CN106217437B - 一种超声纵扭振动加工装置及加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声纵扭振动加工装置，包括刀柄组件、换能器组件、刀具组件和非接触能量传输组件，刀柄组件包括与机床主轴相连的上轴，以及内部中空的下轴，上轴和下轴随机床主轴转动；换能器组件包括安设在下轴内部的压电陶瓷晶片，以及与下轴下端固连的变幅杆，变幅杆的下端固定有刀具组件；压电陶瓷晶片与非接触能量传输组件的电能输出端相连。本发明还提供了一种超声纵扭振动加工工艺。本发明的有益效果为：（1）本发明采用调节组件调节原、副边线圈的磁间间隙和轴线偏摆的问题，保证了电能的高效率传输，提高了加工质量和效率；（2）本发明采用非接触式能量传输设计，解决了传统超声加工中，滑环磨损对能量的消耗。
Description
技术领域
本发明涉及超声加工设备技术领域，具体涉及一种超声纵扭振动加工装置及加工工艺。
背景技术
碳纤维等复合材料具有高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能，已被广泛应用于机械、电子、航空、汽车等领域。然而正是这些特性增加了碳纤维等复合材料的加工难度，传统的加工方法加工效率低、成本高，限制了碳纤维等复合材料的进一步应用。随着科学技术的发展，特种加工应运而生，并且迅速发展。
目前的超声振动加工系统多采用接触式能力传输供电，供电系统和负载之间存在机械磨损和摩擦，增加了系统的损耗，且由于电刷的存在，限制了刀具的转速，从而限制了加工质量和效率。非接触式电能传输方式有效地解决了以上难题，但是非接触式电能传输方式对原、副边绕组的磁芯间隙等参数要求较高，电能传输效率较低，限制了该种方法的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种磁芯间隙及轴线可调的超声纵扭振动加工装置及加工工艺。
本发明采用的技术方案是：一种超声纵扭振动加工装置，包括刀柄组件、换能器组件、刀具组件和非接触能量传输组件，刀柄组件包括与机床主轴相连的上轴，以及内部中空的下轴，上轴和下轴随机床主轴转动；换能器组件包括安设在下轴内部的压电陶瓷晶片，以及与下轴下端固连的变幅杆，变幅杆的下端固定有刀具组件；压电陶瓷晶片与非接触能量传输组件的电能输出端相连。
按上述方案，非接触能量传输组件包括供电盒、原边线圈、原边磁芯、副边线圈和副边磁芯，供电盒的一端与超声电源相连，供电盒的另一端与原边线圈电连接；原边线圈缠绕于原边磁芯上，副边线圈缠绕于副边磁芯上，原边线圈与副边线圈相对应，原边磁芯与副边磁芯相对应，副边线圈与刀柄组件相连；副边线圈与压电陶瓷晶片电连接；当机床主轴旋转时，原边线圈不转动，副边线圈随刀柄组件转动。
按上述方案，所述加工装置包括安装在机床主轴外壳上的调节组件，调节组件包括固定在机床主轴外壳上的支撑板，所述供电盒安装在支撑板上，支撑板的下部依次安设有若干被压缩的弹簧、调节板和固定板，弹簧的上端与支撑板的下表面相连，弹簧的下端与调节板的上表面相连，调节板外壁上安设有水平指示仪，调节板的下表面与调节螺栓的顶部相连，调节螺栓与开设在固定板上的螺纹孔配合,固定板与支撑板连接固定；所述上轴依次穿过支撑板、调节板和固定板，所述原边线圈与调节板的下表面相连。
按上述方案，支撑板的下表面设置有圆柱形的上凸起，调节板的上表面设置有圆柱形的下凸起，所述弹簧的上端套设在上凸起上，弹簧的下端套设在下凸起上。
按上述方案，调节板的下表面开设有凹槽，凹槽与调节螺栓的上端相配合。
按上述方案，所述支撑板、调节板和固定板均为环行板，所述弹簧有三组，在调节板的上表面周向均匀间隔安装。
按上述方案，非接触能量传输组件还包括原边保护套与副边保护套，原边保护套与调节板固定相连；原边线圈和原边磁芯设置在原边保护套内；副边保护套与刀柄组件固连，副边保护套随刀柄组件旋转；副边线圈和副边磁芯设置在副边保护套内，副边磁芯的中心轴线竖直且与上轴的轴线重合。
