CN114918746A - 超声波刀柄及超声波数控机床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波刀柄及超声波数控机床，包括基座、刀柄、刀座、刀头、超声波发生器、磨料输送机构以及压力传感器，基座安装在机床本体上，刀柄可转动地设置在基座上，刀座安装在刀柄上，刀头安装在刀座上，超声波发生器与刀头连接，能够输出振幅为a的超声波，磨料输送机构用于向刀头与加工工件之间输送直径为d的磨料颗粒，压力传感器设置在刀头与刀座之间，用于测量刀头与待加工工件之间产生的静压力F，待加工工件与所述刀头的硬度之比为K1。用户可以根据所加工的工件适当调整不同材质的刀头、振幅a、静压力F以及磨料颗粒的直径d等相关参数，以同时保证超声波刀柄的加工效率和使用寿命。

Description

超声波刀柄及超声波数控机床

技术领域

本发明涉及数控机床的技术领域，尤其涉及一种超声波刀柄及超声波数控机床。

背景技术

超声辅助加工作为加工难加工材料的一种有效的复合加工方法，在航空航天、精密仪器、光学零件、微细零件、脆性材料、精密模具等领域得到了广泛的应用。其中，超声刀柄的供电方式主要包括接触式滑环供电方式和非接触式滑环供电方式，其中接触式滑环供电方式中滑环转速受限，使得采用接触式滑环供电方式的超声刀柄不适用于转速超过万转的高速旋转加工，而非接触式滑环供电方式的超声刀柄解决了转速的限制。

为此，人们进行了不断的研究，并提出如中国专利申请所公开的超声刀柄(申请号：201811151092.8)，该超声刀柄中即披露了采用非接触式滑环供电方式，但是相关技术中采用非接触式滑环供电方式的专利申请中，普遍存在以下几个问题：

1.针对不同待加工工件不能够以正确的加工方式加工，导致加工效率与刀头的使用寿命不能兼顾。

2.为定磁环供电的导线等需要暴露在外，容易造成老化和破裂，导致安全性降低。

3.定磁环与动磁环产生的感应交变磁场不够稳定，导致加工精度降低。

4.定磁环以及动磁环的散热效果不佳，影响寿命以及加工精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安全性能更佳的超声波刀柄及超声波数控机床。

根据本发明的一方面，提供一种超声波刀柄，所述超声波刀柄包括：

基座；

刀柄，所述刀柄可转动地设置在所述基座上；

刀座，所述刀座安装在所述刀柄上；

刀头，所述刀头安装在所述刀座上；

超声波发生器，所述超声波发生器与所述刀头连接，能够输出振幅为a的超声波，

磨料输送机构，所述磨料输送机构用于向所述刀头与加工工件之间输送直径为d的磨料颗粒，

以及

压力传感器，所述压力传感器设置在所述刀头与所述刀座之间，用于测量所述刀头与待加工工件之间产生的静压力F；

其中，a/d的值设定为0.6-0.8，待加工工件与所述刀头的硬度之比为K1，所述刀头的工件去除率为M，所述刀头的使用寿命为N，在使用所述超声波刀柄时，当K1≥0.05，且K1≤0.8时，满足如下关系：

作为本发明的一个实施例，所述超声波发生器包括：

超声波换能器，所述超声波换能器设置在所述刀座内；

动磁环，所述动磁环安装在所述刀柄或所述刀座上，并与所述超声波换能器电连接；

定磁环，所述定磁环设置在所述基座上，且与所述动磁环对应且间隔设置；

以及

保护罩，所述保护罩形成有密封腔以及与所述密封腔连通的导线管道，所述定磁环设置在所述密封腔内，自所述基座内延伸过来的导线穿过所述导线管道进入所述密封腔并与所述定磁环电连接。

作为本发明的一个实施例，所述动磁环套设于所述刀座上，所述保护罩的一端连接在所述基座上，所述保护罩的另一端与所述动磁环间隔设置，所述保护罩朝向所述刀座的一侧形成有弧形面，所述弧形面与所述刀座间隔设置，所述密封腔形成在所述保护罩的另一端。

作为本发明的一个实施例，所述弧形面环绕所述刀座设置，且所述刀座的 60-120度的圆心角被所述弧形面包绕。

作为本发明的一个实施例，所述刀座上形成有刀槽，所述刀槽位于所述动磁环与所述基座之间。

作为本发明的一个实施例，所述保护罩套设在所述基座上，所述密封腔为环绕所述基座的环形腔，所述动磁环套设在所述刀座上，所述保护罩与所述动磁环间隔设置，所述动磁环为封闭环形，所述动磁环为封闭环形。

作为本发明的一个实施例，所述动磁环与安装在所述密封腔内的所述定磁环之间的距离为0.01-1cm。

作为本发明的一个实施例，所述保护罩的上形成有环绕所述密封腔且与所述密封腔相邻的送水腔，所述保护罩上还形成有与所述送水腔连通的上开口和下开口，所述上开口向所述送水腔内输入水，所述下开口用于将所述送水腔内的水流出，所述基座上形成有过线孔，所述过线孔与所述导线通道连接。

