CN113102786A - 一种旋转超声加工主轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波加工技术领域，提供了一种旋转超声加工主轴，包括保护装置，及设于保护装置内且能相对于保护装置旋转的超声旋转装置，还包括活动穿设于超声旋转装置上的顶杆，连接顶杆的一端用于驱动顶杆进行轴向往复运动的顶出系统，顶杆的另一端设有用于锁紧和松开外部超声工具头上的超声刀柄的快速换刀装置。本发明克服了现有超声主轴的变幅杆与超声工具头采用螺栓连接限制了超声加工主轴的应用范围的缺陷，本发明能够实现超声刀柄快速更换，操作便捷，很大程度提高了工作效率，同时本发明不只能应用于专用超声加工装置，还能与传统加工机床或者高速精密机床连接，提高了超声制造的应用范围。

Description

一种旋转超声加工主轴

技术领域

本发明涉及超声波加工技术领域，更具体地，涉及一种旋转超声加工主轴。

背景技术

在工业制造过程中，随着新型工程材料、高分子碳纤维材料、高硬质合金材料及陶瓷材料应运而生。就使得对于这些材料的制造需求不断增加，然而这些材料对于传统机械制造方法，包括铣削、车削、钻削、磨削及镗削等加工方式而言，具有加工性能差、加工表面质量低、废品残缺严重等制造缺陷，使得无法达到设计要求。而超声旋转辅助加工是在传统机械加工方式的基础上增加了超声波高频振动，通过超声振动的非接触式高频冲击作用，使得对于硬脆性材料的加工性能有所提高。旋转超声主轴就是一种既能产生旋转切削运动，又能产生高频超声机械振动装置。

一般旋转超声主轴一端与外部超声工具头连接，一端与驱动电机连接。在设计过程中，旋转超声主轴会设计有超声变幅杆及超声换能器，同时还设计有超声供电装置，包括感应供电或直接供电装置。

公开号为CN102101179A的中国专利文献，公开了一种旋转超声主轴，传递轴通过锥面和键槽与内套连接，因此，在传递扭矩的同时保证传递轴与内套的同轴，从而获得更高的加工精度；内套上还设有调整变幅杆与内套的同轴度的螺孔，通过穿过螺孔的调整螺钉调整变幅杆与内套同轴度。但上述方案为了保证超声传递效果，超声变幅杆与工具头采用螺栓连接，这样就使得旋转超声主轴只能应用于专用超声加工装置，降低了超声制造的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服现有超声主轴的变幅杆与外部超声工具头采用螺栓连接时限制了超声加工主轴的应用范围的缺陷，提供一种旋转超声加工主轴。本发明可以与传统加工机床或者高速精密机床连接，实现超声刀柄快速更换。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种旋转超声加工主轴，包括保护装置，及设于保护装置内且能相对于保护装置旋转的超声旋转装置，还包括活动穿设于超声旋转装置上的顶杆，连接顶杆的一端用于驱动顶杆进行轴向往复运动的顶出系统，顶杆的另一端设有用于锁紧和松开外部超声工具头上的超声刀柄的快速换刀装置。

需要说明的是，顶出系统一般可采用驱动气缸，本发明的顶出系统可采用传统加工机床或者高速精密机床的气缸推动顶杆完成快速换刀装置进行更换超声刀柄，采用任意一种或者采用其他驱动气缸均不影响本发明目的的实现。

这样，与传统的超声工具头安装方式不同，传统方法为了保证超声传递效果，外部超声工具头通常会与超声变幅杆通过螺栓连接，本发明通过在顶杆的一端设置有用于锁紧和松开外部超声工具头上的超声刀柄的快速换刀装置，配合顶杆的轴向往复运动可实现对超声工具头的超声刀柄的自动夹持和松开，实现快速换刀；同时采用快速换刀装置进行换刀，使得旋转超声主轴不只能应用于专用超声加工装置，还能与传统加工机床或者高速精密机床连接，提高了超声制造的应用范围。

进一步的，超声旋转装置包括套设于顶杆上与顶杆同轴设置且用于连接外部机床实现高速旋转的传递轴，套设在传递轴上的内套，设于传递轴和内套之间的超声发生装置，连接传递轴且位于传递轴和保护装置之间用于给超声发生装置提供电力的供电装置，内套远离快速换刀装置的一端与传递轴通过键连接。

