CN108856779A - 一种超声波钻孔装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波钻孔装置，主要由套杯、感应线圈组、冷却系统、换能器、变幅杆和钻杆，所述套杯顶部通过夹紧机构与机床主轴相连，套杯的下部开口，且套杯的外壁缠绕有与换能器匹配的感应线圈组；所述冷却系统和换能器内设于套杯的开口端内；所述换能器的驱动端与变幅杆的输入端相连，变幅杆通过连接螺栓固定于套杯的开口端端面，变幅杆的输出端与钻杆的上端相连，钻杆的下端设有刀具。本发明的有益效果为：本发明所述超声钻孔装置通过夹紧机构与机床主轴相连接，机床主轴旋转和换能器纵向振动组成纵‑扭复合振动，即可对工件实施钻孔加工；内部集成冷却系统，可同时冷却换能器和工件，无需外加冷却系统；本发明的加工速度快，加工精度高，加工质量好，钻杆的磨损小。
Description
技术领域
本发明涉及超声波技术领域，具体涉及一种超声波钻孔装置。
背景技术
传统的钻孔装置由于重量体积大、能耗高、钻头压力大,存在常规机械失效形式，已远不能满足硬脆材料如陶瓷、碳纤维等复合材料的加工。超声钻孔设备具有结构简单、体积小、重量轻、能耗低、轴向力小等优点被广泛应用。
超声波加工系统中，变幅杆和工具装配在一起，通过设计调整变幅杆的形状、尺寸以达到机械谐振的目的；但这种方法计算复杂且不能自动调整输出频率，在装配过程中也会出现装配误差、工具磨损、换能器产热等影响加工的问题。超声钻孔振动系统在于机床主轴连接时，需要对机床主轴做改动,由于设计和装配误差，超声换能器、变幅杆、钻杆的轴线会出现同轴度误差。因此，在设计超声换能器变幅杆时，法兰位置设置对换能器谐振频率和节面位置的影响被忽略。钻孔加工中，换能器会产生大量的热量，如不及时散热，在超声振动系统中会集聚大量的热，严重影响超声振动系统中各部分的使用寿命和加工精度。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种超声钻孔装置，解决现有钻孔装备钻孔精度低，效率低、能耗高、发热大的问题。
本发明采用的技术方案为：一种超声波钻孔装置，主要由套杯、感应线圈组、冷却系统、换能器、变幅杆和钻杆，所述套杯顶部通过夹紧机构与机床主轴相连，套杯的下部开口，且套杯的外壁缠绕有与换能器匹配的感应线圈组；所述冷却系统和换能器内设于套杯的开口端内；所述换能器的驱动端与变幅杆的输入端相连，变幅杆通过连接螺栓固定于套杯的开口端端面，变幅杆的输出端与钻杆的上端相连，钻杆的下端设有刀具。
按上述方案，所述冷却系统包括冷却液箱、除杂结构和导液管，所述冷却液箱内灌满冷却液，冷却液箱的底部通过除杂结构与导液管的上端相连，导液管的下端依次垂直穿过换能器、变幅杆和钻杆。
按上述方案，所述换能器包括预应力螺栓、后盖板、电极片、压电陶瓷片和绝缘套筒，所述预应力螺栓的下端穿过后盖板，与变幅杆的上端面贴紧；在后盖板与变幅杆之间的预应力螺栓上设有绝缘套筒，绝缘套筒的下端与变幅杆的上端相连；沿绝缘套筒的高度方向间隔布置环形的压电陶瓷片和电极片；所述电极片通过导线与感应线圈组相连；所述导液管穿过预应力螺栓。
按上述方案，所述夹紧机构包括与套杯顶部内侧配合的弹性夹头，以及与套杯顶部外侧配合的夹紧螺母，所述弹性夹头夹紧机床主轴。
按上述方案，所述变幅杆和钻杆之间环套有自由质量块，自由质量块为成圆筒状。
按上述方案，预应力螺栓为空心螺栓；所述钻杆为空心钻杆，所述变幅杆为空心变幅杆。
按上述方案，所述套杯的开口端上分别开设有散热孔。
按上述方案，所述感应线圈组包括原边线圈和副边线圈。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述超声钻孔装置通过夹紧机构与机床主轴相连接，机床主轴旋转和换能器纵向振动组成纵-扭复合振动，即可对工件实施钻孔加工；本发明的加工速度快，加工精度高，加工质量好，钻杆和刀具的磨损小；
