CN107096929A - 超声波电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波电主轴，其技术方案要点是，包括轴体和超声波换能器总成，轴体端部开设有用于装配超声波换能器总成的置物腔，超声波换能器总成外套设有轴套，超声波换能器总成与轴套之间留有间隙，轴套与置物腔之间设置有电机，超声波换能器总成由换能器和变幅杆组成，换能器尾端设置有超声源接口，变幅杆包括与换能器连接的圆台部，圆台部直径较小端一体连接有圆柱部，圆柱部直径与圆台部较小端直径相同，圆柱部轴端固定有刀具，圆台部通过向外延伸的连接法兰与轴套固定。本发明旨在提供一种超声波电主轴，适用于传统五轴联动加工中心，能够在超低转速下实现蜂窝材料的大余量切割工序及曲面外形的无粉尘高精度高效率加工。

Description

超声波电主轴

技术领域

本发明涉及超声波切割领域,更具体地说，它涉及一种超声波电主轴。

背景技术

随着航空工业的发展以及对飞机性能提高的需要，在军、民机特别是第三代以及新一代战斗机结构设计中，越来越多的采用复合材料。尤其是在尾翼、腹鳍、鸭翼以及内、外侧升降副翼等与操纵性能有关的关键性动力部件中很多采用了优质先进的纸基Nomex蜂窝芯材料，该材料具有重量轻、密度小、比强度比刚度高，自熄性能、绝缘性能、化学性能好等特点。由于Nomex蜂窝芯材料的优良特性，国内外一些公司在一些重要部件中也运用了蜂窝芯结构。

但是由于Nomex蜂窝芯材料结构特殊性，使其在传统的数控加工中带来了很大的难题。传统高速铣钻工艺是利用机床主轴产生高速转动，再通过铣头（或钻头）沿工件边缘将材料打碎，从而使工件得以成形或分离。这种铣钻方式在实际加工过程中存在以下问题：蜂窝结构件为纸质柔性材料，多孔薄壁结构，这就决定了其加工方法必须采用高转速切削才能加工，主轴转速必须超过20000转每分钟，否则就无法进行切削，故对机床要求很高；由于Nomex蜂窝芯材料结构特殊性，使其切削性能差，在加工过程中易出现撕裂、压塌、芯格变形、毛刺、外形缺损等缺陷，在加工过程中刀具易磨损，故产品质量不高，刀具成本较大；Nomex蜂窝芯在加工过程中产生的粉尘会对人体产生极大的危害，并且数控加工机床为高精度的设备，粉尘会对其零部件产生影响；传统铣钻工艺下，针对曲面外形的无粉尘高精度加工仍为本领域技术难题。

直到上世纪90年代，人们开始将超声波加工应用于航空材料加工领域。相对于传统的切削方式，超声切割如同用剪刀剪纸或用裁刀切割皮革一样，不会产生工件的碎屑。而与常规“剪、裁”相比，超声切割头可以在剪刀或裁刀上施加20-30KHz的振动能量，帮助打开材料内部的分子结构，在切割过程中刀具可以更容易地将材料分割开，其切割速度要比传统的铣削加工大得多，且由于不存在将材料打碎的问题，超声切割完全不会产生粉尘，可以免去安装防尘、除尘设备的费用。但是，这一技术在国内仍处于较少的初期应用阶段，唯数不多的飞机制造公司（例如成飞、哈飞）巨资引进奥地利GFM整机进行实际生产应用，但至今未能研发出适用于传统数控机床床身和床身运动控制系统的主轴系统，浪费大量财力物力。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种超声波电主轴，适用于传统数控机床，能够在超低转速下实现蜂窝材料的大余量切割工序及曲面外形的无粉尘高精度高效率加工。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种超声波电主轴，包括轴体和超声波换能器总成，所述轴体端部开设有用于装配所述超声波换能器总成的置物腔，所述超声波换能器总成外套设有轴套，所述超声波换能器总成与所述轴套之间留有间隙，所述轴套与所述置物腔之间设置有轴承和控制所述轴套发生转动的电机，所述超声波换能器总成由换能器和变幅杆组成，所述换能器尾端设置有用于与外部超声波发生器电连接的超声源接口，所述变幅杆包括与换能器连接的圆台部，所述圆台部直径较小端一体连接有圆柱部，所述圆柱部直径与所述圆台部较小端直径相同，所述圆柱部轴端固定有刀具，且所述圆台部外表面沿径向向外延伸形成连接法兰，所述连接法兰与所述轴套通过螺栓可拆卸固定连接。

优选的，所述轴套沿轴向延伸形成内部中空的筒体，所述筒体末端封闭设置有盖板，所述盖板上设有供导线穿过的通孔。

优选的，所述轴套末端设置有罩盖，所述轴套与罩盖之间设置有水银导电滑环，所述罩盖上开设有超声出线口，所述水银导电滑环一端通过导线与超声源接口电连接，另一端通过导线与超声出线口相连。

