CN111002382A - 超声波切削装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种超声波切削装置及其使用方法，装置包括：刀柄,用于与主轴同轴连接，第一固定环和第二固定环，扣合在主轴的外侧；轴向连接板，从第二固定环的径向外端沿轴向延伸；径向连接板，从轴向连接板远离第二固定环的位置沿径向向内侧延伸；输入线圈座，安装在径向连接板的靠向刀柄的一端，输入线圈座为与刀柄同轴的扇形，在其靠向刀柄的一端安装有输入线圈；输出线圈座，为圆环形，同轴固定在刀柄的外壁上，在输出线圈座内安装有输出线圈，安装在刀柄内的导电隔片、换能器、变幅杆，导电隔片与输出线圈电连接；刀具夹头，刀具夹头安装在变幅杆上，刀具夹头夹持着刀具。本发明提高钻削加工效率和精度。可以调节输入线圈与输出线圈同轴度、轴向间隙。

Description

超声波切削装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及超声波设备技术领域，具体地说，涉及超声波切削装置及其使用方法。

背景技术

超声波辅助切削加工技术是近十年在国际上发展起来的一项技术，超声波辅助切削加工能够更为有效的切削增强复合材料(如玻璃纤维、树脂基碳纤维、凯夫拉纤维、纸基或铝基蜂窝材料)以及陶瓷、蓝宝石、玻璃等脆硬性材料。不同于传统的切削加工工艺，超声波切削技术的核心是超声切割。其基本原理是利用一个超声电源产生频率在20kHz到30kHz的超声波通过刀具内置换能器将原本振幅和频率很小的超声振动转换成同频率的机械振动，再通过变幅杆的共振放大得到足够大可以满足切削要求的振幅和能量(功率)，传导到超声波机械加工刀具上，完成对上述材料进行机械加工。

在实际应用中，现有的超声切削加工设备内置换能器需要将20kHz到30kHz高频电流转换成同频率机械振动，由于切削陶瓷玻璃等脆硬性材料需要主轴转速8000RPM以上,如何将电信号引入到高速旋转的主轴中，目前主要有两种解决办法，一种是通过滑环接触方式实现电信号与主轴连接，另一种方式是通过非接触的电场磁场感应方式将电流传输到高速旋转的主轴刀柄结构形式。滑环接触方式传输电流与非接触的电场磁场感应方式相比较结构占用空间大，接触式主轴高速运转过程中电流传输实现难度大，可靠性不高。现有电磁感应技术，安装需要破坏主轴结构，输入线圈与输出线圈安装时同轴度调整时间长，不能保证输入线圈与输出线圈同轴要求，电源传输效率低。截至目前，暂未见有较好的解决方案。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出了一种超声波切削装置，包括：主轴接口模块，又包括:

刀柄,为锥形，其直径小端用于与主轴同轴连接，

第一固定环和第二固定环，扣合在主轴的外侧；

轴向连接板，从第二固定环的径向外端沿轴向向远离第二固定环的方向延伸；

径向连接板，从轴向连接板远离第二固定环的位置沿径向向内侧延伸；

电能传输模块，又包括：

输入线圈座，安装在径向连接板的靠向刀柄的一端，输入线圈座为与刀柄同轴的扇形，在其靠向刀柄的一端安装有输入线圈；

输出线圈座，为圆环形，同轴固定在刀柄的外壁上，在输出线圈座内安装有输出线圈；

超声发生模块，包括依次安装在刀柄内的导电隔片、换能器、变幅杆，所述导电隔片与输出线圈电连接；

刀具夹持模块，包括刀具夹头，所述刀具夹头安装在变幅杆上，刀具夹头夹持着刀具。

本发明还提供一种超声波切削装置使用方法，使用以上所述的超声波切削装置进行以下步骤：

通过拉刀机构将刀柄与机床旋转主轴同轴连接，使得第一固定环和第二固定环扣合在主轴的外侧；

调节径向调整机构使得输入线圈与输出线圈同轴，调节轴向调整机构使得输入线圈与输出线圈的轴向间隙达到设定值；

将输入电源与输入线圈电连接，进行超声波切削作业。

本发明的有益效果：

1、通过超声波振动，使得刀具在轴向增加20kHz到30kHz高频振动，能够有效减少刀具在加工过程中的切削热，刀具加工过程中不易产生积屑，可以有效提高刀具的使用寿命，轴向增加切削力能够有效提高钻削加工效率，提高工件加工表面粗糙度及加工位置精度。