2、本发明所述套杯内设置冷却系统，冷却液自冷却液箱流出，经过除杂结构、单向流通阀、预应力螺栓、变幅杆和钻杆，最终流向加工接触部位；导液管促进冷却液及时流向加工部位，冷却装置集成于装置内部，加工时无需再外接冷却系统；
3、本发明在变幅杆和钻杆之间设有自由质量块，自由质量块在超声波钻孔装置的动力传递中起桥梁和纽带作用，同时可以调整振动轨迹；
4、本发明利用弹性夹头和夹紧螺母将套杯连接至钻床主轴上，不需要对机床主轴作任何改动，当机床主轴发生变化时，只需更换相应的弹性夹头和夹紧螺母的尺寸即可，通用性强；
5、本发明超声变幅杆由传统的圆锥过渡段变幅杆改变而来，且设计成空心结构以便于冷却液由变幅杆内部流出；变幅杆与套杯通过法兰螺栓连接，法兰位置设于变幅杆节面位置处，减小了换能器和套杯固定后对变幅杆振动振幅的影响；
6、本发明所述换能器供电方式由传统的碳刷接触式改变成线圈感应式，解决了传统供电方式易摩擦磨损的问题，延长了所述超声钻孔装置的使用寿命；
7、本发明所述换能器的后盖板、压电陶瓷片均设于套杯内部，安装时只需将换能器安装在套杯内部，保证了换能器、套杯、机床主轴的同轴度要求；
8、本发明所述超声钻孔装置设计合理，操作使用方便。
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为本实施例中弹性夹头的结构示意图。
图3为本实施例中变幅杆的结构示意图。
图4为图3的俯视图。
图5为本实施例中自由质量块的结构示意图。
图6为本实施例中冷却系统的结构示意图。
其中：1-夹紧螺母；2-套杯；3-冷却液；4-冷却液箱；5-除杂结构；6-单向流通阀；7-预应力螺栓；8-后盖板；9-压电陶瓷片；10-电极片；11-连接螺栓；12-变幅杆；13-导液管；14-钻杆；15-自由质量块；16-导线孔；17-导线；18-副边线圈；19-原边线圈；20-绝缘套筒；21-散热孔；22-机床主轴；23-弹性夹头。
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例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种超声波钻孔装置，主要由套杯2、感应线圈组、冷却系统、换能器、变幅杆12和钻杆14，所述套杯2顶部通过夹紧机构与机床主轴22相连，套杯2的下部开口，且套杯2的外壁缠绕有与换能器匹配的感应线圈组；所述冷却系统和换能器内设于套杯2的开口端内；所述换能器的驱动端与变幅杆12的输入端相连，变幅杆12通过连接螺栓12固定于套杯2的开口端端面，变幅杆12的输出端与钻杆14的上端相连，钻杆14的下端设有刀具。
本发明中，如图6所示，所述冷却系统集成安装于换能器的正上方，冷却系统包括冷却液箱4、除杂结构5和导液管13，所述冷却液箱4内灌满冷却液3，冷却液箱4的底部依次通过除杂结构5和单向流通阀6，与导液管13的上端相连，导液管13的下端依次垂直穿过换能器、变幅杆12和钻杆14。本实施例中，冷却液3自冷却液箱4流出，经过除杂结构5、单向流通阀6、换能器、变幅杆12和钻杆14，最终流向加工接触部位，导液管13促进冷却液3及时流向加工部位吸收热量，钻孔加工时无需再外接冷却系统。
本发明中，所述换能器包括预应力螺栓7、后盖板8、电极片10、压电陶瓷片9和绝缘套筒20，所述预应力螺栓7的下端穿过后盖板8，与变幅杆12的上端面贴紧；在后盖板8与变幅杆12之间的预应力螺栓7上设有绝缘套筒20，绝缘套筒20的下端与变幅杆12的上端相连；沿绝缘套筒20的高度方向间隔布置环形的压电陶瓷片9和电极片10；所述电极片10通过导线17与感应线圈组相连；所述导线17穿过设于套杯内部的导线孔16。本实施例中，所述压电陶瓷片9为四片。
