其他领域的应用提出了新的思路。
本发明不局限于上述描述的具体实施方式，上述的具体实施方式在不脱离本发明宗旨，即敞开式式非接触能量传输装置的情况下，结合具体的应用场合，磁芯开槽尺寸和磁芯形状会有变化，所截取磁芯的角度范围会有变化，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种用于旋转超声加工的非接触能量传输装置，包括固定端和旋转端两部分，所述的固定端包括固定端磁芯(2)和固定端线圈(3)，所述的旋转端包括旋转端磁芯(5)、旋转端线圈(4)和磁芯外套(6)；
其特征在于：所述的固定端与旋转端相对位置分别有轴向敞开式或径向敞开式两种布置方式；其中轴向敞开式布置方式适用于径向空间受限制的场合，径向敞开式布置方式适用于轴向空间受限制的场合；所述的轴向敞开式布置的固定端位于旋转端上侧，并与旋转端相对轴向布置；所述的径向敞开式布置的固定端位于旋转端的外侧，并与旋转端相对径向布置；
所述的固定端磁芯(2)和固定端线圈(3)用灌封胶封装于固定板(1)内，并通过调整板和转接板安装在机床主轴端部；所述的旋转端磁芯(5)和旋转端线圈(4)用灌封胶封装于磁芯外套(6)内，所述的磁芯外套(6)通过过盈连接与旋转超声刀柄(7)连接；所述的固定板(1)与调整板之间、调整板与转接板之间预制凹槽和螺纹孔；一组螺钉穿过固定板(1)的凹槽，与调整板螺纹固定；另一组螺钉穿过转接板的凹槽与调整板螺纹固定；所述的转接板通过螺纹与机床主轴固定；
所述的转接板与调整板之间、调整板与固定板(1)之间采用定位槽定位，利用定位槽的定位和导向作用，约束调整板的移动方向；所述的调整板依靠凹槽的调整作用，实现调整板与固定板(1)和转接板之间相对位置的调整，即调整固定端与旋转端之间的轴向或径向间隙；
当所述的固定端与旋转端相对位置为轴向敞开式时，固定端磁芯(2)为从罐型磁芯上截取得到的部分磁芯，所截取的部分磁芯的圆心角小于等于180°；旋转端磁芯(5)为完整的罐形磁芯；其中，固定端和旋转端磁芯(5)通过磁感线的有效面积Ae相同，二者轴线重合，在轴向上小间隙敞开布置；在绕线方式上，固定端线圈(3)呈半月形绕线方式，漆包线从所截取的罐形磁芯沟槽内绕过并沿罐形磁芯外壁绕回，如此往复缠绕在固定端磁芯(2)的外壁；旋转端线圈(4)呈环形绕线方式，漆包线往复缠绕在旋转端磁芯(5)的沟槽内；
当所述的固定端与旋转端相对位置为径向敞开式时，固定端磁芯(2)为从环形内开槽磁芯上截取得到的部分磁芯，所截取磁芯的圆心角小于等于180°；旋转端磁芯(5)为完整的环形外开槽磁芯；其中，固定端和旋转端磁芯(5)通过磁感线的有效面积Ae相同，且环形外开槽磁芯的外径比环形内开槽磁芯的内径略小，二者轴线重合，在径向上小间隙敞开布置；在绕线方式上，固定端线圈(3)呈半月形绕线方式，漆包线从环形内开槽磁芯沟槽内绕过并沿磁芯外壁绕回，如此往复缠绕在固定端磁芯(2)的外壁；旋转端线圈(4)呈环形绕线方式，漆包线往复缠绕在环形外开槽的磁芯沟槽内。
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Inventor after: Dong Zhigang

Inventor after: Kang Renke

Inventor after: Wang Yidan

Inventor after: Zhou Ping

Inventor after: Sun Lei

Inventor after: Liu Jinting

Inventor before: Dong Zhigang

Inventor before: Kang Renke

Inventor before: Wang Yidan

Inventor before: Zhou Ping

Inventor before: Sun Lei

Inventor before: Liu Jinyan

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