2、通过径向调整机构和轴向调整机构可以调节输入线圈与输出线圈同轴度、输入线圈与输出线圈的轴向间隙。

3、由于径向调整机构和轴向调整机构，使得可以方便的调节输入线圈和输出线圈的轴向距离和同轴度。可以通过径向调整机构调整输入线圈座的位置，避开供机械手插入的V型槽块，不需要增大刀柄直径，不会带来转动惯量增大的缺陷。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示本发明第一实施例的超声波切削装置的立体示意图；

图2是表示本发明第一实施例的超声波切削装置的剖视图；

图3是表示本发明第一实施例的第一、第二固定环的示意图；

图4是表示本发明第一实施例的输入线圈座的示意图；

图5是表示本发明第一实施例的输入线圈安装示意图；

图6是表示本发明第一实施例的输出线圈的安装示意图；

图7是表示本发明第二实施例的超声波切削装置的剖视图；

图8是表示本发明第二实施例的调整机构的剖视图；

图9是表示本发明第二实施例的调整机构的立体示意图；

图10是表示本发明第二实施例的调整机构的又一立体示意图；

图11是表示本发明第二实施例的径向调整机构的原理示意图；

图12是表示本发明第二实施例的轴向调整机构的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的超声波切削装置及其使用方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

第一实施例

本发明的超声波切削装置的外观如图1所示，包括主轴接口模块110、电能传输模块120、超声发生模块130、刀具夹持模块140。其中，如图2所示，主轴接口模块110包括刀柄1、径向连接板6、轴向连接板5、第一固定环17、第二固定环21。其中，刀柄1为锥形，其直径小端与机床旋转主轴通过拉刀机构同轴连接，与主轴同时高速旋转。如图3所示，第一固定环17、第二固定环21为半圆形，在第一固定环17、第二固定环21的两端分别具有径向的螺栓孔，第一固定环17、第二固定环21扣合在主轴的外侧，通过螺栓穿过所述螺栓孔将第一固定环17、第二固定环21连接起来。当然第一固定环17、第二固定环21只要可以沿圆周向扣合即可，并非一定是半圆形。其中，轴向连接板5从第二固定环21的径向外端沿轴向延伸，径向连接板6从轴向连接板5远离第二固定环21的位置沿径向向内侧延伸。

如图2所示，电能传输模块120包括输入线圈2、输入电源接口3、输入线圈座4、输出线圈7、输出线圈座8。输入线圈座4安装在径向连接板6的靠向刀柄1的一端，如图4、5所示，输入线圈座4为与刀柄1同轴的扇形，在其靠向刀柄1的一端设置有横截面为“U”型的锰锌铁氧体磁环，输入线圈2安装在“U”型锰锌铁氧体磁环内，如图5所示，输入线圈2的输入线圈正极201和输入线圈负极202用于与输入电源接口3连接，输入电源接口3用于向输入线圈2供电。输出线圈座8套装在刀柄1的外壁上，输出线圈座8与刀柄1的外壁通过止口进行轴向限位，输出线圈座8也包括“U”型锰锌铁氧体磁环，输出线圈7安装在输出线圈座8的“U”型锰锌铁氧体磁环中。从图5、图6可以看出，输入线圈2和输出线圈7都是盘绕成围绕刀柄1的圆弧形。如图6所示，输出线圈7的输出线圈正极71和输出线圈负极72通过刀柄1上的孔穿入到刀柄1的内孔中。

超声发生模块130包括换能器14、导电隔片15、锁紧杆16、变幅杆13、底盖10。刀柄1的远离主轴的方向的一端设置有内孔，换能器14安装在刀柄1的内孔中，通过底盖10同轴固定在刀柄1内，底盖10可以是通过螺纹或者法兰等形式与刀柄1的端部连接。例如底盖10具有内孔螺纹，与刀柄1的外壁螺纹连接，从而结合止口将输出线圈座8固定在刀柄1的外壁上。

