CN112317779B - 超声波主轴、超声波刀柄以及超声波加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波主轴，其包括主轴壳体、旋转轴组件、前端盖、发射架以及超声波无线发射装置；旋转轴组件可转动的穿设于主轴壳体内；前端盖设于主轴壳体的前端并环绕旋转轴组件设置；发射架安装于前端盖的前端面并环绕旋转轴组件设置，发射架的内侧面设有环绕旋转轴组件的第一容纳槽；超声波无线发射装置设于第一容纳槽内，超声波无线发射装置包括环绕旋转轴组件设置的发射线圈和用于容置发射线圈的发射铁氧体。通过设置上述发射架，超声波无线发射装置可集成于超声波主轴上，从而安装精度更高，进而，超声波无线发射装置与超声波无线接收装置之间的电性导通更加稳定可靠。另外，本发明还公开了一种超声波刀柄和超声波加工设备。

Description

超声波主轴、超声波刀柄以及超声波加工设备

技术领域

本发明涉及超声波加工技术领域，特别是涉及一种超声波主轴、超声波刀柄以及超声波加工设备。

背景技术

在加工作业的过程中导入高频的振动加工机制，不仅可改善切削加工面的表面粗糙度和提高加工精度，更可降低切削阻力，增加刀具的寿命，因而被广泛应用。超声波主轴即是其中一种应用。

现有的超声波主轴包括固定部件、旋转部件、轴承组件和超声波传输装置。其中，固定部件包括主轴壳体、前端盖等相关部件。旋转部件包括旋转轴组件等相关部件。超声波传输装置可以是超声波无线发射装置，也可以是超声波有线传输装置。目前，超声波无线发射装置一般通过抱箍悬挂于主轴外，安装精度较低，导致它与超声波无线接收装置之间的电性导通不稳定，影响刀具的加工效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种电性导通稳定、加工效果好、性能优异的超声波主轴、超声波刀柄以及超声波加工设备。

为了实现上述目的，本发明提供一种超声波主轴，其包括：

主轴壳体；

旋转轴组件，其可转动的穿设于所述主轴壳体内，所述旋转轴组件包括芯轴，所述芯轴的前端面设有安装孔；

前端盖，其设于所述主轴壳体的前端并环绕所述旋转轴组件设置；

发射架，其安装于所述前端盖的前端面并环绕所述旋转轴组件设置，所述发射架的内侧面设有环绕所述旋转轴组件的第一容纳槽；

超声波无线发射装置，其设于所述第一容纳槽内，所述超声波无线发射装置包括环绕所述旋转轴组件设置的发射线圈和用于容置所述发射线圈的发射铁氧体；

所述第一容纳槽的容积为V立方毫米，所述发射线圈的体积为V₁立方毫米，所述发射铁氧体的体积为V₂立方毫米，且V₂＝V₁K₁，所述发射线圈的匝数为N，组成所述发射线圈的单匝导线的横截面积为S平方毫米，所述发射架的内侧面的直径为D₁毫米，所述第一容纳槽的槽底面的直径为D₂毫米，则上述参数值满足如下函数关系：

其中，10≤N≤150，0.02≤S≤2.6，3≤K₁≤9，1<K₂≤4，0.5≤K₃≤1.8，K₁、K₂、K₃为修正系数。

本申请的一些实施例中，30≤N≤120。

本申请的一些实施例中，所述第一容纳槽的宽度为L毫米，所述发射架的前端面与后端面之间的距离为T毫米，L/T＝0.2～0.8。

本申请的一些实施例中，所述第一容纳槽的深度为H毫米，所述发射架的内侧面与外侧面之间的距离为M毫米，H/M＝0.2～0.8。

本申请的一些实施例中，所述主轴壳体具有第一气道，所述前端盖的内侧与所述旋转轴组件的外侧之间设有气腔，且所述前端盖具有连通所述第一气道与所述气腔的第二气道。

本申请的一些实施例中，所述气腔内设有环绕所述旋转轴组件设置的通气环，所述通气环的内侧与所述旋转轴组件的外侧之间设有通气间隙，所述通气环具有连通所述第二气道与所述通气间隙的通气孔。

