CN107983974A - 一种使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴，包括壳体、特制变幅杆和拉杆；特制变幅杆包括依次连接的换能器杆、法兰盘和振幅放大杆，振幅放大杆的远离法兰盘的一端设有常规刀柄安装锥孔，特制变幅杆具有与常规刀柄安装锥孔连通的中心拉刀机构孔。本发明将超声振动单元与电主轴集成，通过对变幅杆结构进行特殊设计，使其与标准拉刀机构和常规刀柄匹配，使用常规刀柄即可实现刀具的高频超声振动，同时，由于采用常规刀柄，可以在不改变现有刀库结构的情况下，实现自动换刀，节省了购置大量超声振动刀柄的费用，显著提高了加工效率；本发明还具有换能器温度实时检测功能，通过特殊的气路设计对换能器进行风冷，保证超声振动单元稳定工作。

Description

一种使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴
技术领域
本发明涉及超声波电主轴技术领域，特别是涉及一种使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴。
背景技术
光学玻璃、工程陶瓷、功能晶体等硬脆材料具有高强度、耐高温、耐磨损等优良的物理和机械性能，目前已被广泛应用在航空航天、汽车、军工等领域，但是由于这些材料具有较高的硬度和强度，传统的加工方法难以保证加工质量和效率。超声辅助加工技术通过在传统加工过程中引入高频超声振动，改变了刀具与工件材料的接触状态，带来了切削力小、切屑热少、加工表面质量高、刀具耐用度提高等诸多优点。
目前实现工业应用的超声电主轴多是采用普通电主轴与超声振动刀柄相结合的方式，在刀柄内部集成超声电能传输单元、换能器以及变幅杆。采用这种方式的超声振动刀柄笨重、动平衡差，在需要自动换刀时需要对机床刀库进行特殊的结构改造，且需要购置一系列的专用超声振动刀柄置于机床刀库中，整体成本高。另外，超声振动系统工作过程中换能器会产生大量的热量，这些热量如不能及时扩散，会导致换能器温度过高，严重影响超声振动系统的工作性能。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种使用常规刀柄即可实现刀具高频超声振动且具有自动换刀功能，同时能够对换能器进行温度监测以及风冷的超声波电主轴。本发明采用的技术手段如下：
一种使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴，包括壳体、特制变幅杆和拉杆；
所述特制变幅杆包括依次连接的换能器杆、法兰盘和振幅放大杆，所述振幅放大杆的远离所述法兰盘的一端设有常规刀柄安装锥孔，所述特制变幅杆具有与所述常规刀柄安装锥孔连通的中心拉刀机构孔；
所述壳体的轴线位置设有转子轴，所述转子轴的外壁套接有转子，所述壳体的内壁上设有与所述转子相对应的定子，所述转子轴后端通过后轴承组与所述壳体的内壁连接，所述转子轴前端通过前轴承组与所述壳体的内壁连接，所述转子轴前端具有穿过所述前轴承组的阶梯轴，所述转子轴具有中心通孔Ⅰ，所述阶梯轴具有中心阶梯孔，所述中心通孔Ⅰ与所述中心阶梯孔的小端连通，所述中心阶梯孔的大端开口处具有环形凹槽，所述转子轴后端穿过所述后轴承组与一超声电能接收单元连接，所述壳体的后端设有与所述超声电能接收单元相对且间隙设置的超声电能发射单元，所述特制变幅杆位于所述中心阶梯孔内，所述法兰盘径向延伸至所述环形凹槽的槽底并通过压紧环与所述环形凹槽的内侧壁压紧，所述压紧环的外沿与所述环形凹槽的槽底螺纹连接，所述振幅放大杆从所述压紧环伸出，所述换能器杆上套接有环形压电陶瓷片-环形铜片组，所述环形压电陶瓷片-环形铜片组与所述中心阶梯孔的内壁之间具有间隙；
所述超声电能发射单元与所述超声电能接收单元保持同轴，二者轴向相距1～2mm。