换能器14内部装有导电隔片15，导电隔片15的正电极和负电极上分别延伸出一根引线，分别与输出线圈正极71和输出线圈负极72连接，用来传输电信号。导电隔片15将20kHz到30kHz频率范围的电流导入换能器14中，导电隔片15通过锁紧杆16与换能器14固定在一起，换能器14下部装有变幅杆13。

刀具夹持模块140包括刀具夹头11，刀具夹头11安装在变幅杆13上，刀具夹头11夹持着刀具12，通过变幅杆13将振动振幅放大后将高频振动传递到刀具12。

工作时20kHz到30kHz高频电流通过输入电源接口3与输入线圈2感应线圈连接，电磁感应作用下在输出线圈7输出20kHz到30kHz相同频率范围的电流，电流传输到换能器14中，换能器产生相同频率的机械振动，振动传递到变幅杆13振幅放大，通过变幅杆13将振动传递到刀具夹头11，刀具夹头将振动传递到刀具12。

在一个可选实施例中，在输出线圈座8的下部还安装有平衡套9，平衡套9套在刀柄1的外壁上，底盖10安装在平衡套9的下部，将平衡套固定在输出线圈座8的下部。可以通过在平衡套9的外壁打不同深度的孔进行调整超声切削加工设备旋转动平衡。

第二实施例

第二实施例的结构与第一实施例大致相同，在此仅描述与第一实施例的区别技术特征。

如图7所示，轴向连接板6是通过调整机构连接在第二固定环21上。具体地，调整机构包括径向调整机构和轴向调整机构。下面结合图7至图12来说明。

电机18通过电机座19安装在第二固定环21上，电机18的电机轴通过联轴器20与丝杠22同轴连接，丝杠22的轴线与刀柄1的轴线平行。从第二固定环21沿轴向延伸出安装板24，优选与轴向连接板5平行设置。丝杠22的另一端通过丝杠座25安装在安装板24上。丝杠22在电机18的带动下旋转，驱动丝母23旋合在丝杠22上，通过电机18驱动驱动丝母23沿丝杠22轴向移动。如图10所示，驱动丝母23与第一滑板101固定连接，在所述安装板24上设置有两条与丝杠22平行的滑动杆，即第二滑动杆36、第一滑动杆37，第一滑板101与第二滑动杆36、第一滑动杆37形成滑动副。

对应地，在轴向连接板5上设置有第二滑板31，与丝杠22平行的第三滑动杆29和第四滑动杆30，第二滑板31与第三滑动杆29和第四滑动杆30也形成滑动副。

并且，在滑板的两端与滑动杆位置对应的位置分别设置有交叉的两根连杆。下面以一端为例来说明其结构，第一连杆34和第二连杆35交叉连接，且在其交叉处采用销轴铰接。而第一连杆34的两端则分别与第二滑板31和第一滑动杆37铰接。第二连杆35的两端分别与第一滑板101和第三滑动杆29铰接。而在第一滑板101、第二滑板31的另一端，也同样设置有交叉连接的第三连杆32和第四连杆33，由于其结构以及连接形式与第一连杆34和第二连杆35相同，在此不再做详述。

驱动丝母23带动第一滑板101、第二滑板31同时滑动，第三连杆32和第四连杆33，第一连杆34和第二连杆35的交叉的中间点通过销轴固定简化成如图2-6中三角形AOB与三角形COD,因为连杆长度不变，无论驱动丝母23向下还是向上运动，所形成的三角形AOB与三角形COD都是全等相似三角形，因此第一滑板101与第二连杆35的铰接点A、第二滑板31与第一连杆34的铰接点C始终保持相同的运动位置(即铰接点A和铰接点C沿刀柄轴向的位置相同)。所以通过驱动丝母23是带动第一滑板101、第二滑板31同时滑动，从而使得连杆推动轴向连接板5沿径向移动，由于径向连接板6与轴向连接板5固定连接，从而可以调节安装在径向连接板6上的输入线圈座4的径向位置，也就是可以调节输入线圈2与输出线圈7的同轴度。

