CN104842203A - 一种基于机床附件化的局部感应的旋转超声波头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机床附件化局部感应的旋转超声波头，包括与超声振动工作装置相连的刀柄，刀柄上套有非接触式集流环，超声振动工作装置、刀柄和非接触式集流环的旋转轴线在一条直线上；非接触式集流环包括主边磁芯和副边磁芯，主边磁芯由一弧形或矩形的导磁材料构成，副边磁芯由环形导磁材料构成，主、副边磁芯为同轴设置；主边磁芯及副边磁芯的上均缠绕有线圈，主边磁芯通过一连接装置与机床床身相连，副边磁芯套装并固定在刀柄上。本发明简化了附件化的旋转超声波头的结构，减少了旋转超声加工过程中零部件的磨损与能量损耗，提高了其工作时的可靠性；局部感应的非接触能量传输,使得刀具的更换变得简单，实现自动化控制。

Description

一种基于机床附件化的局部感应的旋转超声波头

技术领域

本发明是一种局部感应的旋转超声波加工装置，其特点在于结构简单，能量损耗小，刀具更换方便，易于实现自动化控制。

背景技术

超声波加工常用于对硬脆材料的加工，可有效改善工件的表面质量，降低表面粗糙度和提高加工精度。然而，目前的超声波加工装置有诸多缺陷，如超声波加工头结构复杂，过于复杂的结构导致能量在传输过程中损耗较大，效率低；已有的非接触能量传输有两种：(1)端面传递，其缺陷是对磁芯布置的精度要求较高，如果两端面不能保持平行，能量传递的效率会大大降低。(2)柱面传递，传递效率稳定，但是由于使用两个磁环同心布置，且主边磁芯需固定不动，导致尺寸过大，虽能实现超声波加工头的机床附件化，但是换刀比较麻烦，不易实现的机床的自动换刀。因此影响了旋转超声加工在自动化加工中心的使用和推广。

发明内容

针对以上缺陷，本发明提供了一种基于机床附件化的局部感应的旋转超声波头，可以克服现有超声波加工装置的诸多不足，所能解决的技术问题包括(1)如何简化超声波加工装置的结构，减少在能量传输过程中的损耗；(2)如何实现超声波加工装置的自动换刀，实现自动化控制。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于机床附件化的局部感应的旋转超声波加工头予以实现的技术方案是：该旋转超声波头，包括与超声振动工作装置相连的刀柄及非接触式集流环，所述刀柄的一端通过连接法兰与所述超声振动工作装置连接，所述刀柄的另一端装在机床主轴上，所述非接触式集流环套在所述刀柄上，所述超声振动工作装置、刀柄和非接触式集流环的旋转轴线在一条直线上；所述非接触式集流环包括主边磁芯和副边磁芯，所述主边磁芯由一弧形或矩形的导磁材料构成，所述副边磁芯由环形导磁材料构成，所述主边磁芯与所述副边磁芯为同轴设置；所述主边磁芯与所述副边磁芯相对的表面上设有水平方向的线圈槽，所述主边磁芯上缠绕有主边线圈，所述副边磁芯的外回转表面上设有水平方向的环形线圈槽，所述副边磁芯的外回转表面缠绕有副边线圈；所述主边磁芯通过一连接装置与机床床身相连，所述副边磁芯套装并固定在刀柄上。

本发明基于机床附件化的局部感应的旋转超声波头，其中，所述主边磁芯为一弧形导磁材料时，该弧形导磁材料的弧度小于或等于π。

所述连接装置包括与机床床身固定的底座，所述底座上铰接有一连接杆，所述连接杆上设有用于安装主边磁芯的保持架，所述底座上设有两个连接杆的限位块，用以实现所述主边磁芯在工作位置和换刀位置之间进行切换，切换后并加以固定。

所述刀柄内腔的壁上设有的径向通孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明零部件数量相对减少了，从而不但降低了能量在传输过程中的损耗，而且降低了制造的成本；本发明中涉及到的刀柄和夹头等均使用标准件，降低了制造的成本。

由于本发明中的非接触式集流环采用弧形或矩形而非环形的主边磁芯，从而形成了局部感应的非接触式能量传播，可以满足大功率加工的需要，同时，降低了加工过程中主副边磁芯干涉的可能，有利于提高主轴的转速；