按上述方案，换能器组件还包括后盖板和预紧螺栓，后盖板和压电陶瓷晶片套设在预紧螺栓上，预紧螺栓的下部与变幅杆相连，变幅杆的上端与下轴的下端相连，变幅杆的中部外周面开有斜槽，变幅杆下端的外周面开设有用于装配刀具组件的外螺纹，变幅杆下端端面开设有安装孔。
按上述方案，刀具组件包括ER夹头、ER紧固帽和刀具，ER夹头安设在变幅杆下端的安装孔内，刀具的上端插入ER夹头内，ER紧固帽与变幅杆下端的外螺纹配合连接。
一种超声纵扭振动加工工艺，包括以下步骤：
步骤一、提供上述所述的装置，并装配在机床主轴上；
步骤二、对原边绕组和副边绕组进行电磁匹配设计，确定原边磁芯与副边磁芯的间隙等参数的最佳范围；
步骤三、旋转其中一个调节螺母，使两个绕组的磁芯间隙达到设定范围内；步骤四、根据调节板上的水平指示仪，调节另外两个调节螺母，消除轴线偏摆；
步骤五、打开超声电源：供电装置采用自动控制式超声电源，可以自动检测超声波频率和振幅，自动调整到本装置所需要的工作频率段；
步骤六、启动机床。
本发明的有益效果是：（1）本发明采用调节组件调节原副边线圈的磁间间隙和轴线偏摆的问题，保证了电能的高效率传输，提高了加工质量和效率；（2）本发明采用非接触式能量传输设计，解决了传统超声加工中，滑环磨损对能量的消耗；(3)本发明的整体结构简单，互换性高，能满足加工中心自动换刀要求，实用于多种结构的加工处理。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2为本实施例的装配结构示意图。
图3为本实施例中调节组件的结构示意图。
图4为本实施例中非接触能量传输组件的结构示意图。
图5为本实施例中刀柄组件的结构示意图。
图6为本实施例中换能器组件的结构示意图。
图7为本实施例中刀具组件的结构示意图。
图8为本实施例中原边绕组和副边绕组轴线偏摆的示意图。
其中：1、调节组件；1.1、支撑板；1.2、弹簧；1.3、调节板；1.4、固定板；1.5、水平仪；1.6、调节螺栓；1.7、上凸起；1.8、下凸起；1.9、凹槽；1.10、外伸凸台；2、非接触能量传输组件；2.1、供电盒；2.2、副边线圈；2.3、原边保护套；2.4、副边保护套；3、刀柄组件；3.1、上轴；3.2、下轴；4、换能器组件；4.1、压电陶瓷片；4.2、变幅杆；4.3、后盖板；4.4、预紧螺栓；4.5、斜槽；4.6、外螺纹；4.7、连接螺栓；5、刀具组件；5.1、ER夹头；5.2、ER紧固帽；5.3、刀具。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地描述。
如图2所示的一种超声纵扭振动加工装置，包括非接触能量传输组件2、刀柄组件3、换能器组件4、刀具组件5，其中，非接触能量传输组件2包括供电盒2.1、原边线圈、原边磁芯、副边线圈2.2和副边磁芯，供电盒2.1一端与超声电源相连（附图未示出），供电盒2.1的另一端与原边线圈电连接，原边线圈缠绕于原边磁芯上，副边线圈2.2缠绕于副边磁芯上，原边线圈与副边线圈2.2相对应，原边磁芯与副边磁芯相对应，副边线圈2.2与刀柄组件3相连；刀柄组件3包括与机床主轴相连的上轴3.1（上轴3.1为锥形轴），以及内部中空的下轴3.2，上轴3.1和下轴3.2随机床主轴转动；换能器组件4包括安设在下轴3.2内部的压电陶瓷晶片4.1，以及与下轴3.2下端固连的变幅杆4.2，变幅杆4.2的下端固定有刀具组件5；压电陶瓷晶片4.1与副边线圈2.2电连接；当机床主轴旋转时，原边线圈不转动，副边线圈2.2随之转动。