这样，传递轴通过外部机床驱动传递轴的高速旋转，带动设于内套内也高速旋转，实现超高速旋转切削加工作用，安置于内部的旋转超声发生装置由供电装置供电启动，内套与传递轴之间通过键连接传递扭矩，实现超声波高频振动的加工作用，本发明既能产生旋转切削运动，又能通过超声振动的非接触式高频冲击作用，使得对于硬脆性材料的加工性能有所提高，同时可起到提高精度和效率的作用。

进一步的，超声发生装置包括套设在传递轴靠近快速换刀装置的一端的超声变幅杆，超声变幅杆与内套同轴固定连接，超声变幅杆远离快速换刀装置的一端还连接有超声波换能器；供电装置包括铁氧体，设于铁氧体内部的感应线圈，供电装置与超声波换能器连接。

这样，设置在传递轴上的铁氧体随着传递轴作高速旋转过程中，由于磁感应效应，在铁氧体内部的感应线圈会产生高频电流，高频电流一般可采用线路的方式将电流传递给超声波换能器，起到为超声波换能器供电作用。同时超声波换能器将输入的电功率转换成机械功率即超声波再通过超声变幅杆传递出去，而自身只消耗很少的一部分功率，超声变幅杆把机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上实现聚能，从而实现超声波加工。

进一步的，超声变幅杆与内套通过调节螺栓进行固定。这样，可以通过调节螺栓微调来进一步提高超声变幅杆与内套的同轴度。

进一步的，超声变幅杆上套设有与内套相配合的用于自主对中的带外锥面的凸起法兰，凸起法兰的外锥面抵住内套的内表面。这样，套设在超声变幅杆上的凸起法兰以其锥面地主内套内表面，实现抵接处的自动对中，保证同轴度，避免了在高速旋转和高频振动的工作过程中，由于同轴度不高，而影响了工件的加工精度。

进一步的，保护装置包括外套，外套的一端连接有套设于内套上前端盖，外套的另一端连接有套设于传递轴上的后端盖，内套与外套之间通过轴承连接。这样，保护装置用于将高速旋转和高频振动动作包裹在保护装置内部，一方面起到保护内部超声旋转装置的作用，另一方面保护外部人员因为意外接触超声旋转装置而导致事故的风险。

进一步的，快速换刀装置包括用于与连接超声刀柄的卡接槽，卡接槽的内侧壁上设置有能够伸出内侧壁表面及缩回到内侧壁内部且用于锁紧和松开超声刀柄的活动凸块。这样，当活动凸块凸出于卡接槽的内侧壁表面时，活动凸块夹紧位于卡接槽内部的超声刀柄，当活动凸块缩回卡接槽的内侧壁表面时，活动凸块松开位于卡接槽内部的超声刀柄，实现超声刀柄的脱出。

进一步的，活动凸块包括贯穿卡接槽的侧壁的凸块主体，卡接槽的外侧壁上与凸块主体对应的位置设有限位槽，凸块主体靠近卡接槽外侧壁的一端外壁上设有限位块，限位块置于限位槽中，凸块主体靠近传递轴的一侧连接有伸缩弹簧，伸缩弹簧上固定连接有定位钢球，传递轴靠近定位钢球的内侧壁还设置有用于与定位钢球进行错位配合的内槽。需要说明的是，传递轴上内槽的设置位置不限于定位钢球的所在位置的左侧或者右侧，不影响本发明目的的实现。

这样，在不换刀的工作状态时，定位钢球抵在传递轴的内侧壁，伸缩弹簧被充分压缩，使得伸缩弹簧的顶起凸块主体，使得凸块主体凸出于卡接槽的内侧壁表面，凸块主体紧紧地抵住超声刀柄，达到夹紧超声刀柄的效果；当需要换刀时，顶杆在外部顶出系统的驱动下进行轴向移动，定位钢球逐步被推入/拉入设于传递轴上与定位钢球进行错位配合的内槽，伸缩弹簧逐步复位，并凸块主体逐步松开超声刀柄，使得超声刀柄能够从卡接槽中脱出；此时更换超声工具头，只需要取下被替换的超声工具头，超声工具头的超声刀柄从卡接槽中脱出，由于伸缩弹簧位于内槽中，拥有伸缩余量，在脱出的过程中超声刀柄能够将凸块主体挤压没入卡接槽的内侧壁表面，然后完全脱出；将新的超声工具头的超声刀柄插入卡接槽，顶杆再次在外部顶出系统的驱动下进行轴向移动，定位钢球恢复到与传递轴的内侧壁抵接，伸缩弹簧再次被充分压缩，活动凸块复位，并紧紧地重新锁紧超声刀柄，实现了快速换刀，替代传统换刀方法将外部超声工具头的超声刀柄与超声变幅杆通过螺栓连接，每次更换超声工具头，都需要进行拆卸，重新手动更换的问题，实现快速更换超声工具头，使用便捷且操作效率高。