优选的，所述刀具为尖刀，所述电机为伺服电机。

优选的，所述刀具为圆刀。

优选的，所述刀具与所述变幅杆螺纹连接。

优选的，所述轴体尾端设置有端盖，所述轴体上开设有卡槽，所述端盖上设置有与所述卡槽相互配合的卡扣，且所述端盖与所述轴体还通过第二螺栓螺纹连接。

优选的，所述换能器和所述变幅杆螺纹连接。

该技术方案与现有技术相比具有：通过超声波换能器总成实现刀具的高频机械振动，并通过伺服电机带动旋转，在超低转速下就可以实现蜂窝材料的大余量切割工序及曲面外形的无粉尘高精度高效率加工，并通过对超声波换能器总成合理的位置设置和变幅杆结构的改进，避免高频振动时与接触面发生抵触引起发热，完全自主研发的超声波主轴系统，适用于传统数控机床床身和运动控制系统，相比整机购买有显著成本优势。

附图说明

图1为本发明超声波电主轴实施例的结构示意图。

图2为超声波换能器总成的结构示意图。

图3为图1中A处的局部放大图。

图4为图1中B处的局部放大图。

图中：1、轴体；11、置物腔；12、卡槽；2、超声波换能器总成；21、换能器；22、变副杆；23、超声源接口；221、圆台部；222、圆柱部；223、连接法兰；3、轴套；31、筒体；32、盖板；321、通孔；4、轴承；5、电机；6、刀具；7、导线；8、罩盖；81、超声出线口；9、水银导电滑环；10、螺栓；13、端盖；131、卡扣；14、第二螺栓；a、震动节点；b、间隙；c、超声波。

具体实施方式

参照图1至图4对本发明超声波电主轴实施例做进一步说明。

实施例1

如图1所示为超声波电主轴的结构示意图，包括轴体1和超声波换能器总成2，轴体1端部开设有置物腔11，用于容纳超声波换能器总成2，超声波换能器总成2外套设有轴套3并与轴套3可拆卸固定连接，轴套3与置物腔11之间设置有轴承4和控制轴套3发生转动的电机5，电机5带动轴套3发生旋转，从而带动与其可拆卸固定连接的超声波换能器总成2发生旋转，超声波换能器总成2的变副杆22端部固定有刀具6，进一步带动刀具6发生旋转；如图2所示为超声波换能器总成2的结构示意图，主要结构由换能器21和变幅杆22组成，换能器21尾端设置有超声源接口23，用于与外部超声波发生器电连接，在实际加工过程中，外部超声波发生器把市电转换成与换能器21相匹配的高频交流电信号，驱动换能器21工作，换能器21将电能转换成超声波（机械振动），并通过变幅杆将机械振动的质点位移放大并将超声能量集中在较小的面积上，该技术方案中的变幅杆包括与换能器21连接的圆台部221，圆台部221直径较小端一体连接有圆柱部222（参见图2），圆台部221从换能器21一侧开始沿圆台高度方向直径逐渐减小，超声波实现聚能，集中于圆柱部222上，进一步传递至刀具6，使刀具6上的振动频率达到最高，刀具6在这样高频率的机械振动下，主轴转速只需1600转每分钟，在转动的同时利用高频机械振动将材料内部的分子结构打开，从而实现蜂窝毛坯开粗工序及曲面外形的无粉尘高精度高效率加工；该技术方案中，超声波换能器总成2与轴套3之间留有间隙b（参见图3），可以防止超声波换能器总成与轴套3内壁发生接触导致零部件发热受损，变幅杆圆台部221外表面沿径向向外延伸形成连接法兰223， 通过螺栓10与轴套3可拆卸固定连接，螺栓10连接处为超声波换能器总成2与轴套3唯一的接触面，换能器21生成超声波c(参见图2)，通过对外部超声波发生器功率和运行时间进行参数设置，螺栓10连接处所在截面上的所有震动节点a（参见图2）始终可以处于超声波c（参见图2）原点位置，在超声波向刀具6方向移动过程中，原点位置也不会发生变化，进而使螺栓10连接处振幅始终趋于“0”的状态，避免连接处振动发热变红；该超声波主轴系统完全自主研发，适用于传统五轴联动加工中心,在保留传统数控机床床身和床身运动控制系统的前提上，只需要更换主轴系统就可以进行超声波切削，相比整机购买有显著成本优势，节约大量财力物力。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，将轴套3沿轴向延伸形成内部中空的筒体31，且筒体31末端封闭设置有盖板32（参见图1和图4），这样设计一方面可以进一步实现聚能，防止超声能量流散，加大刀具6振动频率；另一方面能够便于走线，超声源接口23处的连接导线7可以设置于筒体31内，穿过盖板32上的通孔321（参见图4）实现走线，空间布置上更加合理。