本发明中，所述加工装置包括安装在机床主轴外壳上的调节组件1，调节组件1包括通过螺栓固定在机床主轴外壳上的支撑板1.1（支撑板1.1为整个调节组件1提供支撑），所述供电盒2.1安装在支撑板1.1上，支撑板1.1的下部依次安设有若干被压缩的弹簧1.2、调节板1.3和固定板1.4，弹簧1.2周向均匀布置，弹簧1.2的上端与支撑板1.1的下表面相连，弹簧1.2的下端与调节板1.3的上表面相连（为调节板1.3提供向下的压力），调节板1.3外壁上安设有水平指示仪1.5，调节板1.3的下表面与调节螺栓1.6的顶部相连，调节螺栓1.6与开设在固定板1.4上的螺纹孔配合；固定板1.4与支撑板1.1通过螺栓连接固定（支撑板1.1的下表面设置有外伸凸台1.10，外伸凸台1.10与固定板1.4通过螺栓连接）；所述上轴3.1依次穿过支撑板1.1、调节板1.3和固定板1.4，所述原边线圈与调节板1.3的下表面固连。
优选地，支撑板1.1的下表面设置有圆柱形的上凸起1.7，调节板1.3的上表面设置有圆柱形的下凸起1.8，所述弹簧1.2的上端套设在上凸起1.7上，弹簧1.2的下端套设在下凸起1.8上。
优选地，调节板1.3的下表面开设有凹槽1.9，凹槽1.9与调节螺栓1.6的上端相配合（调节螺栓1.6的顶部为球形凸起，该凹槽1.9与球形凸起配合）。本实施例中，所述支撑板1.1、调节板1.3和固定板1.4均为环行板，所述弹簧1.2有三组，在调节板1.3的上表面周向均匀间隔安装。
本发明中，非接触能量传输组件2还包括原边保护套2.3与副边保护套2.4，原边保护套2.3通过螺栓与调节板1.3固定相连，原边保护套2.3内设置原边线圈和原边磁芯；副边保护套2.4通过螺栓与刀柄组件3固连，副边保护套2.4随刀柄组件3旋转；副边保护套2.4内设置副边线圈2.2和副边磁芯，副边磁芯的中心轴线竖直且可与上轴3.1的轴线重合。
本发明中，换能器组件4还包括后盖板4.3和预紧螺栓4.4，后盖板4.3和压电陶瓷晶片4.1套设在预紧螺栓4.4上，两者通过预紧螺栓4.4装配在变幅杆4.2上（变幅杆4.2的上端端面开设有与预紧螺栓4.4配合的螺栓孔），变幅杆4.2的上端通过连接螺栓4.7与下轴3.2的下端相连，变幅杆4.2的中部外周面开有斜槽4.5，变幅杆4.2下端的外周面开设有用于装配刀具组件5的外螺纹4.6，变幅杆4.2下端端面开设有安装孔。
本发明中，刀具组件5包括ER夹头5.1、ER紧固帽5.2和刀具5.3，ER夹头5.1安设在变幅杆4.2下端的安装孔内，刀具5.3的上端插入ER夹头5.1内，ER紧固帽5.2与变幅杆4.2下端的外螺纹4.6配合连接，将刀具5.3紧固在ER夹头5.1内。
本发明的工作原理为：供电盒2.1给原边线圈供电时，通过电磁感应将电能传输给副边线圈2.2，最终给压电陶瓷晶片4.1通电，压电陶瓷晶片4.1产生的纵向振动激励的纵波经变幅杆4.2上端传递至下部时，其中部外周面上的斜槽4.5对纵波进行分解，激励出扭转振动，并与压电陶瓷晶片4.1产生的纵向振动复合，在刀具组件5的末端形成纵扭振动，从而带动刀具5.3运作。
为了保证电能的高效率传输，必须保证原边绕组（包括原边线圈和原边磁芯）和副边绕组（包括副边线圈2.2和副边磁芯）同轴，且两个绕组之间存在一定间距。然而实际情况下由于安装等误差会出现两个绕组的轴线偏摆、间距改变（如图8）等情况，因此可以通过本发明中的调节组件1进行调节。利用调整组件1进行调整的具体过程为：根据原边绕组和副边绕组的电磁匹配设计，确定两个绕组之间的磁芯间隙，再旋转调节螺栓1.6，使调节板1.3上升或下降以保证原边绕组与副边绕组的磁芯间隙最佳；根据水平指示仪1.5的显示，调整相关的调节螺栓1.6，直至水平指示仪1.5显示调节板1.3维持水平状态，此时原边绕组和副边绕组同轴，消除轴线偏摆。
一种超声纵扭振动加工工艺，包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述超声纵扭装置并装配在机床主轴上；
步骤二、对原边绕组和副边绕组进行电磁匹配设计，确定原边磁芯与副边磁芯的间隙等参数的最佳范围；
步骤三、旋转其中一个调节螺母1.6，使该位置的两个绕组的磁芯间隙达到设定范围内；