本申请的一些实施例中，所述通气孔设为多个并沿所述通气环的周向均匀排布。

本申请的一些实施例中，所述发射架的内侧面具有环形凸台，所述环形凸台的后端面与所述通气环的前端面相贴合。

本申请的一些实施例中，所述芯轴的外侧与所述主轴壳体的内侧之间设有轴承，所述旋转轴组件还包括套装于所述芯轴上的内压环，所述内压环从前往后压紧所述轴承的内圈，所述内压环的外周环绕有外压环，所述前端盖从前往后将所述外压环压紧于所述轴承的外圈。

本申请的一些实施例中，所述内压环的外侧面具有环形凸筋，所述环形凸筋设为多个并沿所述内压环的轴向排布。

本申请的一些实施例中，所述发射铁氧体包括第一底壁以及设于所述第一底壁两侧边的第一侧壁，所述第一底壁与所述第一容纳槽的槽底面位置对应，所述第一侧壁与所述第一容纳槽的槽侧面位置对应，所述发射线圈设于所述第一底壁与所述第一侧壁围成的第一沟槽内。

本申请的一些实施例中，所述第一侧壁的厚度为0.5毫米～5毫米。

本申请的一些实施例中，所述发射铁氧体包括沿其轴向前后排布的第一铁氧体前环和第一铁氧体后环，二者拼接组成所述发射铁氧体。

本申请的一些实施例中，所述发射铁氧体包括多个沿其周向排布的铁氧体圆弧段，多个所述铁氧体圆弧段拼接组成所述发射铁氧体。

本申请的一些实施例中，所述发射架包括发射架本体和前盖板，所述发射架本体的后端面与所述前端盖的前端面相贴合，所述前盖板设于所述发射架本体的前端并与所述发射架本体共同围成所述第一容纳槽。

基于同样的目的，本发明还提供一种超声波刀柄，其包括：

刀柄本体；

超声波无线接收装置，其套装于所述刀柄本体上，用于配合上述的超声波无线发射装置实现超声波无线电能传输。

本申请的一些实施例中，所述刀柄本体的外侧面具有设于所述超声波无线接收装置前端的支撑部，所述超声波无线接收装置的后端设有套装于所述刀柄本体上的固定环，所述支撑部与所述固定环之间形成与所述第一容纳槽相对设置的第二容纳槽，所述超声波无线接收装置设于所述第二容纳槽内。

本申请的一些实施例中，所述超声波无线接收装置包括环绕所述刀柄本体设置的接收线圈和用于容置所述接收线圈的接收铁氧体，所述接收铁氧体包括第二底壁以及设于所述第二底壁两侧边的第二侧壁，所述第二底壁与所述第二容纳槽的槽底面位置对应，所述第二侧壁与所述第二容纳槽的槽侧面位置对应，所述接收线圈设于所述第二底壁与所述第二侧壁围成的第二沟槽内。

本申请的一些实施例中，所述接收铁氧体包括沿其轴向前后排布的第二铁氧体前环和第二铁氧体后环，二者拼接组成所述接收铁氧体。

基于同样的目的，本发明还提供一种超声波加工设备，其包括：

上述的超声波主轴；

上述的超声波刀柄；

其中，所述刀柄本体的后端插设于所述安装孔内，且所述刀柄本体的外侧与所述发射架的内侧之间形成第一间隙，所述超声波无线接收装置的外侧与所述超声波无线发射装置的内侧之间形成与所述第一间隙相连通的第二间隙。

本申请的一些实施例中，所述前端盖的内侧与所述旋转轴组件的外侧之间设有与所述第一间隙相连通的气腔，所述主轴壳体具有第一气道，所述前端盖具有连通所述第一气道与所述气腔的第二气道。

本申请的一些实施例中，所述发射架的内侧面具有环形凸台，所述超声波无线接收装置的后端设有套装于所述刀柄本体上的固定环，所述环形凸台的前端面与所述固定环的后端面之间形成连通所述第一间隙与所述第二间隙的第三间隙。