本发明中，所述感应线圈组包括原边线圈19和副边线圈18。本实施例将传统换能器的碳刷接触式供电改变成感应供电，且原边线圈19固定于机床其他位置，不随机床主轴22旋转，副边线圈18固定在套杯2上，可随套杯18一起旋转，这种结构设计无需更换碳刷，使用寿命更长。
本发明中，如图2所示，所述夹紧机构包括与套杯2顶部内侧配合的弹性夹头23，以及与套杯4顶部外侧配合的夹紧螺母1，所述弹性夹头23夹紧机床主轴22。本发明无需对机床主轴22作任何改动，当机床主轴22发生变化时，只需更换相应的弹性夹头23和夹紧螺母1即可。
优选地，如图1、图3和图4所示，所述变幅杆12与钻杆14通过螺纹连接，方便钻杆14损坏后及时更换。本发明所述变幅杆12和钻杆14之间环套有自由质量块15，自由质量块15为成圆筒状，如图5所示；自由质量块15接收超声变幅杆12的超声频振动，在变幅杆12和钻杆14之间碰撞振动，通过冲击钻杆14快速钻孔，提高钻孔效率。
本实施例中，所述换能器的预应力螺栓7为空心螺栓；所述钻杆14为空心钻杆，所述变幅杆12为空心变幅杆；所述套杯2的开口端上分别开设有散热孔，及时将换能器工作时产生的热量散发出去，改善加工环境，提高所述超声钻孔装置的使用寿命。所述变幅杆12的输入端为向上凸起的台面，台面与换能器的输出端相连；变幅杆12的外沿通过对称的四个连接螺栓11(连接螺栓11设于法兰盘)与套杯4的开口端面相连，一方面便于拆卸，另一方面也防在法兰固定时，变幅杆12轴线发生偏移；变幅杆12的法兰盘设置于变幅杆12中质点位移为零的节面，减小法兰盘固定后对变幅杆12振动振幅的影响。
本发明所述超声钻孔装置安装于机床主轴22上，和机床主轴22一起做回转和纵向振动的复合运动，即纵-扭复合振动，无需单独设计纵扭换能器；在加工硬脆材料时，加工速度更快，加工精度更高，加工质量更好，钻杆14和刀具的磨损小。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超声波钻孔装置，其特征在于，主要由套杯、感应线圈组、冷却系统、换能器、变幅杆和钻杆，所述套杯顶部通过夹紧机构与机床主轴相连，套杯的下部开口，且套杯的外壁缠绕有与换能器匹配的感应线圈组；所述冷却系统和换能器内设于套杯的开口端内；所述换能器的驱动端与变幅杆的输入端相连，变幅杆通过连接螺栓固定于套杯的开口端端面，变幅杆的输出端与钻杆的上端相连，钻杆的下端设有刀具。
2.如权利要求1所述的超声波钻孔装置，其特征在于，所述冷却系统包括冷却液箱、除杂结构和导液管，所述冷却液箱内灌满冷却液，冷却液箱的底部通过除杂结构与导液管的上端相连，导液管的下端依次垂直穿过换能器、变幅杆和钻杆。
3.如权利要求2所述的超声波钻孔装置，其特征在于，所述换能器包括预应力螺栓、后盖板、电极片、压电陶瓷片和绝缘套筒，所述预应力螺栓的下端穿过后盖板，与变幅杆的上端面贴紧；在后盖板与变幅杆之间的预应力螺栓上设有绝缘套筒，绝缘套筒的下端与变幅杆的上端相连；沿绝缘套筒的高度方向间隔布置环形的压电陶瓷片和电极片；所述电极片通过导线与感应线圈组相连；所述导液管穿过预应力螺栓。
4.如权利要求1所述的超声波钻孔装置，其特征在于，所述夹紧机构包括与套杯顶部内侧配合的弹性夹头，以及与套杯顶部外侧配合的夹紧螺母，所述弹性夹头夹紧机床主轴。
5.如权利要求1所述的超声波钻孔装置，其特征在于，所述变幅杆和钻杆之间环套有自由质量块，自由质量块为成圆筒状。
6.如权利要求3所述的超声波钻孔装置，其特征在于，预应力螺栓为空心螺栓；所述钻杆为空心钻杆，所述变幅杆为空心变幅杆。
7.如权利要求1所述的超声波钻孔装置，其特征在于，所述套杯的开口端上分别开设有散热孔。
8.如权利要求1所述的超声波钻孔装置，其特征在于，所述感应线圈组包括原边线圈和副边线圈。
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