进一步的，顶杆上远离快速换刀装置的一侧还套设有复位弹簧。这样，当顶杆轴向运动时，复位弹簧处于被拉伸/压缩状态，复位弹簧一方面可以在压缩时起到缓冲的作用，另一方面在拉伸状态时起到复位作用，能够更好的控制顶杆的轴向运动。

进一步的，传递轴远离快速换刀装置的一端设有套设在顶杆上的盖板。这样，盖板用于限制顶杆轴向运动的轴向位移，提高顶杆位移精度，同时提高顶杆的设计合理性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过在顶杆的一端设置有用于锁紧和松开外部超声工具头上的超声刀柄的快速换刀装置，配合顶杆的轴向往复运动可实现对超声工具头的超声刀柄的自动夹持和松开，本发明能够实现快速换刀，减少换刀操作步骤。

(2)本发明与传统外部超声工具头采用螺栓与超声变幅杆进行固定安装的方式不同，通过安装与顶杆上的快速换刀装置进行换刀，使得旋转超声主轴不只能应用于专用超声加工装置，还能与传统加工机床或者高速精密机床连接，提高了超声主轴的应用范围。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图。

图2为本发明中的快速换刀装置的结构示意图。

图3为本发明中的顶杆的结构示意图。

图4为图3从A处看的结构示意图。

图示标记说明如下：

1-传递轴，2-顶杆，3-后端盖，4-外套，5-内套，6-轴承，7-前端盖，8-超声变幅杆，9-超声波换能器，10-铁氧体，11-感应线圈，12-凸起法兰，20-卡接槽，21-伸缩弹簧，22-定位钢球，23-内槽，24-凸块主体，31-复位弹簧，41-盖板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1至图4所示，一种旋转超声加工主轴，包括保护装置，及设于保护装置内且能相对于保护装置旋转的超声旋转装置，还包括活动穿设于超声旋转装置上的顶杆2，连接顶杆2的一端用于驱动顶杆2进行轴向往复运动的驱动气缸，顶杆2的另一端设有用于锁紧和松开外部超声工具头上的超声刀柄的快速换刀装置。

这样，通过在顶杆2的一端设置有用于锁紧和松开外部超声工具头上的超声刀柄的快速换刀装置，配合顶杆2的轴向往复运动可实现对外部超声工具头上的超声刀柄的自动夹持和松开，实现快速换刀；同时采用快速换刀装置进行换刀，使得旋转超声主轴不只能应用于专用超声加工装置，还能与传统加工机床或者高速精密机床连接，提高了超声主轴的应用范围。

如图1所示，超声旋转装置包括套设于顶杆2上与顶杆2同轴设置且用于连接外部机床实现高速旋转的传递轴1，套设在传递轴1上的内套5，设于传递轴1和内套5之间的超声发生装置，连接传递轴1且位于传递轴1和保护装置之间用于给超声发生装置提供电力的供电装置，内套5远离快速换刀装置的一端与传递轴1通过键连接。

这样，传递轴1通过外部机床驱动传递轴1的高速旋转，带动设于内套5内也高速旋转，实现超高速旋转切削加工作用，安置于内部的旋转超声发生装置由供电装置供电启动，内套5与传递轴1之间通过键连接传递扭矩，实现超声波高频振动的加工作用，本实施例既能产生旋转切削运动，又能通过超声振动的非接触式高频冲击作用，使得对于硬脆性材料的加工性能有所提高，同时可起到提高精度和效率的作用。

