CN106985015A - 一种整体式复合超声刀柄装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种整体式复合超声刀柄装置，包括刀柄主体及设置在刀柄主体前端的刀具，在所述刀柄主体内设置有一高频纵扭复合超声振子，所述刀柄主体在外周面形成有一凸环，在所述刀柄主体外转动的设有一原边磁芯安装座，该原边磁芯安装座靠近所述凸环；在所述凸环上内设置有一副边线圈组件，在所述原边磁芯安装座内设置有一原边线圈组件，所述副边线圈组件和原边线圈组件相对设置；在所述原边磁芯安装座的外圆面上固定有一止动电源连接插头，该止动电源连接插头内引线插线分别与原边线圈两端引线相连。本发明超声刀柄结构更便于机床的安装使用，同时，可有效的减小磨削力、提高刀具的使用寿命及提高磨削加工效果。

Description

一种整体式复合超声刀柄装置
技术领域
本发明涉及超声辅助磨削加工领域，具体涉及一种外转整体式高频纵扭复合超声刀柄装置。
背景技术
随着工业技术的迅猛发展，陶瓷因其具有机械强度高、耐磨、耐高温、耐腐蚀等优良特性，因而被广泛的应用于航空航天、汽车、通信和化工等领域。目前，由于陶瓷材料的自身特性，导致其机械加工效率低，刀具磨损过快导致的加工成本很高，这些因素严重的制约在民用领域内的推广。为了提高陶瓷的加工效率与加工质量，就必须寻求一种新的加工方式来满足陶瓷的加工要求。
超声辅助加工是一种典型的复合加工技术，包括超声辅助车削、钻削、磨削等。相比普通加工而言,超声辅助加工技术具有一些突出优点，如可有效降低切削力、提高加工质量、减小刀具磨损和提高加工效率，从而拓展了可加工材料和加工零件的适用范围和应用领域。超声辅助磨削作为硬脆材料加工的有效手段，其在光学玻璃、S ic陶瓷、大理石等领域的加工效果已得到了充分的验证，并得到了业界的广泛认可。目前，使用最为广泛的超声辅助磨削装备有两种：一是超声波主轴，二是超声波刀柄；相比两者，超声波刀柄其更便于普通机床的使用、改造与安装，同时还可实现机床的自动化加工，因而被加工企业普遍的认可与采用。
现有的超声刀柄主要采用原边线圈与副边线圈分离的方式进行安装，即原边线圈通过套环套装在主轴上，副边线圈装在超声刀柄上，随主轴一起旋转；这种超声刀柄的结构方式会占具主轴端部的部分空间，还需对主轴进行部分改装；同时，该结构形式的超声刀柄常常受限于刀库的装刀与换刀形式，影响机床的自动化换刀，不便于普通机床的改造与使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种更加适用于普通机床改造的超声辅助磨削刀柄装置，以便于对陶瓷、光学玻璃等硬脆难加工零件进行超声辅助磨削加工与生产，从而减小陶瓷加工的成本，提高陶瓷加工的效率与质量；与此同时，设计的新型超声刀柄也可促进超声辅助加工技术在各行业内的发展。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种整体式复合超声刀柄装置，包括刀柄主体及设置在刀柄主体前端的刀具，其特征在于：在所述刀柄主体内设置有一高频纵扭复合超声振子，所述刀柄主体在外周面形成有一凸环，在所述刀柄主体外转动的设有一原边磁芯安装座，该原边磁芯安装座靠近所述凸环；在所述凸环上内设置有一副边线圈组件，在所述原边磁芯安装座内设置有一原边线圈组件，所述副边线圈组件和原边线圈组件相对设置；所述高频纵扭复合超声振子包括后盖板、压电片、电极片、前盖板以及夹头，所述压电片和电极片装夹在后盖板与前盖板中间，所述夹头设置在所述前盖板内，所述刀具连接在所述夹头上；在所述刀柄主体下端还设置有一振子固定压圈，所述高频纵扭复合超声振子通过所述振子固定压圈压紧固定在所述刀柄主体内；在所述原边磁芯安装座的外圆面上固定有一止动电源连接插头，该止动电源连接插头内引线插线分别与原边线圈两端引线相连。
在所述前盖板上设置有法兰，所述高频纵扭复合超声振子安装于刀柄主体中，通过所述法兰进行定位及固定。
压电片和电极片通过前盖板的螺钉压紧装夹在后盖板与前盖板中间。
所述夹头为弹簧夹头，所述刀具插入弹簧夹头中，弹簧夹头插入变幅杆前端，并由螺帽将弹簧夹头和刀具压紧。