本发明中，非接触式集流环与所特有的连接装置配套使用，方便了刀具的更换，并为日后实现自动化换刀奠定了基础。

附图说明

图1是本发明基于机床附件化局部感应旋转超声波头的结构示意图；

图2是图1中连接杆旋转到换刀位置示意图；

图3是图1中所示主边磁芯为弧形的局部感应集流环结构的主视图；

图4是图3所示局部感应集流环结构的俯视图；

图5是图1中所示主边磁芯为矩形的局部感应集流环结构的主视图；

图6是图5所示局部感应集流环结构的俯视图。

图中：

1-工具      2-变幅杆    3-刀柄        4-副边磁芯

5-主边线圈  6-主边磁芯  7-副边线圈    8-保持架

9-连接杆    10-底座     11-换能器     12-锁紧螺母

13-螺母     14-夹头     15、17-限位块 16-铰链轴

A-径向通孔  B-刀柄内腔

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明一种基于机床附件化的局部感应的旋转超声波头，包括与超声振动工作装置相连的刀柄3及非接触式集流环，所述刀柄3的一端通过连接法兰与所述超声振动工作装置连接，此处刀柄3与法兰接触面的精度要求高，否则不能实现工具1、变幅杆2和刀柄3的同轴布置，影响加工质量；所述刀柄3的另一端装在机床主轴上，所述非接触式集流环套在所述刀柄3上，所述超声振动工作装置、刀柄3和非接触式集流环的旋转轴线在一条直线上。

如图1、图4和图6所示所述非接触式集流环由主边和副边构成，主边包括主边磁芯6和缠绕在主边磁芯6上的主边线圈5，副边包括副边磁芯4以及缠绕在副边磁芯4上的副边线圈7。所述副边磁芯4由环形导磁材料构成，如锰锌铁氧体等，但并不局限于此也可采用其他导磁材料，所述副边磁芯4的外回转表面上设有水平方向的环形线圈槽，所述副边线圈7缠绕在副边磁芯4的外回转表面的环形线圈槽中，所述副边磁芯4套在一个截面为L的保持架上，并用以套筒顶住，然后再用螺母锁紧，副边线圈7与刀柄3内的换能器11相连。所述主边磁芯6由一弧形或矩形的导磁材料构成，所述主边磁芯6为一弧形导磁材料时，弧形导磁材料的主边磁芯6与副边磁芯4为对正、且同轴设置，该弧形导磁材料得半径稍大于副边磁芯4，该弧形导磁材料的弧度小于或等于π，所述主边磁芯6与所述副边磁芯4相对的表面上设有水平方向的线圈槽，所述主边磁芯6通过一连接装置与机床床身相连，无论是弧形还是矩形的主边磁芯6均设有线圈槽，并缠有主边线圈5，如图1所示，所述主边磁芯6与所述副边磁芯4为同轴设置，主边磁芯6与副边磁芯4之间存有间隙，在不影响集流环副边回转的情况下该间隙应尽量小，以减少能量损失。

本发明中的非接触式集流环形成了局部感应的非接触式集流环，该非接触式集流环设置在刀柄3与连接装置之间，通过局部感应的非接触式集流环将超声波振动信号非接触的传递给超声振动工作装置，如图1所示，刀柄内腔B的壁上设有的径向通孔A，便于变幅杆2和换能器11工作时产生的热量能够及时从该径向通孔A散去。

所述连接装置包括与机床床身固定的底座10，所述底座10上铰接有一连接杆9，所述连接杆9上设有用于安装主边磁芯6的保持架8，安装主边磁芯6时，可以通过调节连接杆9、保持架8和底座10上的螺栓与螺母来改变主边磁芯6的位置，使主边磁性6与副边磁芯4正对(同轴)并保留有一定的间隙。保持架8的另一端通过连接杆9与底座10相连进而固定在机床床身上，所述底座10上设有两个连接杆的限位块15、17，用以实现所述主边磁芯6在工作位置和换刀位置之间进行切换，切换后并加以固定(固定的结构可以采用任何可行的结构方式，不受限制)，换刀时，将连接装置中的连接杆9拨起，使其绕底座10上的铰链轴16旋转，连接杆9带着主边磁芯从工作位置(限位块17)旋转到换刀位置(限位块15)，可以更加方便的更换刀具，也可实现加工中心刀具的自动更换；当再次使用超声波加工时，只需换上超声波头后将连接杆9放下，便可继续使用超声波加工。图1中的主边磁芯6为工作位置，图2示出了连接杆9绕铰链轴16旋转后主边磁芯6为换刀位置的状态示意图。

