CN113458512A - 一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，包括：顶盖、电滑环、推力滑动轴承、超声换能器、套筒、变幅杆；所述电滑环的转子部分与顶盖连接，用于传递主轴旋转运动；所述推力滑动轴承套设于电滑环底部，与电滑环的定子间隙配合，用于承受轴向推力并限制轴向移动；所述超声换能器位于推力滑动轴承的轴承座与套筒前端面之间，用于将超声波发生器输出的超声频振荡信号转换为机械能；所述变幅杆前端在位于电滑环腔体中，后端依次穿过超声换能器、套筒伸出。本发明结合纵向超声振动、水平超声振动及纵扭复合超声振动于一体，可在加工中实现多种超声振动的复合与变换，进一步提升电火花加工效率及精度。

Description

一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴

技术领域

本发明涉及超声电火花复合加工技术领域，具体涉及一种结合纵向、水平及纵扭复合超声振动于一体的多向可调式复合超声辅助电火花主轴。

背景技术

随着航空、航天制造技术的发展，对于各类三维复杂结构和微小尺寸微细孔、轴的制造需求与日俱增，同时，在零件制造精度上提出更高要求。电火花加工作为一种非接触加工方法，在难切削材料加工、精密复杂零件制造中得到了广泛的应用，超声电火花复合加工技术在电火花加工的基础上，利用超声的空化、涡流和泵吸作用，有效加快工作液的冷却和循环，加速极间介质的消电离，明显改善加工环境，提高加工稳定性。

在电火花铣削加工领域，对工具或工件施加水平方向的超声振动可以改善工件表面质量，获得较好的表面粗糙度；对工具或工件施加竖直方向的超声振动可以加快放电通道建立时间，提高加工效率。在电火花微细孔加工领域，给工具或工件叠加纵扭复合的超声振动可以改善工作液循环状态和极间放电状态，提高被加工孔的深径比、加工稳定性、生产率和脉冲电源的利用率，并且在电极旋转的情况下，可以提高孔的尺寸精度。目前，已有的超声辅助电火花主轴基本只可以完成单一形式或者纵扭复合的超声振动，并且将水平超声振动附加于电火花主轴的案例较少，尚未有一种可在电火花加工中叠加多种超声振动的主轴装置。

发明内容

针对上述问题，本申请提供一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，该装置结合纵向超声振动、水平超声振动及纵扭复合超声振动于一体，可在加工中实现多种超声振动的复合与变换，进一步提升电火花加工效率及精度。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，包括：顶盖、电滑环、推力滑动轴承、超声换能器、套筒、变幅杆；所述电滑环的转子部分与顶盖连接，用于传递主轴旋转运动；所述推力滑动轴承套设于电滑环底部，与电滑环的定子间隙配合，用于承受轴向推力并限制轴向移动；所述超声换能器位于推力滑动轴承的轴承座与套筒前端面之间，用于将超声波发生器输出的超声频振荡信号转换为机械能；所述变幅杆前端在位于电滑环腔体中，后端依次穿过超声换能器、套筒伸出。

进一步的，所述套筒的前端面与推力滑动轴承的外壳、轴承座之间通过螺柱连接，套筒的后端面与变幅杆的节圆端面连接。

进一步的，所述顶盖的中部开设有螺旋通孔，装配时使用定位螺柱连接顶盖与变幅杆，定位螺柱在装配完成后拆除，所述螺旋通孔的四周开设有多个沉头孔，使用六角沉头螺钉与3R夹具连接并安装于电火花机床的主轴上，顶盖的螺旋通孔和四个沉头孔的开设用于保证电火花主轴、变幅杆及工具电极的同轴度；顶盖外周使用一字螺钉与电滑环的转子部分相连接。

进一步的，所述超声换能器包括：产生纵向振动的一组圆环压电叠堆、产生水平振动的四组矩形压电叠堆、限位卡盘，其中圆环压电叠堆设于限位卡盘外周的卡台上，四片圆环压电片尺寸相同，同轴排列，相邻两个圆环压电片极性相反安装，向差角为0；其中矩形压电叠堆设于限位卡盘内的限位凹槽处，四组矩形压电叠堆尺寸相同，沿径向绕变幅杆对称分布，每组四个矩形压电片沿径向对齐排列，相邻两个矩形压电片极性相反安装，向差角为0。

进一步的，所述限位卡盘中部设有使变幅杆前段贯穿的正八边形通孔，用于传递扭矩，带动变幅杆旋转；其限位凹槽设于正八边形通孔的两组垂直对边上，用于装设四组矩形压电叠堆。

更进一步的，所述变幅杆为复合型圆锥结构，变幅杆的前端面中央设有螺旋凹孔，装配时使用定位螺柱连接顶盖与变幅杆，定位螺柱在整体装配完成后拆除，用于保证装置的同轴度；变幅杆前段外周具有正八边形棱柱，与限位卡盘的正八边形通孔过渡配合传递扭矩；变幅杆中后段为圆锥结构，圆锥结构外周设有节圆端面，所述节圆端面边缘均匀开设有六个半孔，与套筒的后端面通过六角螺钉连接，限制变幅杆的轴向移动；变幅杆的末端端面中央开设有螺纹凹孔，悬紧装夹机构可固定电极。