本申请的一些实施例中，所述第二间隙的宽度为0.1毫米～2.5毫米。

本发明提供了一种超声波主轴，与现有技术相比，其有益效果在于：

一方面，通过设置直接安装于前端盖的前端面的发射架，超声波无线发射装置可集成于超声波主轴上，无需另外通过抱箍等悬挂式支架悬挂安装，从而，超声波无线发射装置的安装精度更高，稳定性更好，进而，超声波无线发射装置与超声波无线接收装置之间的电性导通更加稳定可靠，可有效地提升刀具的加工效果；此外，发射架还可起到防尘、防水的密封效果，与此同时，发射架可充当超声波主轴的装饰盖，通过遮住前端盖达到提升美观性的目的；又由于发射架安装于前端盖的前端面，结构紧凑，因此相比于悬挂式支架，发射架不易与超声波主轴外的其他结构发生干涉；

另一方面，第一容纳槽的容积为V立方毫米，发射线圈的体积为V₁立方毫米，发射铁氧体的体积为V₂立方毫米，且V₂＝V₁K₁，发射线圈的匝数为N，组成发射线圈的单匝导线的横截面积为S平方毫米，发射架的内侧面的直径为D₁毫米，第一容纳槽的槽底面的直径为D₂毫米，当上述参数值满足如下函数关系：

其中，10≤N≤150，0.02≤S≤2.6，3≤K₁≤9，1<K₂≤4，0.5≤K₃≤1.8时，在相同条件下，超声波无线发射装置与超声波无线接收装置内外设置相比于上下设置，能够进一步地提升刀具在工作过程中的最大振幅，增大刀具的振幅调节范围，进而扩大刀具的适用范围，增加可加工材料的种类。

本发明还提供了一种超声波刀柄，由于其具有用于配合上述超声波无线发射装置实现超声波无线电能传输的超声波无线接收装置，因此当它与上述超声波主轴配合使用时，电性导通稳定、加工效果好。

本发明还提供了一种超声波加工设备，由于其采用了上述超声波主轴和上述超声波刀柄，因此同样电性导通稳定、加工效果好、性能优异。

附图说明

图1为本发明实施例的超声波加工设备的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的超声波加工设备的纵截面结构示意图；

图3为图2中I区域的放大图；

图4为本发明实施例的发射架的纵截面结构示意图；

图5为本发明实施例的发射架的分体结构示意图；

图6为本发明实施例的超声波刀柄的整体结构示意图；

图7为本发明实施例的通气环的整体结构示意图；

图8为本发明实施例的内压环的整体结构示意图；

图9为本发明实施例的发射铁氧体的整体结构示意图；

图10为本发明实施例的发射铁氧体的一种分体式结构的示意图；

图11为本发明实施例的发射铁氧体的另一种分体式结构的示意图；

图12为本发明实施例的接收铁氧体的整体结构示意图；

图13为本发明实施例的接收铁氧体的分体结构示意图；

图14为本发明实施例的发射架的结构参数的示意图。

图中：100、超声波主轴；200、超声波刀柄；1、主轴壳体；1a、壳体本体；1b、前轴承座；101、第一气道；2、旋转轴组件；2a、芯轴；2b、内压环；2b01、环形凸筋；3、前端盖；301、第二气道；4、发射架；4a、发射架本体；4b、前盖板；401、第一容纳槽；402、孔道；403、环形凸台；5、超声波无线发射装置；5a、发射线圈；5b、发射铁氧体；5b01、第一底壁；5b02、第一侧壁；5b1、第一铁氧体前环；5b2、第一铁氧体后环；5b3、铁氧体圆弧段；6、刀柄本体；601、支撑部；7、超声波无线接收装置；7a、接收线圈；7b、接收铁氧体；7b01、第二底壁；7b02、第二侧壁；7b1、第二铁氧体前环；7b2、第二铁氧体后环；8、第一间隙；9、第二间隙；10、轴承；11、外压环；12、固定环；13、第二容纳槽；14、气腔；15、通气环；1501、通气孔；16、通气间隙；17、第三间隙。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，以区分同一类型的技术特征，而不能理解为指示或暗示这些技术特征的相对重要性、顺序以及数量，也即，“第一”技术特征可以被称为“第二”技术特征，“第二”技术特征也可以被称为“第一”技术特征，并且，限定有“第一”、“第二”的技术特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该技术特征。另外，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要强调的是，在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“抵接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相接，也可以通过中间媒介间接相接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“上”的含义包括“内部”、“外部”、“上部”、下部”等。术语“前”和“后”指的是，对于超声波加工设备及其超声波主轴100和超声波刀柄200而言，靠近加工工件视为“前”，远离加工工件视为“后”。