所述壳体的后端外壁设有打刀机构外壳，所述打刀机构外壳内设有打刀机构；
所述拉杆的一端与位于所述打刀机构外壳后端的旋转接头连接，所述拉杆的另一端依次穿过所述打刀机构、所述超声电能发射单元、所述超声电能接收单元和所述中心通孔Ⅰ与位于所述中心拉刀机构孔内的拉刀机构(标准拉刀机构)连接，所述拉刀机构与位于所述常规刀柄安装锥孔内的常规刀柄连接；
所述打刀机构外壳后端还设有超声电源航空插座，所述超声电源航空插座通过超声电源导线Ⅰ与所述超声电能发射单元电连接，所述转子轴上设有沿所述转子轴的轴向延伸的两个导线通孔，所述导线通孔的后端与所述超声电能接收单元连通，所述导线通孔的前端与所述中心阶梯孔的小端连通，所述超声电能接收单元上设有两根超声电源导线Ⅱ，两根所述超声电源导线Ⅱ分别穿过两个所述导线通孔与所述环形压电陶瓷片-环形铜片组电连接；
所述阶梯轴的外部设有前端盖，所述前端盖与所述壳体的前端连接，所述前端盖的内壁设有温度传感器，所述前端盖的外壁设有与所述温度传感器电连接的信号输出插座。
所述拉杆具有中心通孔Ⅱ，所述中心通孔Ⅱ的后端与所述旋转接头连通，所述拉杆的位于所述中心阶梯孔内的杆段上设有拉杆出气孔，所述法兰盘的周向设有多个均匀分布的法兰盘排气孔，所述压紧环的靠近所述法兰盘的一侧设有与所述法兰盘排气孔分布相对应的环形槽，所述环形槽的槽底设有多个压紧环排气孔，所述压紧环排气孔依次通过所述环形槽、所述法兰盘排气孔、所述中心阶梯孔、所述拉杆出气孔和所述中心通孔Ⅱ连通，所述拉杆的靠近所述超声电能接收单元的前端的杆段与所述中心通孔Ⅰ之间设有两组密封环，所述拉杆的位于所述换能器杆内的杆段与所述换能器杆之间设有两组密封环。
所述振幅放大杆的远离所述法兰盘的一端呈锥台状(通过径向面积的缩小实现轴向超声振幅的放大)，所述法兰盘和所述振幅放大杆的小端端面均位于振动单元的节点位置，所述法兰盘和所述振幅放大杆的小端面之间的轴向长度为超声半波长(声波在变幅杆材料中的波长)的整数倍；所述常规刀柄的锥柄为标准尺寸，所述常规刀柄的刀柄法兰与刀具末端之间的轴向长度为四分之一超声波长(声波在常规刀柄材料中的波长)的奇数倍，保证刀具末端处于最大振幅处。
所述拉杆包括依次连接的大径杆和小径杆，所述大径杆与所述旋转接头连接，所述小径杆上套接有碟形弹簧组，所述中心通孔Ⅰ的内壁具有将所述碟形弹簧组压在所述大径杆端部的环形止挡部。
松刀时，所述打刀机构推动所述拉杆向所述振幅放大杆轴向移动，将所述碟形弹簧组压缩，同时所述拉刀机构的拉爪径向收缩，实现所述常规刀柄的松开动作；装刀时，所述拉杆在所述碟形弹簧组的作用下反向移动，将所述打刀机构复位，同时所述拉刀机构的拉爪径向扩张将所述常规刀柄拉紧。
所述超声电能接收单元和所述超声电能发射单元均包括外壳、磁芯、线圈绕制架和线圈。
所述超声电源导线Ⅱ上套有与所述导线通孔绝缘、固定的套筒。
所述换能器杆的远离所述法兰盘的杆段上设有外螺纹，所述外螺纹上设有压紧螺帽，所述压紧螺帽通过后盖板将所述环形压电陶瓷片-环形铜片组压在所述法兰盘上。
所述压紧螺帽、所述后盖板、所述环形压电陶瓷片-环形铜片组和所述换能器杆构成换能器，所述换能器、所述特制变幅杆的其余部分(法兰盘和振幅放大杆)、所述常规刀柄和刀具构成振动单元。
压缩空气通过所述中心通孔Ⅱ进入所述拉杆内部，并通过所述拉杆出气孔进入所述中心阶梯孔与所述换能器之间的缝隙，对换能器进行风冷，之后，依次经过所述法兰盘排气孔、所述环形槽，从所述压紧环排气孔排出。
所述法兰盘的后端外沿设有沿所述法兰盘轴向延伸的环形凸起，增大了所述法兰盘与所述环形凹槽的槽底接触面积，使得之后通过所述压紧环与所述环形凹槽的内侧壁压紧更牢固。
所述温度传感器与所述换能器相对应，测得的温度信号经导线、所述信号输出插座传输给超声电主轴的控制系统，实现对所述换能器工作温度的实时监测。