步骤四、根据调节板1.3上的水平指示仪1.5，调节另外两个调节螺母1.6，消除轴线偏摆；
步骤五、打开超声电源：供电装置采用自动控制式超声电源，可以自动检测超声波频率和振幅，自动调整到本装置所需要的工作频率段；
步骤六、启动机床。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种超声纵扭振动加工装置，其特征在于，包括刀柄组件、换能器组件、刀具组件和非接触能量传输组件，刀柄组件包括与机床主轴相连的上轴，以及内部中空的下轴，上轴和下轴随机床主轴转动；换能器组件包括安设在下轴内部的压电陶瓷晶片，以及与下轴下端固连的变幅杆，变幅杆的下端固定有刀具组件；压电陶瓷晶片与非接触能量传输组件的电能输出端相连；非接触能量传输组件包括供电盒、原边线圈、原边磁芯、副边线圈和副边磁芯，供电盒的一端与超声电源相连，供电盒的另一端与原边线圈电连接，原边线圈缠绕于原边磁芯上，副边线圈缠绕于副边磁芯上，原边线圈与副边线圈相对应，原边磁芯与副边磁芯相对应，副边线圈与刀柄组件相连；副边线圈与压电陶瓷晶片电连接；当机床主轴旋转时，原边线圈不转动，副边线圈随之转动；所述加工装置包括安装在机床主轴外壳上的调节组件，调节组件包括固定在机床主轴外壳上的支撑板，所述供电盒安装在支撑板上，支撑板的下部依次安设有若干被压缩的弹簧、调节板和固定板，弹簧的上端与支撑板的下表面相连，弹簧的下端与调节板的上表面相连，调节板外壁上安设有水平指示仪，调节板的下表面与调节螺栓的顶部相连，调节螺栓与开设在固定板上的螺纹孔配合,固定板与支撑板连接固定；所述上轴依次穿过支撑板、调节板和固定板，所述原边线圈与调节板的下表面相连。
2.如权利要求1所述的一种超声纵扭振动加工装置，其特征在于，支撑板的下表面设置有圆柱形的上凸起，调节板的上表面设置有圆柱形的下凸起，所述弹簧的上端套设在上凸起上，弹簧的下端套设在下凸起上。
3.如权利要求1所述的一种超声纵扭振动加工装置，其特征在于，调节板的下表面开设有凹槽，凹槽与调节螺栓的上端相配合。
4.如权利要求1所述的一种超声纵扭振动加工装置，其特征在于，所述支撑板、调节板和固定板均为环行板，所述弹簧有三组，在调节板的上表面周向均匀间隔安装。
5.如权利要求1所述的一种超声纵扭振动加工装置，其特征在于，非接触能量传输组件还包括原边保护套与副边保护套，原边保护套与调节板固定相连；原边线圈和原边磁芯设置在原边保护套内；副边保护套与刀柄组件固连，副边保护套随刀柄组件旋转；副边线圈和副边磁芯设置在副边保护套内，副边磁芯的中心轴线竖直且与上轴的轴线重合。
6.如权利要求1所述的一种超声纵扭振动加工装置，其特征在于，换能器组件还包括后盖板和预紧螺栓，后盖板和压电陶瓷晶片套设在预紧螺栓上，预紧螺栓的下部与变幅杆相连，变幅杆的上端与下轴的下端相连，变幅杆的中部外周面开有斜槽，变幅杆下端的外周面开设有用于装配刀具组件的外螺纹，变幅杆下端端面开设有安装孔。
7.如权利要求1所述的一种超声纵扭振动加工装置，其特征在于，刀具组件包括ER夹头、ER紧固帽和刀具，ER夹头安设在变幅杆下端的安装孔内，刀具的上端插入ER夹头内，ER紧固帽与变幅杆下端的外螺纹配合连接。
8.一种超声纵扭振动加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、提供权利要求1中任意一项所述的装置，并装配在机床主轴上；
步骤二、对原边绕组和副边绕组进行电磁匹配设计，确定原边磁芯与副边磁芯的间隙等参数的最佳范围；
步骤三、旋转其中一个调节螺栓，使两个绕组的磁芯间隙达到设定范围内；
步骤四、根据调节板上的水平指示仪，调节另外两个调节螺栓，消除轴线偏摆；
步骤五、打开超声电源：供电装置采用自动控制式超声电源，可以自动检测超声波频率和振幅，自动调整到本装置所需要的工作频率段；
步骤六、启动机床。
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