参见图1，本发明实施例提供一种超声波加工设备，其包括超声波主轴100和超声波刀柄200。

具体的，如图1至图3所示，超声波主轴100包括主轴壳体1、旋转轴组件2、前端盖3、发射架4以及超声波无线发射装置5；旋转轴组件2可转动的穿设于主轴壳体1内，其包括芯轴2a，芯轴2a的前端面设有安装孔；前端盖3设于主轴壳体1的前端并环绕旋转轴组件2设置；发射架4安装于前端盖3的前端面并环绕旋转轴组件2设置，示例性的，发射架4与前端盖3以直接接触的连接方式固定安装，或是以贴合的方式固定安装；发射架4的内侧面设有环绕旋转轴组件2的第一容纳槽401，超声波无线发射装置5设于第一容纳槽401内。

进一步的，超声波刀柄200包括刀柄本体6和套装于刀柄本体6上的超声波无线接收装置7；刀柄本体6的后端插设于芯轴2a的安装孔内，且刀柄本体6的外侧与发射架4的内侧之间形成第一间隙8，超声波无线接收装置7的外侧与超声波无线发射装置5的内侧之间形成与第一间隙8相连通的第二间隙9。

基于上述结构，通过设置直接安装于前端盖3的前端面的发射架4，超声波无线发射装置5可集成于超声波主轴100上，无需另外通过抱箍等悬挂式支架悬挂安装，从而，超声波无线发射装置5的安装精度更高，稳定性更好，进而，超声波无线发射装置5与超声波无线接收装置7之间的电性导通更加稳定可靠，可有效地提升刀具的加工效果；此外，发射架4还可起到防尘、防水的密封效果，与此同时，发射架4可充当超声波主轴100的装饰盖，通过遮住前端盖3达到提升美观性的目的；又由于发射架4安装于前端盖3的前端面，结构紧凑，因此相比于悬挂式支架，发射架4不易与超声波主轴100外的其他结构发生干涉。

作为优选，第二间隙9的宽度为0.1毫米～2.5毫米，以保证超声波无线发射装置5与超声波无线接收装置7之间电性导通稳定，同时二者不易发生碰撞；更优选的，第二间隙9的宽度为0.4毫米～0.8毫米。

参见图2和图3，超声波主轴100还包括轴承10，其设于芯轴2a的外侧与主轴壳体1的内侧之间，以使得旋转轴组件2可相对于主轴壳体1发生转动。旋转轴组件2还包括套装于芯轴2a上的内压环2b，内压环2b从前往后压紧轴承10的内圈；内压环2b的外周环绕有外压环11，前端盖3从前往后将外压环11压紧于轴承10的外圈。如此，轴承10实现了可靠安装，且便于拆装。

可选的，如图2所示，在本实施例中，主轴壳体1包括壳体本体1a以及安装于壳体本体1a前端的前轴承座1b，轴承10安装于前轴承座1b的内侧与芯轴2a的外侧之间；前端盖3的后端面与前轴承座1b的前端面相贴合。

可选的，如图2至图5所示，在本实施例中，发射架4包括发射架本体4a和前盖板4b，发射架本体4a的后端面与前端盖3的前端面相贴合，以提高超声波主轴100的密封性能，前盖板4b设于发射架本体4a的前端并与发射架本体4a共同围成第一容纳槽401。如此，只需拆下前盖板4b，即可实现超声波无线发射装置5的拆装和检修，操作简单方便。此外，发射架本体4a具有与第一容纳槽401相连通的孔道402，以供连接于超声波无线发射装置5的电源线穿过。

可选的，如图6所示，在本实施例中，刀柄本体6的外侧面具有设于超声波无线接收装置7前端的支撑部601，超声波无线接收装置7的后端设有套装于刀柄本体6上的固定环12，固定环12与支撑部601之间形成与第一容纳槽401相对设置的第二容纳槽13，超声波无线接收装置7设于第二容纳槽13内。如此，只需拆下固定环12，即可实现超声波无线接收装置7的拆装，操作简单方便。

可选的，如图2和图3所示，在本实施例中，前端盖3的内侧与旋转轴组件2的外侧之间设有与第一间隙8相连通的气腔14；主轴壳体1具有第一气道101，第一气道101的一端延伸至壳体本体1a的后端面，另一端延伸至前轴承座1b的前端面；前端盖3具有连通第一气道101与气腔14的第二气道301。