所述副边线圈组件包括副边罐型磁芯、副边磁芯安装座、副边线圈和环氧树脂组成；利用环氧树脂将副边线圈固化封装在副边罐形磁芯中，副边罐形磁芯装入副边磁芯安装座，副边磁芯安装座与所述刀柄主体相连，三者之间利用环氧树脂粘接固定；所述原边线圈组件包括原边罐型磁芯、原边磁芯安装座、原边线圈和环氧树脂组成；利用环氧树脂将原边线圈固化封装在原边罐形磁芯中，原边罐形磁芯装入原边磁芯安装座；原边线圈并与副边线圈平行相对。
所述原边磁芯安装座通过高速防水轴承安装于刀柄主体上，所述高速防水轴承内圈通过轴承压圈定位压紧。
所述轴承压盖通过螺钉安装在原边磁芯安装座的下端，并压紧所述高速防水轴承外圈。
原边罐形磁芯端面与副边罐形磁芯端面间距为0.2mm-1.5mm。
所述高频纵扭复合超声振子其频率为20-90kHz。
所述高频纵扭复合超声振子的前盖板外圆开有等间距的斜槽；其中，斜槽长度为3-7mm,宽度1-3mm，两槽间距2-4mm,与轴线的夹角为0-90°。能够让超声换能器产生扭转振动。
超声电源接线端与止动电源连接插头接线端相连，为原边线圈提供电能，同时通过超声电源接线端固定超声刀柄原边线圈组件，使其在工作时不跟随超声刀柄转动。
本发明将超声振动技术与磨削技术相结合，副边线圈组件和原边线圈组件同时安装在刀柄主体上，将超声换能器安装于刀柄内部，通过旋转非接触式电能传输的方法为超声换能器提供电能，并将无线电能传输的原/副边线圈集成在同一刀柄上，极大程度上的方便了普通机床对超声刀柄的使用与改装，为超声刀柄使用的便捷化提供了一种新的结构与方法。
本发明超声刀柄结构更便于机床的安装使用，同时，该刀柄在超声辅助磨削加工过程中能够实现多维振动，可有效的减小磨削力和提高刀具的使用寿命，20-90kHz的高频振动可有效的减小速度效应给超声辅助磨削带来的影响，有效的提高磨削加工效果。
附图说明
图1是本发明的外转整体式高频纵扭复合超声刀柄装置的局部示意图。
图2是本发明中高频纵扭复合超声振子前视图。
图3是本发明中原边线圈组件前视图。
图4是本发明中副边线圈组件前视图。
图5是本发明的应用实例示意图。
图中标号说明：1.刀柄主体，2.副边磁芯安装座，3.副边罐型磁芯，4.止动电源连接插头，5.轴承压盖，6.高速防水轴承，7.轴承压圈，8.振子固定压圈，9.环氧树脂，10.副边线圈，11.原边线圈，12.原边罐型磁芯，13.原边磁芯安装座，14.螺钉，15.高频纵扭复合超声振子，16.螺帽，17.刀具，18.后盖板，19.压电片，20.电极片，21.绝缘层，22.前盖板，23.超声电源，24.原边线圈组件固定块。
具体实施方式
以下，结合附图对本发明进行进一步描述。外转整体式高频纵扭复合超声刀柄装置包括刀柄旋转模块和刀柄固定模块两部分。刀柄旋转模块主要包括刀柄主体1，安装在刀柄主体内的高频纵扭复合超声振子15，副边磁芯安装座2，副边罐形磁芯3，副边线圈10；刀柄固定模块主要包括原边磁芯安装座13，原边罐形磁芯12，原边线圈11，轴承压盖5和止动电源连接插头4。
旋转端中的砂轮基体1材料为4Cr13不锈钢，其结构长度为70mm、最大外径为Φ48mm，刀柄上端有厚度为1mm厚的副边磁芯安装座定位环，定位环下面有两个直径为Φ3mm的对称孔，用作于超声振子与副边线圈连接导线的过线孔；刀柄下端有直径为Φ23mm，深43mm的圆柱孔，用于安装高频纵扭复合超声振子；
高频纵扭复合超声振子15外轮廓为圆柱形，其主要包括前盖板22和依次套设在前盖板螺柱上的压电陶瓷片19、电极片20、绝缘层21和后盖板18，前盖板22设有联接用的法兰盘。压电陶瓷片19和电极片20通过前盖板22的螺柱与后盖板18的螺纹压紧固定；刀具17通过弹簧夹头与前盖板22联接，并用螺帽16将刀具17固定压紧；其中压电陶瓷片19材料为PZT‐8，尺寸为：Φ15×Φ6×3mm，压电陶瓷片19的片数为4。
副边罐形磁芯3结构为Φ70×Φ50×7mm的圆环，在一侧端面开有Φ67×Φ53×6mm的环形槽，内圆面上在直径方向上钻有两个直径为Φ3mm的圆孔，与刀柄主体上直径为Φ3mm的过线孔相对。副边罐形磁芯3通过粘接的方式安装至副边磁芯安装座2内，副边磁芯安装座2通过刀柄主体上的定位环安装至刀柄上，并用环氧树脂固定。
副边线圈10由25*0.1mm的纱包线绕制而成，为高频纵扭复合超声振子15提供电能，由超声振子的最大功率计算得到原、副边线圈的匝数。绕制完成的副边线圈10装入副边罐形磁芯3的环形槽内，线圈接线端与高频纵扭复合超声振子15的接线端相连接，并用环氧树脂9将副边线圈10固化封装。