实施例3

本实施例是在实施例1的基础上，于轴套3末端增设罩盖8，罩盖8上开设有超声出线口81，且轴套3与罩盖8之间增加了一个水银导电滑环9（参见图4），超声源接口23处的导线7经过水银导电滑环9再从超声出线口81出去，水银导电滑环9可以在伺服电机5工作的过程中防止导线7发生绕卷，同时起到传输电流的作用，在实际生产过程中，非中空电机，亦可采用碳刷来导电，但是信号损失很大，信号断断续续，后采用含银碳刷，较普通碳刷稍微好一点，但是依旧存在信号断续现象，本技术方案采用了中空伺服电机，导线直接穿过中空伺服电机联接在水银导电滑环9上，安装更加方便、费用低、使用寿命长且信号衰减小。且上述技术方案中，导线优选用AF200镀银氟塑料耐高温补偿导线，相对于普通纯铜线，镀银线作用于高频电路存在明显优势，由于频率高了电流会有趋肤效应，此时镀银线表面镀银电阻小的优势得以发挥，采用纯铜线虽然电阻相差极小，在一般电路中也几乎无差异，但是对于高频电路存在明显缺陷，在皱肤效应下，电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导线内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加，进而影响本装置的效果。

实施例4

本实施例是在实施例1的基础上，将刀具6设置为尖刀（参见图1），电机5进一步设置为伺服电机5；伺服电机5相对普通电机和步进电机而言，控制精度更高，在超低转速下配合尖刀可以进行线切割，在向前进给时利用超声波的高频机械振动将材料内部的分子结构打开，进而实现曲面外形的无粉尘高精度高效率加工，且伺服电机5速度响应性能非常快，从静止加速到工作转速只需几毫秒，在对Nomex蜂窝芯曲面切割过程中可实现快速启停，保证切割质量。

实施例5

作为另一种实施方式，本实施例与实施例4的区别在于，刀具6也可以是圆刀（参见图2），在实际加工过程中，可以在低转速下配合圆刀实现对Nomex蜂窝芯材料的任一截面进行切割（小圆刀能够在五轴联动的配合下加工小沉孔和小曲面）；更换时，由于连接法兰223与轴套3可拆卸固定连接，只需要拆下螺栓10，将刀具6与对应的超声波换能器总成2整个拆卸，重新换上检查联结可靠后即可。

实施例6

本实施例是在实施例1的基础上，将刀具6与变幅杆通过螺纹连接，相对于卡接或其他连接方式，螺纹连接更加牢固，在振动过程中，稳定性更佳。

实施例7

本实施例是在实施例1的基础上，于轴体1尾端设置增设有端盖13（参见图1），轴体1上开设有卡槽12，端盖13上设置有卡扣131，通过相互配合的卡扣131和卡槽12旋转后进行扣合，且端盖13与轴体1还通过第二螺栓14螺纹连接；端盖13可以起到保护的作用，在本实施例中，端盖13与轴体1一方面通过卡扣131扣合连接，同时再进一步通过第二螺栓14螺纹连接，稳定性更佳，两者贴合更加紧密，可以更好地实现聚能，防止超声能量流散；且更便于维修。

实施例8

本实施例是在实施例1的基础上，将换能器21和变幅杆22设置为螺纹连接（参见图2），相对于卡接或其他连接方式，螺纹连接牢固性更高，不容易晃动，进而将机械振动更稳定地传递至变幅杆22上，更好地控制切割精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超声波电主轴，其特征是：包括轴体和超声波换能器总成，所述轴体端部开设有用于装配所述超声波换能器总成的置物腔，所述超声波换能器总成外套设有轴套，所述超声波换能器总成与所述轴套之间留有间隙，所述轴套与所述置物腔之间设置有轴承和控制所述轴套发生转动的电机，所述超声波换能器总成由换能器和变幅杆组成，所述换能器尾端设置有用于与外部超声波发生器电连接的超声源接口，所述变幅杆包括与换能器连接的圆台部，所述圆台部直径较小端一体连接有圆柱部，所述圆柱部直径与所述圆台部较小端直径相同，所述圆柱部轴端固定有刀具，且所述圆台部外表面沿径向向外延伸形成连接法兰，所述连接法兰与所述轴套通过螺栓可拆卸固定连接。

2.根据权利要求1所述的超声波电主轴,其特征是：所述轴套沿轴向延伸形成内部中空的筒体，所述筒体末端封闭设置有盖板，所述盖板上设有供导线穿过的通孔。

3.根据权利要求1或2所述的超声波电主轴,其特征是：所述轴套末端设置有罩盖，所述轴套与罩盖之间设置有水银导电滑环，所述罩盖上开设有超声出线口，所述水银导电滑环一端通过导线与超声源接口电连接，另一端通过导线与超声出线口相连。

4.根据权利要求1或2所述的超声波电主轴,其特征是：所述刀具为尖刀，所述电机为伺服电机。

5.根据权利要求1或2所述的超声波电主轴,其特征是：所述刀具为圆刀。

6.根据权利要求1或2所述的超声波电主轴,其特征是：所述刀具与所述变幅杆螺纹连接。

7.根据权利要求1或2所述的超声波电主轴,其特征是：所述轴体尾端设置有端盖，所述轴体上开设有卡槽，所述端盖上设置有与所述卡槽相互配合的卡扣，且所述端盖与所述轴体还通过第二螺栓螺纹连接。

8.根据权利要求1或2所述的超声波电主轴,其特征是：所述换能器和所述变幅杆螺纹连接。