进一步地，下面说明轴向调整机构，在第二固定环21上设置有沿轴向的通孔，在安装板24上设置有两个螺纹孔，两个锁紧螺钉26对应穿过第二固定环21上的通孔旋入到安装板24上的螺纹孔内，从而将安装板24固定在第二固定环21上。在第二固定环21上还设置有沿轴向的螺纹孔，顶紧螺钉27旋入螺纹孔并且其端部穿出第二固定环21顶在安装板24的侧面上。

通过轴向调整机构可以调整输入线圈2与输出线圈7的轴向间隙。当两个锁紧螺钉26旋紧的同时顶紧螺钉27旋松，在锁紧螺钉26的拉力作用下，使得安装板24沿轴向向靠近第二固定环21的方向移动，也就是使得输入线圈2与输出线圈7之间的轴向间隙增大。当旋松两个锁紧螺钉26的同时旋紧顶紧螺钉27，安装板24在顶紧螺钉27的推力下沿轴向向远离第二固定环21的方向移动，输入线圈2与输出线圈7的轴向间隙减小。当然，此处是以如图7所示的输入线圈2位于输出线圈7的靠向第二固定环21的一侧的情况来说的，如果输入线圈2位于输出线圈7的远离第二固定环21的一侧，则调节方式相反，在此不做赘述。

由于径向调整机构和轴向调整机构，使得可以方便的调节输入线圈和输出线圈的轴向距离和同轴度。如图7所示，刀柄1上的V型槽块200用于在需要拔出刀柄1的时候，机械手插入到V型槽块200中，将刀柄1从主轴上拔出。可以看出，V型槽块200在拔出刀柄1的过程中会与输入线圈2发生干涉，现有技术中可以采用增大刀柄1的直径，使得拔出刀柄1时V型槽块200与输入线圈2不会发生干涉，但是由于刀柄直径增大，使得转动惯量增大，而对于高速旋转的主轴来说，需要快速启动、快速制动，转动惯量越小越好。而本申请则可以通过径向调整机构避开V型槽块200，不需要增大刀柄直径，不会带来转动惯量增大的缺陷。

一种超声波切削装置使用方法，使用以上所述的超声波切削装置进行以下步骤：

通过拉刀机构将刀柄与机床旋转主轴同轴连接，使得第一固定环和第二固定环扣合在主轴的外侧；

调节径向调整机构使得输入线圈与输出线圈同轴，调节轴向调整机构使得输入线圈与输出线圈的轴向间隙达到设定值；

将输入电源与输入线圈电连接，进行超声波切削作业。

进一步地，所述径向调整机构的调整方法是，通过电机驱动驱动丝母沿轴向移动，使得第一连杆和第二连杆沿轴向转动并移动，进而使得轴向连接板沿径向移动到预设位置，也即是调整输入线圈与输出线圈的同轴度。

进一步地，所述轴向调整机构的调整方法是：

旋紧锁紧螺钉的同时旋松顶紧螺钉，使得安装板在锁紧螺钉的拉力下沿轴向向靠近第二固定环的方向移动到预设位置，或者，旋松锁紧螺钉的同时旋紧顶紧螺钉，使得安装板在顶紧螺钉的推力下沿轴向向远离第二固定环的方向移动到预设位置。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种超声波切削装置，其特征在于，包括：

主轴接口模块，包括:

刀柄,为锥形，其直径小端用于与主轴同轴连接，

第一固定环和第二固定环，扣合在主轴的外侧；

轴向连接板，从第二固定环的径向外端沿轴向向远离第二固定环的方向延伸；

径向连接板，从轴向连接板远离第二固定环的位置沿径向向内侧延伸；

电能传输模块，包括：

输入线圈座，安装在径向连接板的靠向刀柄的一端，输入线圈座为与刀柄同轴的扇形，在其靠向刀柄的一端安装有输入线圈；

输出线圈座，为圆环形，同轴固定在刀柄的外壁上，在输出线圈座内安装有输出线圈；

超声发生模块，包括依次安装在刀柄内的导电隔片、换能器、变幅杆，所述导电隔片与输出线圈电连接；

刀具夹持模块，包括刀具夹头，所述刀具夹头安装在变幅杆上，刀具夹头夹持着刀具。

2.根据权利要求1所述的超声波切削装置，其特征在于，

在刀柄的外壁上紧邻输出线圈座还套设有平衡套，在所述平衡套上设置有多个用于调节旋转动平衡的孔。

3.根据权利要求1所述的超声波切削装置，其特征在于，

轴向连接板是通过径向调整机构和轴向调整机构连接在第二固定环上。

4.根据权利要求3所述的超声波切削装置，其特征在于，所述径向调整机构包括：

电机，安装在第二固定环上，电机的输出轴与丝杠的一端同轴连接；

丝杠，轴线与刀柄的轴线平行，从第二固定环沿轴向延伸出安装板，丝杠的另一端通过丝杠座安装在安装板上，在所述丝杠上旋合有驱动丝母，通过电机驱动驱动丝母沿丝杠轴向移动；

第一滑板和第二滑板，驱动丝母与第一滑板固定连接，在所述安装板上设置有至少一条与丝杠平行的第一滑动杆，第一滑板与第一滑动杆形成滑动副，对应地，在轴向连接板上设置有第二滑板，与丝杠平行的与第一滑动杆数量一致的第三滑动杆，第二滑板与第三滑动杆也形成滑动副；

与第一滑动杆数量一致且位置对应的至少一对第一连杆和第二连杆，所述一对第一连杆和第二连杆通过销轴交叉铰接，而第一连杆的两端则分别与第二滑板和第一滑动杆铰接，第二连杆的两端分别与第一滑板和第三滑动杆铰接。

5.根据权利要求3所述的超声波切削装置，其特征在于，

所述轴向调整机构包括：

在第二固定环上设置有沿轴向的通孔，在安装板上设置有至少一个沿轴向的第一螺纹孔，锁紧螺钉对应穿过所述通孔旋入到所述第一螺纹孔内，从而将安装板固定在第二固定环上，

在第二固定环上还设置有沿轴向的第二螺纹孔，顶紧螺钉旋入第二螺纹孔并且其端部穿出第二固定环顶在安装板的侧面上。

6.根据权利要求1所述的超声波切削装置，其特征在于，

输入线圈座和输出线圈座均为U型锰锌铁氧体磁环，所述输入线圈和输出线圈形成围绕刀柄的圆弧形。

7.根据权利要求2所述的超声波切削装置，其特征在于，

还具有底盖，所述底盖通过内孔螺纹与刀柄的外壁螺纹连接，将输出线圈座、平衡套依次固定在刀柄上。

8.一种超声波切削装置使用方法，其特征在于，使用权利要求1的超声波切削装置进行以下步骤：

通过拉刀机构将刀柄与机床旋转主轴同轴连接，使得第一固定环和第二固定环扣合在主轴的外侧；

调节径向调整机构使得输入线圈与输出线圈同轴，调节轴向调整机构使得输入线圈与输出线圈的轴向间隙达到设定值；

将输入电源与输入线圈电连接，进行超声波切削作业。

9.根据权利要求8所述的超声波切削装置使用方法，其特征在于，

所述径向调整机构的调整方法是，通过电机驱动驱动丝母沿轴向移动，使得第一连杆和第二连杆沿轴向转动并移动，进而使得轴向连接板沿径向移动到预设位置。

10.根据权利要求8所述的超声波切削装置使用方法，其特征在于，

所述轴向调整机构的调整方法是：

旋紧锁紧螺钉的同时旋松顶紧螺钉，使得安装板在锁紧螺钉的拉力下沿轴向向靠近第二固定环的方向移动到预设位置，或，

旋松锁紧螺钉的同时旋紧顶紧螺钉，使得安装板在顶紧螺钉的推力下沿轴向向远离第二固定环的方向移动到预设位置。

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