CN108372558A - 一种高速的旋转超声刀柄结构及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速的旋转超声刀柄结构及其系统，该刀柄结构包括刀柄组件、相互耦合的定磁芯组件和动磁芯组件，刀柄组件安装在机床主轴上，刀柄组件内设置有用于产生超声频振动的压电陶瓷，动磁芯组件连接在刀柄组件上，且与压电陶瓷之间实现超声频振动信号传递，所述定磁芯组件通过磁芯固件组件连接在机床主轴上，所述磁芯固件组件上还设置有用于调节定磁芯组件轴向或者径向位置的磁芯调节组件。本发明的刀柄结构及机床在高速旋转条件下无线传能，并能实时的传递刀具加工时的各种信号，实现在普通加工机床上完成超声加工的任务。

Description

一种高速的旋转超声刀柄结构及其系统
技术领域
本发明涉及一种机床加工设备，特别是涉及一种可传递信号、无线传能、磁芯位置可调的高速的旋转超声刀柄结构及其系统。
背景技术
旋转超声加工是集传统超声加工与磨粒磨削加工为一体的复合加工方法，已被证实是加工陶瓷、宝石、大理石等硬脆性材料以及碳纤维复合材料的一种有效方法，可有效降低切削力，提高刀具寿命，改善加工表面质量，因此被广泛应用于航空航天、光学和医疗等领域。
旋转超声加工通过换能器将超声发生器产生的高频电信号转换为机械振动，并通过变幅杆将振幅放大后传递给刀具。传统的旋转超声加工装置通过电刷和集电环的摩擦接触方式传输高频电信号给换能器，这种方式在主轴高速转动时容易产生信号丢失，导致刀具振动不稳定，甚至产生电火花而损坏设备。通过磁感应线圈进行无线传能是超声刀柄的发展方向，但以往的超声刀柄磁芯位置固定，通常是固定在机床主轴上，两磁芯之间的间隙和轴心偏摆不可调节，难以保证传递效率，不能满足超声刀柄通用性的要求，而且以往刀具在加工时的实际状态很少考虑，使得刀具的寿命不能得到进一步的提高。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种高速的旋转超声刀柄结构及其系统，在高速旋转条件下无线传能，并能实时的传递刀具加工时的各种信号，实现在普通加工机床上完成超声加工的任务。
为了实现上述目的，本发明所设计的高速的旋转超声刀柄结构，其特殊之处在于：包括刀柄组件、相互耦合的定磁芯组件和动磁芯组件，刀柄组件安装在机床主轴上，刀柄组件内设置有用于产生超声振动的压电陶瓷，动磁芯组件连接在刀柄组件上，且与压电陶瓷之间实现超声振动信号传递，所述定磁芯组件通过磁芯固件组件连接在机床主轴上，所述磁芯固件组件上还设置有用于调节定磁芯组件轴向或者径向位置的磁芯调节组件。
进一步地，所述磁芯调节组件包括与磁芯固定组件连接的固定座，所述固定座轴向设置有用于调节定磁芯组件高度的高度调节螺钉和用于锁紧定磁芯组件的锁紧螺钉，所述固定座径向设置有用于调节定磁芯组件轴向位置的轴心调节螺钉。
更进一步地，所述磁芯固定组件有两个半圆形抱座合围而成，所述抱座之间由螺钉固定，所述固定座连接在其中一半圆形抱座上。
再进一步地，所述定磁芯组件包括定磁芯固定套、定磁芯和缠绕在定磁芯中的第一感应线圈，所述定磁芯设置在定磁芯固定套上，所述定磁芯固定套通过锁紧螺钉连接在固定座上。
进一步地，所述刀柄组件包括刀具和BT刀柄外壳，所述刀具安装在变幅杆上，所述变幅杆连接在BT刀柄外壳一端，所述BT刀柄外壳另一端与机床主轴连接，所述BT刀柄外壳一端内表面为锥面安装部，其内设置有连接在变幅杆上的超声换能器，所述超声换能器包括依次设置的后盖板、电极片和压电陶瓷，所述压电陶瓷与变幅杆接触，且超声换能器整体通过预紧螺钉与变幅杆连接。
更进一步地，所述动磁芯组件包括动磁芯固定套、动磁芯和缠绕在动磁芯中的第二感应线圈，所述动磁芯设置在动磁芯固定套内，所述动磁芯固定套连接在BT刀柄外壳上，且第二感应磁芯线圈通过导线与超声换能器的电极片连接。
进一步地，所述定磁芯组件和动磁芯组件的线圈匝数为1:1.