基于上述结构，通入第一气道101内的气体经由第二气道301、气腔14和第一间隙8吹向超声波无线接收装置7，再经由第二间隙9吹出，在此过程中，流动的气体可将第二间隙9内的粉尘、杂质或液体吹离，以保持其清洁，且不影响超声波无线发射装置5与超声波无线接收装置7之间的无线电能传输；与此同时，持续的气流形成正压密封，可防止外界的粉尘杂质从第二间隙9进入超声波主轴100的内部，提高其稳定性和可靠性；此外，流动的气体还能够提高散热效果，降低旋转轴组件2、超声波无线发射装置5以及超声波无线接收装置7的温度，改善旋转轴组件2的工况，提高超声波无线发射装置5和超声波无线接收装置7的无线传输效率，延长超声波主轴100的使用寿命。

作为优选，第一气道101的内径与第二气道301的内径相等，均为1毫米～6毫米，以保证气流的大小，提高清洁和正压密封的有效性。

可选的，如图2、图3以及图7所示，在本实施例中，为了使进入气腔14内空气能够均匀的吹向旋转轴组件2，气腔14内设有环绕旋转轴组件2设置的通气环15，通气环15的内侧与旋转轴组件2的外侧之间形成通气间隙16，且通气环15具有连通第二气道301与通气间隙16的通气孔1501，通气孔1501设为多个并沿通气环15的周向均匀排布。

作为优选，通气间隙16的宽度为0.2毫米～5毫米；更优选的，通气间隙16的宽度为1毫米～3毫米。

可选的，如图2、图3以及图7所示，在本实施例中，发射架本体4a的内侧面具有环形凸台403，环形凸台403的前端面与固定环12的后端面之间形成连通第一间隙8与第二间隙9的第三间隙17，并且，环形凸台403的后端面与通气环15的前端面相贴合，以防止流经通气间隙16和第一间隙8的空气从发射架4与通气环15之间泄露，影响正压密封的效果。

需要说明的是，发射架本体4a的内侧面即为发射架4的内侧面，也就是第一容纳槽401和环形凸台403所在的基准平面，而非第一容纳槽401的槽底面或环形凸台403的凸面。

可选的，如图2、图3以及图8所示，在本实施例中，通气间隙16设于通气环15的内侧与内压环2b的外侧之间，为了防止灰尘、切屑颗粒、水汽等杂质经由通气间隙16进入超声波主轴100的内部，内压环2b的外侧面具有环形凸筋2b01，环形凸筋2b01设为多个并沿内压环2b的轴向等间距排布。如此，环形凸筋2b01可将杂质阻隔在超声波主轴100的外部或通气间隙16内。

可选的，如图9所示，在本实施例中，超声波无线发射装置5包括环绕旋转轴组件2设置的发射线圈5a和用于容置发射线圈5a的发射铁氧体5b；发射铁氧体5b的横截面近似“C”字形，其包括第一底壁5b01以及设于第一底壁5b01两侧边的第一侧壁5b02；第一底壁5b01与第一容纳槽401的槽底面位置对应，第一侧壁5b02与第一容纳槽401的槽侧面位置对应；发射线圈5a设于第一底壁5b01与第一侧壁5b02围成的第一沟槽内。

作为优选，第一侧壁5b02的厚度为0.5毫米～5毫米，以保证超声波无线发射装置5能够产生足够强的磁场强度，提高无线传输效率和有效输出功率；更优选的，第一侧壁5b02的厚度为1毫米～3毫米。

进一步的，如图9和图10所示，为了使发射线圈5a能够顺利的装入第一沟槽内，发射铁氧体5b采用分体式结构，其包括沿其轴向前后排布的第一铁氧体前环5b1和第一铁氧体后环5b2，二者拼接组成发射铁氧体5b并共同围成第一沟槽。具体而言，第一铁氧体前环5b1和第一铁氧体后环5b2的横截面均近似“L”字形，其中，第一铁氧体前环5b1由第一底壁5b01的一部分环段和位于其侧边的第一侧壁5b02构成，第一铁氧体后环5b2由第一底壁5b01的另一部分环段和位于其侧边的第一侧壁5b02构成，如此，第一底壁5b01的两部分相对接即可得到完整的发射铁氧体5b。