如图1所示，超声发生装置包括套设在传递轴1靠近快速换刀装置的一端的超声变幅杆8，超声变幅杆8与内套5同轴固定连接，超声变幅杆8远离快速换刀装置的一端还连接有超声波换能器9；供电装置包括铁氧体10，设于铁氧体10内部的感应线圈11，供电装置与超声波换能器9连接。

这样，设置在传递轴1上的铁氧体10随着传递轴1作高速旋转过程中，由于磁感应效应，在铁氧体10内部的感应线圈11会产生高频电流，高频电流采用线路的方式将电流传递给超声波换能器9，起到为超声波换能器9供电作用。同时超声波换能器9将输入的电功率转换成机械功率即超声波再通过超声变幅杆8传递出去，而自身只消耗很少的一部分功率，超声变幅杆8把机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上实现聚能，从而实现超声波加工。

本实施例中，超声变幅杆8与内套5通过调节螺栓进行固定。这样，可以通过调节螺栓微调来进一步提高超声变幅杆8与内套5的同轴度。

如图1所示，超声变幅杆8上套设有与内套5相配合的用于自主对中的带外锥面的凸起法兰12，凸起法兰12的外锥面抵住内套5的内表面。这样，套设在超声变幅杆8上的凸起法兰12以其锥面地主内套5内表面，实现抵接处的自动对中，保证同轴度，避免了在高速旋转和高频振动的工作过程中，由于同轴度不高，而影响了工件的加工精度。

如图1所示，保护装置包括外套4，外套4的一端连接有套设于内套5上前端盖7，外套4的另一端连接有套设于传递轴1上的后端盖3，内套5与外套4之间通过轴承6连接。这样，保护装置用于将高速旋转和高频振动动作包裹在保护装置内部，一方面起到保护内部超声旋转装置的作用，另一方面保护外部人员因为意外接触超声旋转装置而导致事故的风险。

如图1和图2所示，快速换刀装置包括用于与连接超声刀柄的卡接槽20，卡接槽20的内侧壁上设置有能够伸出内侧壁表面及缩回到内侧壁内部且用于锁紧和松开超声刀柄的活动凸块。这样，当活动凸块凸出于卡接槽20的内表面时，活动凸块夹紧位于卡接槽20内部的超声刀柄，当活动凸块没入卡接槽20的内表面时，活动凸块松开位于卡接槽20内部的超声刀柄，实现超声刀柄的脱出。

如图3所示，活动凸块包括贯穿卡接槽20的侧壁的凸块主体24，卡接槽20的外侧壁上与凸块主体24对应的位置设有限位槽，凸块主体24靠近卡接槽20外侧壁的一端外壁上设有限位块，限位块置于限位槽中，凸块主体24靠近传递轴1的一侧连接有伸缩弹簧21，伸缩弹簧21上固定连接有定位钢球22，传递轴1靠近定位钢球22的内侧壁还设置有用于与定位钢球22进行错位配合的内槽23。传递轴1上内槽23的设置位置设置于定位钢球的靠近超声刀柄的一侧。

这样，在不换刀的工作状态时，定位钢球22抵在传递轴1的内侧壁，伸缩弹簧21被充分压缩，使得伸缩弹簧21的顶起凸块主体24，使得凸块主体24凸出于卡接槽20的内侧壁表面，凸块主体24紧紧地抵住超声刀柄，达到夹紧超声刀柄的效果；当需要换刀时，顶杆2在外部顶出系统的驱动下进行轴向移动，定位钢球22逐步被推入/拉入设于传递轴1上与定位钢球22进行错位配合的内槽23，伸缩弹簧21逐步复位，并凸块主体24逐步松开超声刀柄，使得超声刀柄能够从卡接槽20中脱出；此时更换超声工具头，只需要取下被替换的超声工具头，超声工具头的超声刀柄从卡接槽20中脱出，由于伸缩弹簧21位于内槽23中，拥有伸缩余量，在脱出的过程中超声刀柄能够将凸块主体24挤压没入卡接槽20的内侧壁表面，然后完全脱出；将新的超声工具头的超声刀柄插入卡接槽20，顶杆2再次在外部顶出系统的驱动下进行轴向移动，定位钢球22恢复到与传递轴1的内侧壁抵接，伸缩弹簧21再次被充分压缩，活动凸块24复位，并紧紧地重新锁紧超声刀柄，实现了快速换刀，替代传统换刀方法将超声工具头的超声刀柄与超声变幅杆通过螺栓连接，每次更换超声工具头，都需要进行拆卸，重新手动更换的问题，实现快速更换超声工具头，使用便捷且操作效率高。