进一步地，所述半圆形抱座与固定座通过连接块连接，所述连接块上下两端设置有用于连接的装配凸位，所述半圆形抱座和固定座对应装配凸位设置有用于安装的定位槽。
进一步地，所述定磁芯组件和动磁芯组件上下对称设置。
本发明还设计了一种高速的旋转超声刀柄系统，其特殊之处在于：包括机床本体，所述机床本体的主轴上设置有如上所述的高速的旋转超声刀柄结构。
本发明的优点在于：采用可调节磁芯间隙和轴心偏移的无线传能装置，可直接应用于不同机床进行旋转超声加工，无须对主轴改装，即可满足磁芯线圈磁耦合所需的间隙和同轴度要求，达到较高的电能传输效率；刀柄的外壳与主轴配合实现高速旋转，提高了加工的效率；实时的反馈刀具加工时的各种信息，避免了刀具无谓的损耗；结构设计简单可靠，工作稳定性好，装拆方便，易于维护。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为本发明的剖面结构示意图。
图3为本发明的磁芯调节组件和定磁芯组件正视结构示意图。
图4为本发明的磁芯调节组件和定磁芯组件立体结构示意图。
图中：超声刀柄组件10，BT刀柄外壳101，刀具11，弹簧夹头12，弹簧螺母13，变幅杆14，紧固螺钉15，压电陶瓷16，电极片17，后盖板18，预紧螺钉19，动磁芯组件20，连接螺栓21，动磁芯固定套22，动磁芯23，第二感应线圈24，定磁芯组件30，第一感应线圈31，定磁芯32，定磁芯固定套33，磁芯调节组件40，调节螺栓(41-44)，高度调节螺钉42，大垫片43，锁紧螺钉44，固定座45，磁芯固定组件50，锁紧螺栓51，连接块52，螺钉53，螺栓54，半圆形抱座55、56。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
本发明提供的高速的旋转超声刀柄结构，包括由半圆形抱座55、56和连接块52组成的磁芯固定组件50；由调节螺栓(41-44)和固定座45组成的磁芯调节组件40；定磁芯组件30；动磁芯组件20；由超声换能器(16-19)、变幅杆14和BT刀柄外壳101组成的超声刀柄组件10。
磁芯固定组件50的两个半圆形抱座55、56夹紧主轴外壳，通过螺栓54锁紧固定，在抱座55一侧伸出端开螺纹孔，与连接块52用螺钉53固定，连接块52上下两侧面设有装配凸位。
如图3所示，磁芯调节组件40包括固定座45、轴心调节螺钉41、高度调节螺钉42和锁紧螺钉44。四颗轴心调节螺钉41均布在固定座45外圆周上，通过控制不同的旋入量调节定磁芯组件30的轴心，四颗高度调节螺钉42通过螺纹与定磁芯组件30连接，均布在固定座45上表面，通过旋进使定磁芯组件30抬升，进而调节定磁芯组件30与动磁芯组件20之间的间隙，四颗锁紧螺钉44和与固定座45连接，通过大垫片43将定磁芯组件30压紧。本实施例中定磁芯组件和动磁芯组件之间的轴心间隙调节范围为0-4mm，高度间隔调节范围为0-5mm。固定座40通过锁紧螺栓51与连接块52连接。
如图2所示，定磁芯组件30包括定磁芯固定套33、定磁芯32和缠绕在定磁芯中的第一感应线圈31，动磁芯组件20包括动磁芯固定套22、动磁芯23和缠绕在动磁芯中的第二感应线圈24，定磁芯组件30和动磁芯组件20通过电磁场相互耦合，线圈匝数比为一定值，优选为1:1，线圈采用漆包铜线绕制，优选为双股直径0.51mm铜线绕制40圈。超声电源发出的超声频振动信号通过定磁芯组件和动磁芯组件的磁感应耦合传递给超声刀柄，以实现无线传能。本发明中磁芯采用锌锰铁氧体制成，形成罐型磁芯。
如图2所示，超声刀柄组件10包括BT刀柄外壳101、后盖板18、压电陶瓷16、电极片17、变幅杆14、预紧螺钉19、弹簧夹头12、弹簧螺母13和刀具11。BT刀柄外壳101上半部安装拉钉与机床主轴配合并随主轴一起高速旋转，BT刀柄外壳101下端内表面为锥面安装部，通过紧固螺钉15与变幅杆14固定并能保证较高的同轴度，后盖板18、压电陶瓷16和电极片17通过预紧螺钉19紧固在变幅杆14上，电极片17上的导线通过BT刀柄外壳上的径向小孔与第二感应线圈24相连。超声电信号通过定磁芯组件30和动磁芯组件20的磁感应耦合传递给超声刀柄。动磁芯固定套22通过连接螺栓21与BT刀柄外壳101连接。