当所述超声电源航空插座和所述电主轴都通电工作时，所述超声电能接收单元、所述振动单元以及所述转子轴在所述转子和所述定子的驱动下高速回转，高频超声电能通过电磁感应原理由所述超声电能发射单元传输给所述超声电能接收单元，然后再经超声电源导线Ⅱ传输给所述环形压电陶瓷片-环形铜片组，产生轴向高频超声振动，从而同时实现刀具的高速回转以及轴向高频超声振动。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明将超声振动单元与电主轴集成，通过对变幅杆结构进行特殊设计，使其与标准拉刀机构和常规刀柄匹配，使用常规刀柄即可实现刀具的高频超声振动，同时，由于采用常规刀柄，可以在不改变现有刀库结构的情况下，实现自动换刀，节省了购置大量超声振动刀柄的费用，显著提高了加工效率；本发明还具有换能器温度实时检测功能，通过特殊的气路设计对换能器进行风冷，有效抑制换能器的温升，保证超声振动单元稳定工作。
基于上述理由本发明可在超声波电主轴技术等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的具体实施方式中一种使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴的结构示意图。
图2是图1中A部放大示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，一种使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴，包括壳体、特制变幅杆和拉杆1；
所述壳体包括主壳体2、前壳体3(所述壳体的前端)和后壳体4(所述壳体的后端)；
所述特制变幅杆包括依次连接的换能器杆5、法兰盘6和振幅放大杆7，所述振幅放大杆7的远离所述法兰盘6的一端设有常规刀柄安装锥孔8，所述特制变幅杆7具有与所述常规刀柄安装锥孔8连通的中心拉刀机构孔9；
所述壳体的轴线位置设有转子轴10，所述转子轴10的外壁套接有转子11，所述主壳体2的内壁上设有与所述转子11相对应的定子12，所述转子轴10后端通过后轴承组13与所述主壳体2的内壁连接，所述转子轴10前端通过前轴承组14与所述前壳体3的内壁连接，所述转子轴10前端具有穿过所述前轴承组14的阶梯轴15，所述转子轴10具有中心通孔Ⅰ，所述阶梯轴15具有中心阶梯孔16，所述中心通孔Ⅰ与所述中心阶梯孔16的小端连通，所述中心阶梯孔16的大端开口处具有环形凹槽，所述转子轴10后端穿过所述后轴承组13与一超声电能接收单元17连接，所述后壳体4设有与所述超声电能接收单元17相对且间隙设置的超声电能发射单元18，所述特制变幅杆7位于所述中心阶梯孔16内，所述法兰盘6径向延伸至所述环形凹槽的槽底(径向固定)并通过压紧环19与所述环形凹槽的内侧壁压紧(轴向固定)，所述压紧环19的外沿与所述环形凹槽的槽底螺纹连接，所述振幅放大杆7从所述压紧环19伸出，所述换能器杆5上套接有环形压电陶瓷片-环形铜片组20，所述环形压电陶瓷片-环形铜片组20与所述中心阶梯孔16的内壁之间具有间隙；
所述后壳体4外壁设有打刀机构外壳21，所述打刀机构外壳21内设有打刀机构22；
所述拉杆1的一端与位于所述打刀机构外壳21后端的旋转接头23连接，所述拉杆1的另一端依次穿过所述打刀机构22、所述超声电能发射单元18、所述超声电能接收单元17和所述中心通孔Ⅰ与位于所述中心拉刀机构孔9内的拉刀机构44连接，所述拉刀机构44与位于所述常规刀柄安装锥孔8内的常规刀柄24连接；