原边磁芯安装座13上有与副边磁芯安装座2上结构尺寸相同的环形槽，其外圆侧面钻有直径Φ3mm的圆孔；原边磁芯安装座13通过高速防水轴承6、轴承压盖5和轴承压圈7安装在刀柄主体上，其原边罐形磁芯12与副边罐形磁芯3平行相对，两磁芯端面的距离为0.2-2mm。
原边罐形磁芯12其材料、结构尺寸与副边罐形磁芯3相同，这里不再赘述，不同的是其外圆面上只有一个直径为Φ3mm的圆孔，与原边磁芯安装座13侧面直径Φ3mm的圆孔相对，作为止动电源连接插头4与原边线圈11连线通道。原边罐形磁芯12同样采用粘接的方式安装至原边磁芯安装座13的环形槽内。
原边线圈11的线径、匝数与副边线圈10相同。绕制完成的原边线圈11利用环氧树脂9将其固化封装至原边罐形磁芯12的环形槽内。
运行时，结合图5所示，刀柄旋转工作时，刀柄主体1带动副边线圈组件2、3、10转动；超声电源23与原边线圈组件固定块24的接线相连，原边线圈组件固定块24与机床主轴通过螺母固定，同时与止动电源连接插头4的电插头相连，为超声刀柄的原边线圈11提供电能，基于电磁感应效应，原边线圈11产生的交变磁场使刀柄主体上的副边线圈10产生电能，并通过导线传输至高频纵扭复合超声振子15，高频纵扭复合超声振子15由于逆压电效应，同时通过前盖板上的斜槽作用，产生纵向和扭转两个维度的超声振动，从而使刀柄产生超声椭圆振动。

Claims (10)

1.一种整体式复合超声刀柄装置，包括刀柄主体及设置在刀柄主体前端的刀具，其特征在于：在所述刀柄主体内设置有一高频纵扭复合超声振子，所述刀柄主体在外周面形成有一凸环，在所述刀柄主体外转动的设有一原边磁芯安装座，该原边磁芯安装座靠近所述凸环；在所述凸环上内设置有一副边线圈组件，在所述原边磁芯安装座内设置有一原边线圈组件，所述副边线圈组件和原边线圈组件相对设置；所述高频纵扭复合超声振子包括后盖板、压电片、电极片、前盖板以及夹头，所述压电片和电极片装夹在后盖板与前盖板中间，所述夹头设置在所述前盖板内，所述刀具连接在所述夹头上；在所述刀柄主体下端还设置有一振子固定压圈，所述高频纵扭复合超声振子通过所述振子固定压圈压紧固定在所述刀柄主体内；在所述原边磁芯安装座的外圆面上固定有一止动电源连接插头，该止动电源连接插头内引线插线分别与原边线圈两端引线相连。
2.根据权利要求1所述的整体式复合超声刀柄装置，其特征在于：在所述前盖板上设置有法兰，所述高频纵扭复合超声振子安装于刀柄主体中，通过所述法兰进行定位及固定。
3.根据权利要求1所述的整体式复合超声刀柄装置，其特征在于：所述压电片和电极片通过前盖板的螺钉压紧装夹在后盖板与前盖板中间。
4.根据权利要求1所述的整体式复合超声刀柄装置，其特征在于：所述夹头为弹簧夹头，所述刀具插入弹簧夹头中，弹簧夹头插入变幅杆前端，并由螺帽将弹簧夹头和刀具压紧。
5.根据权利要求1所述的整体式复合超声刀柄装置，其特征在于：所述副边线圈组件包括副边罐型磁芯、副边磁芯安装座、副边线圈和环氧树脂组成；利用环氧树脂将副边线圈固化封装在副边罐形磁芯中，副边罐形磁芯装入副边磁芯安装座，副边磁芯安装座与所述刀柄主体相连，三者之间利用环氧树脂粘接固定；所述原边线圈组件包括原边罐型磁芯、原边磁芯安装座、原边线圈和环氧树脂组成；利用环氧树脂将原边线圈固化封装在原边罐形磁芯中，原边罐形磁芯装入原边磁芯安装座；原边线圈并与副边线圈平行相对。
6.根据权利要求5所述的整体式复合超声刀柄装置，其特征在于：所述原边磁芯安装座通过高速防水轴承安装于刀柄主体上，所述高速防水轴承内圈通过轴承压圈定位压紧。
7.根据权利要求6所述的整体式复合超声刀柄装置，其特征在于：所述轴承压盖通过螺钉安装在原边磁芯安装座的下端，并压紧所述高速防水轴承外圈。
8.根据权利要求5-7任一所述的整体式复合超声刀柄装置，其特征在于：原边罐形磁芯端面与副边罐形磁芯端面间距为0.2mm-1.5mm。
9.根据权利要求1所述的整体式复合超声刀柄装置，其特征在于：所述高频纵扭复合超声振子其频率为20-90kHz。
10.根据权利要求1所述的整体式复合超声刀柄装置，其特征在于：所述高频纵扭复合超声振子的变幅杆外圆开有等间距的斜槽；其中，斜槽长度为3-7mm,宽度1-3mm，两槽间距2-4mm,与轴线的夹角为0-900。
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