可以理解的是，如图11所示，发射铁氧体5b还可以采用其他形式的分体式结构，例如，发射铁氧体5b包括多个沿其周向排布的铁氧体圆弧段5b3，各铁氧体圆弧段5b3的横截面均近似“C”字形，多个铁氧体圆弧段5b3拼接组成发射铁氧体5b。作为优选，发射铁氧体5b由两个半圆形的铁氧体圆弧段5b3拼接组成。

可选的，如图12所示，在本实施例中，超声波无线接收装置7包括环绕刀柄本体6设置的接收线圈7a和用于容置接收线圈7a的接收铁氧体7b；接收铁氧体7b的横截面也近似“C”字形，其包括第二底壁7b01以及设于第二底壁7b01两侧边的第二侧壁7b02，第二底壁7b01与第二容纳槽13的槽底面位置对应，第二侧壁7b02与第二容纳槽13的槽侧面位置对应，接收线圈7a设于第二底壁7b01与第二侧壁7b02围成的第二沟槽内。

进一步的，如图12和图13所示，为了使接收线圈7a能够顺利的装入第二沟槽内，接收铁氧体7b也采用分体式结构，其包括沿其轴向前后排布的第二铁氧体前环7b1和第二铁氧体后环7b2，二者拼接组成接收铁氧体7b并共同围成第二沟槽。具体而言，第二铁氧体前环7b1和第二铁氧体后环7b2的横截面均近似“L”字形，其中，第二铁氧体前环7b1由第二底壁7b01的一部分环段和位于其侧边的第二侧壁7b02构成，第二铁氧体后环7b2由第二底壁7b01的另一部分环段和位于其侧边的第二侧壁7b02构成，如此，第二底壁7b01的两部分相对接即可得到完整的接收铁氧体7b。

参见图14，作为本发明实施例提供的超声波主轴100的一种具体实施方式，第一容纳槽401的容积为V立方毫米，发射线圈5a的体积为V₁立方毫米，发射铁氧体5b的体积为V₂立方毫米，且V₂＝V₁K₁，发射线圈5a的匝数为N，组成发射线圈5a的单匝导线的横截面积为S平方毫米，发射架4的内侧面的直径为D₁毫米，第一容纳槽401的槽底面的直径为D₂毫米，则上述参数值满足如下函数关系：

3≤K₁≤9

1<K₂≤4

其中，10≤N≤150，0.02≤S≤2.6。

在此基础上，若第一容纳槽401的容积值V与发射架4的内侧面的直径值D₁还满足如下函数关系：

0.5≤K₃≤1.8

则在相同条件下，超声波无线发射装置5与超声波无线接收装置7内外设置相比于上下设置，能够进一步地提升刀具在工作过程中的最大振幅，增大刀具的振幅调节范围，进而扩大刀具的适用范围，增加可加工材料的种类。更优选的，30≤N≤120。

上述函数关系中，K₁、K₂、K₃均为修正系数。发射架4的内侧面的直径与超声波刀柄200的规格相关，也就是与超声波主轴100的规格相关，不同规格的超声波刀柄200和超声波主轴100，其所配对的发射架4的内侧面的直径不同。发射线圈5a的匝数是指组成其的导线环绕旋转轴的圈数，并且，该导线既可以是单芯线，也可以是多芯线，比如，一匝导线由五根线芯组成。导线的横截面可以是圆形、三角形、矩形等，也可以是其他不规则形状，但无论导线的横截面为何种形状，都可以按照与其等效的圆形来计算横截面积，即，导线的线径为D₃毫米，则有S＝π(D₃/2)²。

为了验证上述参数值满足上述函数关系时，超声波无线发射装置5与超声波无线接收装置7内外设置相比于上下设置，能够提升刀具在工作过程中的最大振幅，研发人员进行了两组测试：第一组测试对象为本发明实施例提供的四种不同规格的超声波主轴100，表1为其刀具的工作状态测试结果；第二组测试对象为现有技术中与第一组测试对象规格相同的超声波主轴100，它们与第一组测试对象的区别在于，它们的超声波无线发射装置5与超声波无线接收装置7上下设置，表2为其刀具的工作状态测试结果。

表1(本发明四种不同规格的超声波主轴的刀具工作状态测试性能表)