更进一步的，所述电滑环的刷丝和超声换能器的压叠堆部分之间设有绝缘层，保证电火花主轴的电可以安全通过本申请超声主轴装置传导到工具电极部分；所述超声换能器的输入端布置于电滑环外壳上，输入端通过导线与外部超声波发生器连接，用于接受超声频振荡信号。

更进一步的，所述超声换能器的压电叠堆的引线布置为：产生水平振动的四组矩形压电叠堆中每组的负极性压电片由引线连接至引脚A，方向相对的两组压电叠堆的正极性压电片由引线分别连接至引脚C和引脚D；产生纵向振动的一组圆环压电叠堆的正极性压电片由引线连接至引脚B，负极性压电片由引线连接至引脚A。

作为更进一步的，所述超声换能器中的限位卡盘与变幅杆之间设有密封圈，用于防止工作液介质渗漏进入主轴装置。

作为更进一步的，所述螺柱使用六角螺母和弹簧垫圈对轴承座和套筒进行固定和防松。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：

1、压电陶瓷叠堆排布合理精巧，超声主轴集成多种超声振动形式于一体，在保证功能的同时减少装置轴向尺寸。通过不同的接线组合，可以实现纵向超声振动、水平超声振动和纵扭复合超声振动，配合电极进给运动可以实现三维椭圆超声振动。

2、采用压电超声换能器，机电转换率高，压电片易于成型加工，性能稳定，价格低廉，便于工业化生产。

3、装置结构简单、操作方便，有效解决了现有超声电火花复合加工装置结构复杂、不易实现的问题，适用于超声电火花复合加工。

4、电滑环在传递主轴旋转运动的同时充分保留主轴的自由度，电滑环上固定的引脚方便对外接线。

5、顶盖可连接3R夹具，保证装置的通用性，通过3R夹具与安装螺栓连接电火花机床的主轴、顶盖与变幅杆及变幅杆底端固连的工具电极装夹装置，有效保证了装置的同轴度。

附图说明

本发明共有附图3幅：

图1为多向可调式复合超声辅助电火花主轴的剖视图；

图2超声换能器压电叠堆布线方式的示意图；

图3位变幅杆的示意图。

图中序号说明：1、顶盖，2、一字螺钉，3、电滑环，4、引脚A，5、引脚B，6、引脚C，7、引脚D，8、推力滑动轴承，9、螺柱，10、六角螺母，11、弹簧垫圈，12、超声换能器，13、圆环压电叠堆，14、矩形压电叠堆，15、限位卡盘，16、密封圈、17、套筒，18、六角螺钉，19、变幅杆。

具体实施方式

本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

如图1-3所示，本实施例提供一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，包括顶盖1、电滑环3、推力滑动轴承8、超声换能器12、套筒17、变幅杆19。所述顶盖1中部开设有螺旋通孔，用于连接电火花机床的旋转主轴；顶盖1底端面与电滑环3连接，传递主轴旋转运动，使用一字螺钉2进行固定；推力滑动轴承8套设于电滑环3底部，用于承受轴向推力并限制轴向移动，其中推力滑动轴承8的外壳与电滑环3的定子间隙配合。超声换能器12的底部为限位卡盘15，产生纵向振动的圆环压电叠堆13固连于限位卡盘外周的卡台上，产生水平振动的矩形压电叠堆14插入卡盘凹槽；超声换能器12的压电叠堆根据振动方式不同进行布线，其中压电叠堆的引脚A4、引脚B5、引脚C6、引脚D7布置于电滑环3外壳上；变幅杆19的正八边形轴段位于限位卡盘15中部的正八边形通孔处，用于传递扭矩，其中轴孔间隙配合；变幅杆19与限位卡盘15间设有密封圈16；变幅杆19底部开设有螺纹凹孔，用于悬紧装夹机构固定电极。套筒17套设于变幅杆19圆锥轴段处，套筒17前端面与限位卡盘15底面接触，套筒17后端面与变幅杆19节圆端面连接，使用六角螺钉18进行固定。超声换能器12安装于推力滑动轴承8与套筒17之间，推力滑动轴承8的外壳、推力滑动轴承8的轴承座与套筒17的前端面通过螺柱9连接，使用六角螺母10和弹簧垫圈11进行固定和防松。

实施例2

本实施例提供一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴的使用方法，其包括纵向超声振动、纵扭复合超声振动、水平超声振动和三维椭圆超声振动。