本发明的旋转超声波头的工作过程是：刀柄3与机床主轴相连，机床主轴的旋转运动通过刀柄3带动超声振动工作装置的换能器11和变幅杆2一起旋转，变幅杆2带动工具夹持器和工具1同速旋转，工具1加工工件，同时安装在刀柄3上的副边磁芯4随刀柄3同速旋转；连接装置相对于机床床身静止，安装在其上的主边磁芯6和主边线圈5保持固定不动；集流环主边线圈5与设置在该旋转超声波头外部的超声波信号发生器相连，将超声电信号传递给集流环主边线圈5，主边线圈5通过电磁感应将超声电信号非接触地传递给集流环副边线圈7，集流环副边线圈7与超声振动工作装置的压电陶瓷片相连，将超声电信号传递给压电换能器11，压电换能器11将超声电信号转化为同频率的机械振动，该机械振动信号经变幅杆2放大后传递给刀具1，使刀具1产生较大振幅的高频振动，最终刀具1将以旋转超声振动方式对工件进行加工。机床外部设置有供气系统，进行旋转超声加工时，供气系统通过一与刀柄内腔贯通的通孔(图中未画出该通孔)将冷空气送入刀柄3的内腔B内给压电换能器冷却，再通过主轴内腔壁上的径向通孔A流出。

换刀时，关闭超声电源，绕铰链轴16旋转连接装置的连接杆9，使其固定在图2所示的换到位置处，便可以如同普通加工中心一样更换刀具，重新加工时只需在更换好刀具后放下连接杆9至加工位置处并接通超声电源，即可继续进行旋转超声加工。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于机床附件化的局部感应的旋转超声波头，包括与超声振动工作装置相连的刀柄(3)及非接触式集流环，所述刀柄(3)的一端通过连接法兰与所述超声振动工作装置连接，所述刀柄(3)的另一端装在机床主轴上，所述非接触式集流环套在所述刀柄(3)上，所述超声振动工作装置、刀柄(3)和非接触式集流环的旋转轴线在一条直线上；其特征在于：

所述非接触式集流环包括主边磁芯(6)和副边磁芯(4)，所述主边磁芯(6)由一弧形或矩形的导磁材料构成，所述副边磁芯(4)由环形导磁材料构成，所述主边磁芯(6)与所述副边磁芯(4)为同轴设置；

所述主边磁芯(6)与所述副边磁芯(4)相对的表面上设有水平方向的线圈槽，所述主边磁芯(6)上缠绕有主边线圈(5)，所述副边磁芯(4)的外回转表面上设有水平方向的环形线圈槽，所述副边磁芯(4)的外回转表面缠绕有副边线圈(7)；

所述主边磁芯(6)通过一连接装置与机床床身相连，所述副边磁芯(4)套装并固定在刀柄(3)上。

2.根据权利要求1所述一种基于机床附件化的局部感应的旋转超声波头，其特征在于，所述主边磁芯(6)为一弧形导磁材料时，该弧形导磁材料的弧度小于或等于π。

3.根据权利要求1所述一种基于机床附件化的局部感应的旋转超声波头，其特征在于，所述连接装置包括与机床床身固定的底座(10)，所述底座(10)上铰接有一连接杆(9)，所述连接杆(9)上设有用于安装主边磁芯(6)的保持架(8)，所述底座(10)上设有两个连接杆的限位块(15、17)，用以实现所述主边磁芯(6)在工作位置和换刀位置之间进行切换。

4.根据权利要求1所述一种基于机床附件化的局部感应的旋转超声波头，其特征在于，所述刀柄内腔(B)的壁上设有的径向通孔(A)。