所述打刀机构外壳21后端还设有超声电源航空插座25，所述超声电源航空插座25通过超声电源导线Ⅰ26与所述超声电能发射单元18电连接，所述转子轴10上设有沿所述转子轴10的轴向延伸的两个导线通孔，所述导线通孔的后端与所述超声电能接收单元17连通，所述导线通孔的前端与所述中心阶梯孔16的小端连通，所述超声电能接收单元17上设有两根超声电源导线Ⅱ27，两根所述超声电源导线Ⅱ27分别穿过两个所述导线通孔与所述环形压电陶瓷片-环形铜片组20电连接；
所述阶梯轴15的外部设有前端盖28，所述前端盖28与所述前壳体3连接，所述前端盖28的内壁设有温度传感器29，所述前端盖28的外壁设有与所述温度传感器29电连接的信号输出插座30。
所述拉杆1具有中心通孔Ⅱ31，所述中心通孔Ⅱ31的后端与所述旋转接头23连通，所述拉杆1的位于所述中心阶梯孔16内的杆段上设有拉杆出气孔32(所述拉刀机构44拉紧所述常规刀柄时)，所述法兰盘6的周向设有多个均匀分布的法兰盘排气孔33，所述压紧环19的靠近所述法兰盘6的一侧设有与所述法兰盘排气孔33分布相对应的环形槽34，所述环形槽34的槽底设有多个压紧环排气孔35，所述压紧环排气孔35依次通过所述环形槽34、所述法兰盘排气孔33、所述中心阶梯孔16、所述拉杆出气孔32和所述中心通孔Ⅱ31连通，所述拉杆1的靠近所述超声电能接收单元17的前端的杆段与所述中心通孔Ⅰ之间设有两组密封环36，所述拉杆1的位于所述换能器杆5内的杆段与所述换能器杆5之间设有两组密封环36。
所述振幅放大杆7的远离所述法兰盘6的一端呈锥台状，所述法兰盘6和所述振幅放大杆7的小端端面均位于振动单元的节点位置，所述法兰盘6和所述振幅放大杆7的小端面之间的轴向长度为超声半波长(声波在变幅杆材料中的波长)的整数倍；所述常规刀柄24的锥柄为标准尺寸，所述常规刀柄24的刀柄法兰与刀具末端之间的轴向长度为四分之一超声波长(声波在常规刀柄材料中的波长)的奇数倍。
所述拉杆1包括依次连接的大径杆37和小径杆38，所述大径杆37与所述旋转接头23连接，所述小径杆38上套接有碟形弹簧组39，所述中心通孔Ⅰ的内壁具有将所述碟形弹簧组39压在所述大径杆37端部的环形止挡部40。
所述超声电能接收单元17和所述超声电能发射单元18均包括外壳、磁芯、线圈绕制架和线圈。
所述超声电源导线Ⅱ27上套有与所述导线通孔绝缘、固定的套筒。
所述换能器杆5的远离所述法兰盘6的杆段上设有外螺纹，所述外螺纹上设有压紧螺帽41，所述压紧螺帽41通过后盖板42将所述环形压电陶瓷片-环形铜片组20压在所述法兰盘6上。
所述法兰盘6的后端外沿设有沿所述法兰盘6轴向延伸的环形凸起43。
所述常规刀柄24为标准HSK刀柄。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴，其特征在于，包括壳体、特制变幅杆和拉杆；
所述特制变幅杆包括依次连接的换能器杆、法兰盘和振幅放大杆，所述振幅放大杆的远离所述法兰盘的一端设有常规刀柄安装锥孔，所述特制变幅杆具有与所述常规刀柄安装锥孔连通的中心拉刀机构孔；
所述壳体的轴线位置设有转子轴，所述转子轴的外壁套接有转子，所述壳体的内壁上设有与所述转子相对应的定子，所述转子轴后端通过后轴承组与所述壳体的内壁连接，所述转子轴前端通过前轴承组与所述壳体的内壁连接，所述转子轴前端具有穿过所述前轴承组的阶梯轴，所述转子轴具有中心通孔Ⅰ，所述阶梯轴具有中心阶梯孔，所述中心通孔Ⅰ与所述中心阶梯孔的小端连通，所述中心阶梯孔的大端开口处具有环形凹槽，所述转子轴后端穿过所述后轴承组与一超声电能接收单元连接，所述壳体的后端设有与所述超声电能接收单元相对且间隙设置的超声电能发射单元，所述特制变幅杆位于所述中心阶梯孔内，所述法兰盘径向延伸至所述环形凹槽的槽底并通过压紧环与所述环形凹槽的内侧壁压紧，所述压紧环的外沿与所述环形凹槽的槽底螺纹连接，所述振幅放大杆从所述压紧环伸出，所述换能器杆上套接有环形压电陶瓷片-环形铜片组，所述环形压电陶瓷片-环形铜片组与所述中心阶梯孔的内壁之间具有间隙；