1、纵向超声振动：超声电源的正极与引脚B连接，超声电源的负极与引脚A连接，通过调整超声波参数，实现纵向超声振动辅助电火花加工。

2、纵扭复合超声振动：超声电源的正极与引脚B连接，超声电源的负极与引脚A连接，通过调整超声波参数，加工时主轴旋转，实现纵扭复合超声振动辅助电火花加工。

3、水平超声振动：超声电源的负极与引脚A连接，超声电源的正极与引脚C或引脚D连接，通过调整超声电源的超声波参数，实现水平单向超声振动辅助电火花加工；超声电源1、2的负极与引脚A连接，超声电源1的正极和引脚C连接，超声电源2的正极和引脚D连接，通过调整两个超声电源超声波参数，实现水平椭圆超声振动辅助电火花加工。

4、三维椭圆超声振动：超声电源1、2的负极与引脚A连接，超声电源1的正极与引脚B连接，超声电源2的正极与引脚C或D连接，通过调整两个超声电源的超声波参数，铣削加工时配合主轴进给运动，实现三维椭圆超声振动辅助电火花加工。

为方便描述，上述例子最多使用两个超声发生器，实际操作时将超声换能器的引脚与同一超声发生器上的不同接口相连，调整参数即可实现功能。以上所述，仅为本发明较佳的振动方式，其余振动方式可根据具体加工需要进行连接和调整。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，其特征在于，包括：顶盖、电滑环、推力滑动轴承、超声换能器、套筒、变幅杆；所述电滑环的转子部分与顶盖连接，用于传递主轴旋转运动；所述推力滑动轴承套设于电滑环底部，与电滑环的定子间隙配合，用于承受轴向推力并限制轴向移动；所述超声换能器位于推力滑动轴承的轴承座与套筒前端面之间，用于将超声波发生器输出的超声频振荡信号转换为机械能；所述变幅杆前端在位于电滑环腔体中，后端依次穿过超声换能器、套筒伸出。

2.根据权利要求1所述一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，其特征在于，所述套筒的前端面与推力滑动轴承的外壳、轴承座之间通过螺柱连接，套筒的后端面与变幅杆的节圆端面连接。

3.根据权利要求1所述一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，其特征在于，所述顶盖的中部开设有螺旋通孔，装配时使用定位螺柱连接顶盖与变幅杆，定位螺柱在装配完成后拆除，所述螺旋通孔的四周开设有多个沉头孔，使用六角沉头螺钉与3R夹具连接并安装于电火花机床的主轴上；顶盖外周使用一字螺钉与电滑环的转子部分相连接。

4.根据权利要求1所述一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，其特征在于，所述超声换能器包括：产生纵向振动的一组圆环压电叠堆、产生水平振动的四组矩形压电叠堆、限位卡盘，其中圆环压电叠堆设于限位卡盘外周的卡台上，四片圆环压电片尺寸相同，同轴排列，相邻两个圆环压电片极性相反安装，向差角为0；其中矩形压电叠堆设于限位卡盘内的限位凹槽处，四组矩形压电叠堆尺寸相同，沿径向绕变幅杆对称分布，每组四个矩形压电片沿径向对齐排列，相邻两个矩形压电片极性相反安装，向差角为0。

5.根据权利要求4所述一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，其特征在于，所述限位卡盘中部设有使变幅杆前段贯穿的正八边形通孔，用于传递扭矩，带动变幅杆旋转；其限位凹槽设于正八边形通孔的两组垂直对边上，用于装设四组矩形压电叠堆。

6.根据权利要求1所述一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，其特征在于，所述变幅杆为复合型圆锥结构，变幅杆的前端面中央设有螺旋凹孔；变幅杆前段外周具有正八边形棱柱，与限位卡盘的正八边形通孔过渡配合传递扭矩；变幅杆中后段为圆锥结构，圆锥结构外周设有节圆端面，所述节圆端面边缘均匀开设有半孔，与套筒的后端面通过六角螺钉连接，限制变幅杆的轴向移动；变幅杆的末端端面中央开设有螺纹凹孔，用于悬紧装夹机构固定电极。

7.根据权利要求1所述一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，其特征在于，所述电滑环的刷丝和超声换能器的压叠堆部分之间设有绝缘层；所述超声换能器的输入端布置于电滑环外壳上，输入端通过导线与外部超声波发生器连接，用于接受超声频振荡信号。

8.根据权利要求7所述一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，其特征在于，产生水平振动的四组矩形压电叠堆中每组的负极性压电片由引线连接至引脚A，方向相对的两组压电叠堆的正极性压电片由引线分别连接至引脚C和引脚D；产生纵向振动的一组圆环压电叠堆的正极性压电片由引线连接至引脚B，负极性压电片由引线连接至引脚A。

9.根据权利要求4所述一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，其特征在于，所述超声换能器中的限位卡盘与变幅杆之间设有密封圈。

10.根据权利要求2所述一种多向可调式复合超声辅助电火花主轴，其特征在于，所述螺柱使用六角螺母和弹簧垫圈对轴承座和套筒进行固定和防松。

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