工作时，安装超声刀柄10到加工机床上，并通过磁芯调节组件40将上下磁芯组件调整至最佳工作位置，启动机床接通超声电源后，超声刀柄10随机床主轴一起高速转动，超声电源发出的超声频振动信号通过定磁芯组件和动磁芯组件的磁感应耦合传递给超声刀柄11，以实现无线传能。刀具11即可对工件进行超声钻孔或铣磨加工。
本发明还提供了一种高速的旋转超声刀柄系统，包括机床本体，所述机床本体的主轴上设置有如上所述的高速的旋转超声刀柄结构。
本发明采用可调节磁芯间隙和轴心偏移的无线传能装置，可直接应用于不同机床进行旋转超声加工，无须对主轴改装，即可满足磁芯线圈磁耦合所需的间隙和同轴度要求，达到较高的电能传输效率；刀柄的外壳与主轴配合实现高速旋转，提高了加工的效率；实时的反馈刀具加工时的各种信息，避免了刀具无谓的损耗；结构设计简单可靠，工作稳定性好，装拆方便，易于维护。

Claims (10)

1.一种高速的旋转超声刀柄结构，其特征在于：包括刀柄组件(10)、相互耦合的定磁芯组件(30)和动磁芯组件(20)，所述刀柄组件(10)安装在机床主轴上，所述刀柄组件(10)内设置有用于产生超声频振动的压电陶瓷(16)，动磁芯组件(20)连接在刀柄组件(10)上，且与压电陶瓷(16)之间实现超声振动信号传递，所述定磁芯组件(30)通过磁芯固件组件(50)连接在电机主轴上，所述磁芯固件组件(50)上还设置有用于调节定磁芯组件(30)轴向或者径向位置的磁芯调节组件(40)。
2.根据权利要求1所述的高速的旋转超声刀柄结构，其特征在于：所述磁芯调节组件(40)包括与磁芯固定组件(50)连接的固定座(45)，所述固定座(45)轴向设置有用于调节定磁芯组件高度的高度调节螺钉(42)和用于锁紧定磁芯组件的锁紧螺钉(44)，所述固定座(45)径向设置有用于调节定磁芯组件轴向位置的轴心调节螺钉(41)。
3.根据权利要求2所述的高速的旋转超声刀柄结构，其特征在于：所述磁芯固定组件(50)有两个半圆形抱座(55、56)合围而成，所述半圆形抱座(55、56)之间由螺钉(53)固定，所述固定座(50)连接在其中一半圆形抱座(55、56)上。
4.根据权利要求3所述的高速的旋转超声刀柄结构，其特征在于：所述定磁芯组件(30)包括定磁芯固定套(33)、定磁芯(32)和缠绕在定磁芯中的第一感应线圈(31)，所述定磁芯(32)设置在定磁芯固定套(33)上，所述定磁芯固定套(33)通过锁紧螺钉连接在固定座上。
5.根据权利要求1所述的高速的旋转超声刀柄结构，其特征在于：所述刀柄组件(10)包括刀具(11)和BT刀柄外壳(101)，所述刀具(11)安装在变幅杆(14)上，所述变幅杆(14)连接在BT刀柄外壳(101)一端，所述BT刀柄外壳(101)另一端与机床主轴连接，所述BT刀柄外壳(101)一端内表面为锥面安装部，其内设置有连接在变幅杆(14)上的超声换能器。
6.根据权利要求5所述的高速的旋转超声刀柄结构，其特征在于：所述动磁芯组件(20)包括动磁芯固定套(22)、动磁芯(23)和缠绕在磁芯中的第二感应线圈(24)，所述动磁芯(23)设置在动磁芯固定套(22)内，所述动磁芯固定套(22)连接在BT刀柄外壳(101)上，且第二感应磁芯线圈(24)通过导线与超声换能器连接。
7.根据权利要求1所述的高速的旋转超声刀柄结构，其特征在于：所述定磁芯组件(30)和动磁芯组件(20)的线圈匝数为1:1。
8.根据权利要求1所述的高速的旋转超声刀柄结构，其特征在于：所述半圆形抱座(55、56)与固定座(45)通过连接块(52)连接，所述连接块(52)上下两端设置有用于连接的装配凸位，所述半圆形抱座(55、56)和固定座(52)对应装配凸位设置有用于安装的定位槽。
9.根据权利要求1所述的高速的旋转超声刀柄结构，其特征在于：所述定磁芯组件(30)和动磁芯组件(20)上下对称设置。
10.一种高速的旋转超声刀柄系统，其特征在于：包括机床本体，所述机床本体的主轴上设置有如权利要求1所述的高速的旋转超声刀柄结构。
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