表2(现有技术四种不同规格的超声波主轴的刀具工作状态测试性能表)

由表1和表2可知，在相同的测试条件下，本发明实施例提供的超声波主轴100相比于现有技术中采用上下设置的超声波无线发射装置5和超声波无线接收装置7的超声波主轴100，其刀具的最大振幅明显更大，这表明本发明实施例提供的超声波主轴100的性能更好、适用范围更广、可加工材料的种类更多。

需要指出的是，在本发明中，表1和表2中的振幅值为峰-峰值，即，一个周期内振幅的正峰值与负峰值之间的差值。同样的，在申请号为CN202011101613.6和CN202011099850.3的两份中国专利中，表1和表2中的振幅值也为峰-峰值。

可选的，如图14所示，在本实施例中，第一容纳槽401的宽度为L毫米，深度为H毫米，发射架4的前端面与后端面之间的距离为T毫米，内侧面与外侧面之间的距离为M毫米。由于第一容纳槽401的容积影响发射架4的体积，因此，为了确定适当体积的发射架4，L/T＝0.2～0.8，且H/M＝0.2～0.8，此时，发射架4体积适当，既不会影响超声波主轴100的性能，又美观性好。

需要强调的是，上述参数是针对发射架4为圆柱环形体、圆锥环形体时而言的，若发射架4是其他不规则的形状，此时可以将发射架4按近似的圆柱环形体或圆锥环形体来进行上述参数值的测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (23)

1.一种超声波主轴，其特征在于，包括：

主轴壳体；

旋转轴组件，其可转动的穿设于所述主轴壳体内，所述旋转轴组件包括芯轴，所述芯轴的前端面设有安装孔；

前端盖，其设于所述主轴壳体的前端并环绕所述旋转轴组件设置；

发射架，其安装于所述前端盖的前端面并环绕所述旋转轴组件设置，所述发射架的内侧面设有环绕所述旋转轴组件的第一容纳槽；

超声波无线发射装置，其设于所述第一容纳槽内，所述超声波无线发射装置包括环绕所述旋转轴组件设置的发射线圈和用于容置所述发射线圈的发射铁氧体；

所述第一容纳槽的容积为V立方毫米，所述发射线圈的体积为V₁立方毫米，所述发射铁氧体的体积为V₂立方毫米，且V₂＝V₁K₁，所述发射线圈的匝数为N，组成所述发射线圈的单匝导线的横截面积为S平方毫米，所述第一容纳槽所在平面的直径为D₁毫米，所述第一容纳槽的槽底面的直径为D₂毫米，则上述参数值满足如下函数关系：

其中，10≤N≤150，0.02≤S≤2.6，3≤K₁≤9，1<K₂≤4，0.5≤K₃≤1.8，K₁、K₂、K₃为修正系数。

2.根据权利要求1所述的超声波主轴，其特征在于：

30≤N≤120。

3.根据权利要求1所述的超声波主轴，其特征在于：

所述第一容纳槽的宽度为L毫米，所述发射架的前端面与后端面之间的距离为T毫米，L/T＝0.2～0.8。

4.根据权利要求1所述的超声波主轴，其特征在于：

所述第一容纳槽的深度为H毫米，所述发射架的内侧面与外侧面之间的距离为M毫米，H/M＝0.2～0.8。

5.根据权利要求1所述的超声波主轴，其特征在于：

所述主轴壳体具有第一气道，所述前端盖的内侧与所述旋转轴组件的外侧之间设有气腔，且所述前端盖具有连通所述第一气道与所述气腔的第二气道。

6.根据权利要求5所述的超声波主轴，其特征在于：

所述气腔内设有环绕所述旋转轴组件设置的通气环，所述通气环的内侧与所述旋转轴组件的外侧之间设有通气间隙，所述通气环具有连通所述第二气道与所述通气间隙的通气孔。

7.根据权利要求6所述的超声波主轴，其特征在于：

所述通气孔设为多个并沿所述通气环的周向均匀排布。

8.根据权利要求6所述的超声波主轴，其特征在于：

所述发射架的内侧面具有环形凸台，所述环形凸台的后端面与所述通气环的前端面相贴合。

9.根据权利要求1所述的超声波主轴，其特征在于：

所述芯轴的外侧与所述主轴壳体的内侧之间设有轴承，所述旋转轴组件还包括套装于所述芯轴上的内压环，所述内压环从前往后压紧所述轴承的内圈，所述内压环的外周环绕有外压环，所述前端盖从前往后将所述外压环压紧于所述轴承的外圈。