本实施例中，顶杆2上远离快速换刀装置的一侧还套设有复位弹簧31。

如图1所示，传递轴1远离快速换刀装置的一端设有套设在顶杆2上的盖板41。这样，盖板41用于限制顶杆2轴向运动的轴向位移，提高顶杆2位移精度，同时提高顶杆2的设计合理性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋转超声加工主轴，包括保护装置，及设于所述保护装置内且能相对于所述保护装置旋转的超声旋转装置，其特征在于，还包括活动穿设于所述超声旋转装置上的顶杆(2)，连接所述顶杆(2)的一端用于驱动所述顶杆(2)进行轴向往复运动的顶出系统，所述顶杆(2)的另一端设有用于锁紧和松开外部超声工具头上的超声刀柄的快速换刀装置。

2.根据权利要求1所述的旋转超声加工主轴，其特征在于，所述超声旋转装置包括套设于所述顶杆(2)上与所述顶杆(2)同轴设置且用于连接外部机床实现高速旋转的传递轴(1)，套设在所述传递轴(1)上的内套(5)，设于所述传递轴(1)和所述内套(5)之间的超声发生装置，连接所述传递轴(1)且位于所述传递轴(1)和所述保护装置之间用于给所述超声发生装置提供电力的供电装置，所述内套(5)远离所述快速换刀装置的一端与所述传递轴(1)通过键连接。

3.根据权利要求2所述的旋转超声加工主轴，其特征在于，所述超声发生装置包括套设在所述传递轴(1)靠近所述快速换刀装置的一端的超声变幅杆(8)，所述超声变幅杆(8)与所述内套(5)同轴固定连接，所述超声变幅杆(8)远离所述快速换刀装置的一端还连接有超声波换能器(9)；所述供电装置包括铁氧体(10)，设于所述铁氧体(10)内部的感应线圈(11)，所述供电装置与所述超声波换能器(9)连接。

4.根据权利要求3所述的旋转超声加工主轴，其特征在于，所述超声变幅杆(8)与所述内套(5)通过调节螺栓进行固定。

5.根据权利要求3所述的旋转超声加工主轴，其特征在于，所述超声变幅杆(8)上套设有与所述内套(5)相配合的用于实现内套(5)与超声发生装置自主对中的带外锥面的凸起法兰(12)，所述凸起法兰(12)的外锥面抵住所述内套(5)的内表面。

6.根据权利要求2所述的旋转超声加工主轴，其特征在于，所述保护装置包括外套(4)，所述外套(4)的一端连接有套设于所述内套(5)上前端盖(7)，所述外套(4)的另一端连接有套设于所述传递轴(1)上的后端盖(3)，所述内套(5)与所述外套(4)之间通过轴承(6)连接。

7.根据权利要求2所述的旋转超声加工主轴，其特征在于，所述快速换刀装置包括用于与连接超声刀柄的卡接槽(20)，所述卡接槽(20)的内侧壁上设置有能够伸出内侧壁表面及缩回到内侧壁内部且用于锁紧和松开超声刀柄的活动凸块。

8.根据权利要求7所述的旋转超声加工主轴，其特征在于，所述活动凸块包括贯穿所述卡接槽(20)的侧壁的凸块主体(24)，所述卡接槽(20)的外侧壁上与凸块主体(24)对应的位置设有限位槽，所述凸块主体(24)靠近所述卡接槽(20)外侧壁的一端外壁上设有限位块，所述限位块置于所述限位槽中，所述凸块主体(24)靠近所述传递轴(1)的一侧连接有伸缩弹簧(21)，所述伸缩弹簧(21)上固定连接有定位钢球(22)，所述传递轴(1)靠近所述定位钢球(22)的内侧壁还设置有用于与所述定位钢球(22)进行错位配合的内槽(23)。

9.根据权利要求2所述的旋转超声加工主轴，其特征在于，所述顶杆(2)上远离所述快速换刀装置的一侧还套设有复位弹簧(31)。

10.根据权利要求2所述的旋转超声加工主轴，其特征在于，所述传递轴(1)远离所述快速换刀装置的一端设有套设在所述顶杆(2)上的盖板(41)。

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