所述壳体的后端外壁设有打刀机构外壳，所述打刀机构外壳内设有打刀机构；
所述拉杆的一端与位于所述打刀机构外壳后端的旋转接头连接，所述拉杆的另一端依次穿过所述打刀机构、所述超声电能发射单元、所述超声电能接收单元和所述中心通孔Ⅰ与位于所述中心拉刀机构孔内的拉刀机构连接，所述拉刀机构与位于所述常规刀柄安装锥孔内的常规刀柄连接；
所述打刀机构外壳后端还设有超声电源航空插座，所述超声电源航空插座通过超声电源导线Ⅰ与所述超声电能发射单元电连接，所述转子轴上设有沿所述转子轴的轴向延伸的两个导线通孔，所述导线通孔的后端与所述超声电能接收单元连通，所述导线通孔的前端与所述中心阶梯孔的小端连通，所述超声电能接收单元上设有两根超声电源导线Ⅱ，两根所述超声电源导线Ⅱ分别穿过两个所述导线通孔与所述环形压电陶瓷片-环形铜片组电连接；
所述阶梯轴的外部设有前端盖，所述前端盖与所述壳体的前端连接，所述前端盖的内壁设有温度传感器，所述前端盖的外壁设有与所述温度传感器电连接的信号输出插座。
2.根据权利要求1所述的使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴，其特征在于：所述拉杆具有中心通孔Ⅱ，所述中心通孔Ⅱ的后端与所述旋转接头连通，所述拉杆的位于所述中心阶梯孔内的杆段上设有拉杆出气孔，所述法兰盘的周向设有多个均匀分布的法兰盘排气孔，所述压紧环的靠近所述法兰盘的一侧设有与所述法兰盘排气孔分布相对应的环形槽，所述环形槽的槽底设有多个压紧环排气孔，所述压紧环排气孔依次通过所述环形槽、所述法兰盘排气孔、所述中心阶梯孔、所述拉杆出气孔和所述中心通孔Ⅱ连通，所述拉杆的靠近所述超声电能接收单元的前端的杆段与所述中心通孔Ⅰ之间设有两组密封环，所述拉杆的位于所述换能器杆内的杆段与所述换能器杆之间设有两组密封环。
3.根据权利要求1所述的使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴，其特征在于：所述振幅放大杆的远离所述法兰盘的一端呈锥台状，所述法兰盘和所述振幅放大杆的小端端面均位于振动单元的节点位置，所述法兰盘和所述振幅放大杆的小端面之间的轴向长度为超声半波长的整数倍；所述常规刀柄的锥柄为标准尺寸，所述常规刀柄的刀柄法兰与刀具末端之间的轴向长度为四分之一超声波长的奇数倍。
4.根据权利要求1所述的使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴，其特征在于：所述拉杆包括依次连接的大径杆和小径杆，所述大径杆与所述旋转接头连接，所述小径杆上套接有碟形弹簧组，所述中心通孔Ⅰ的内壁具有将所述碟形弹簧组压在所述大径杆端部的环形止挡部。
5.根据权利要求1所述的使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴，其特征在于：所述超声电能接收单元和所述超声电能发射单元均包括外壳、磁芯、线圈绕制架和线圈。
6.根据权利要求1所述的使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴，其特征在于：所述超声电源导线Ⅱ上套有与所述导线通孔绝缘、固定的套筒。
7.根据权利要求1所述的使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴，其特征在于：所述换能器杆的远离所述法兰盘的杆段上设有外螺纹，所述外螺纹上设有压紧螺帽，所述压紧螺帽通过后盖板将所述环形压电陶瓷片-环形铜片组压在所述法兰盘上。
8.根据权利要求1所述的使用常规刀柄的自动换刀超声波电主轴，其特征在于：所述法兰盘的后端外沿设有沿所述法兰盘轴向延伸的环形凸起。
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