10.根据权利要求9所述的超声波主轴，其特征在于：

所述内压环的外侧面具有环形凸筋，所述环形凸筋设为多个并沿所述内压环的轴向排布。

11.根据权利要求1所述的超声波主轴，其特征在于：

所述发射铁氧体包括第一底壁以及设于所述第一底壁两侧边的第一侧壁，所述第一底壁与所述第一容纳槽的槽底面位置对应，所述第一侧壁与所述第一容纳槽的槽侧面位置对应，所述发射线圈设于所述第一底壁与所述第一侧壁围成的第一沟槽内。

12.根据权利要求11所述的超声波主轴，其特征在于：

所述第一侧壁的厚度为0.5毫米～5毫米。

13.根据权利要求11所述的超声波主轴，其特征在于：

所述发射铁氧体包括沿其轴向前后排布的第一铁氧体前环和第一铁氧体后环，二者拼接组成所述发射铁氧体。

14.根据权利要求11所述的超声波主轴，其特征在于：

所述发射铁氧体包括多个沿其周向排布的铁氧体圆弧段，多个所述铁氧体圆弧段拼接组成所述发射铁氧体。

15.根据权利要求1所述的超声波主轴，其特征在于：

所述发射架包括发射架本体和前盖板，所述发射架本体的后端面与所述前端盖的前端面相贴合，所述前盖板设于所述发射架本体的前端并与所述发射架本体共同围成所述第一容纳槽。

16.一种超声波刀柄，其特征在于，用于与权利要求1-15任一项所述的超声波主轴配合使用，所述超声波刀柄包括：

刀柄本体；

超声波无线接收装置，其套装于所述刀柄本体上，用于配合所述超声波无线发射装置实现超声波无线电能传输。

17.根据权利要求16所述的超声波刀柄，其特征在于：

所述刀柄本体的外侧面具有设于所述超声波无线接收装置前端的支撑部，所述超声波无线接收装置的后端设有套装于所述刀柄本体上的固定环，所述支撑部与所述固定环之间形成与所述第一容纳槽相对设置的第二容纳槽，所述超声波无线接收装置设于所述第二容纳槽内。

18.根据权利要求17所述的超声波刀柄，其特征在于：

所述超声波无线接收装置包括环绕所述刀柄本体设置的接收线圈和用于容置所述接收线圈的接收铁氧体，所述接收铁氧体包括第二底壁以及设于所述第二底壁两侧边的第二侧壁，所述第二底壁与所述第二容纳槽的槽底面位置对应，所述第二侧壁与所述第二容纳槽的槽侧面位置对应，所述接收线圈设于所述第二底壁与所述第二侧壁围成的第二沟槽内。

19.根据权利要求18所述的超声波刀柄，其特征在于：

所述接收铁氧体包括沿其轴向前后排布的第二铁氧体前环和第二铁氧体后环，二者拼接组成所述接收铁氧体。

20.一种超声波加工设备，其特征在于，包括：

权利要求1-15任一项所述的超声波主轴；

权利要求16-19任一项所述的超声波刀柄；

其中，所述刀柄本体的后端插设于所述安装孔内，且所述刀柄本体的外侧与所述发射架的内侧之间形成第一间隙，所述超声波无线接收装置的外侧与所述超声波无线发射装置的内侧之间形成与所述第一间隙相连通的第二间隙。

21.根据权利要求20所述的超声波加工设备，其特征在于：

所述前端盖的内侧与所述旋转轴组件的外侧之间设有与所述第一间隙相连通的气腔，所述主轴壳体具有第一气道，所述前端盖具有连通所述第一气道与所述气腔的第二气道。

22.根据权利要求20所述的超声波加工设备，其特征在于：

所述发射架的内侧面具有环形凸台，所述超声波无线接收装置的后端设有套装于所述刀柄本体上的固定环，所述环形凸台的前端面与所述固定环的后端面之间形成连通所述第一间隙与所述第二间隙的第三间隙。

23.根据权利要求20所述的超声波加工设备，其特征在于：

所述第二间隙的宽度为0.1毫米～2.5毫米。

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