作为本发明的一个实施例，所述基座包括主基体以及一体成型在所述主基体朝向所述刀柄一端的围壁，所述围壁围合形成有用于安装所述刀柄的安装孔，所述刀柄包括安装在所述安装孔内的安装部以及用于固定所述动磁环的装配部，所述装配部上形成有第一穿线孔，所述刀座上形成有第二穿线孔，所述刀座安装在所述刀柄上时，所述第一穿线孔与所述第二穿线孔连通，所述保护罩套设于所述围壁的外壁上。

根据本发明的另一方面，提供一种超声波数控机床，包括如上任一实施例中所述的超声波刀柄。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本实施例中的超声波刀柄，经过实验证明，在使用超声波刀柄时，当K1≥0.05，且K1≤0.8时，满足如下关系：

能够使工件的去除率M在能够满足生产效率的同时，刀头的使用寿命N也在预设的使用时长范围内，从而使得用户可以根据所加工的工件适当调整不同材质的刀头、振幅a、静压力F以及磨料颗粒的直径d等相关参数，以同时保证超声波刀柄的加工效率和使用寿命。

此外，由于导线是自基座内延伸过来并经过导线管道进入密封腔，然后与定磁环电连接，从而可以避免导线暴露在外导致导线被误损，还可以避免导线长时间暴露在外导致的老化、破裂的问题。

此外，由于动磁环为封闭环形，定磁环也为封闭环形，定磁环和动磁环上下对应设置，从而使得定磁环和动磁环之间能够稳定的产生感应交变磁场，则动磁环能够获得稳定的高频电流，从而超声波换能器则能够获得稳定的高频电流，进而使得该超声波刀柄的加工精度更高。另外，本实施例中的刀座无需改动刀槽的位置，即可方便通过换刀机构抓取刀槽，而且，由于没有定磁环、动磁环以及保护罩的干扰，换刀机构可以从任意角度抓取刀槽，使得换刀效率更高。

此外，通过用于向工件上冲洗的水先流向送水腔，然后在经过送水腔流出对工件进行冲洗，不仅可以通过水流将定磁环上产生的热量带走，还可以充分利用该超声波数控机床本身需要使用到的水资源，无需额外加设供水装置，充分降低生产使用成本；此外，当下开口具有多个，且多个下开口环绕基座均匀间隔设置，从而多个下水口流出的水的水压是相同的，从而从不同角度冲向工件的水的水压是相同的，进而不会导致工件不同角度的散热效果不同，即工件各位置能够均匀散热，使得加工出来的工件的质量强度更佳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例所述的超声波数控机床的结构示意图；

图2为本发明一实施例所述的超声波刀柄与换刀机构配合的结构示意图；

图3为本发明一实施例所述的超声波刀柄的结构示意图；

图4为本发明另一实施例所述的超声波刀柄的结构示意图；

图5为图4中的A处的局部放大示意图；

图6为去除率M以及刀具使用寿命N与H值的关系图；

其中：10、机床本体；20、超声波刀柄；30、换刀机构；100、基座；101、过线孔；110、主基体；120、围壁；121、安装孔；200、刀柄；210、安装部； 220、装配部；221、第一穿线孔；300、刀座；301、刀槽；302、第二穿线孔； 400、刀头；500、超声波换能器；600、动磁环；610、定磁体；620、第一壳体； 700、定磁环；710、定磁体；720、第二壳体；800、保护罩；801、密封腔；802、送水腔；803、上开口；804、下开口；900、轴承。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以容许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

请参考图1-图5，本发明一实施例提供了一种主要用于铣削加工的超声波数控机床，本实施例中的超声波数控机床包括机床本体10、安装在机床本体10上的超声波刀柄20以及用于更换刀头400的换刀机构30。

本实施例中的超声波刀柄20包括基座100、刀柄200、刀座300、刀头400、超声波发生器、磨料输送机构以及压力传感器，基座100安装在机床本体10上，刀柄200可转动地设置在基座100上，刀座300安装在刀柄200上，刀头400安装在刀座300上，超声波发生器与刀头400连接，能够输出振幅为a的超声波，磨料输送机构用于向刀头400与加工工件之间输送直径为d的磨料颗粒，压力传感器设置在刀头400与刀座300之间，用于测量刀头400与待加工工件之间产生的静压力F，其中，工件去除率为M正比于

刀头400的使用寿命为 N正比于

a/d的值设定为0.6-0.8，待加工工件与刀头400的硬度之比为K1；在使用超声波刀柄20时，当K1≥0.05，且K1≤0.8时，满足如下关系：

经过实验证明(如下)，在使用超声波刀柄20 时，当满足

时，工件的去除率M在能够满足生产效率的同时，刀头400的使用寿命N也在预设的使用时长范围内，从而使得用户可以根据所加工的工件适当调整不同材质的刀头400、振幅a、静压力F以及磨料颗粒的直径d等相关参数，以保证超声波刀柄20的加工效率和使用寿命。

其中，可通过改变磨料输送机构输送的磨料的材料来改变磨料颗粒的直径d，通常磨料输送机构通过磨料溶液的形式输送至刀头400与工件之间。具体为将磨料放置在水、甘油、汽油、柴油、酒精和甘油等内。常用的磨料为碳化硼、碳化硅、金刚石以及电刚玉等，通常使用的磨料颗粒在10微米以下。优选为磨料放置在水中，且磨料与水的质量比优选为0.2-2。为了便于表述，设定

图6为去除率M以及刀具使用寿命N与H值的关系图，其中横坐标为H值，纵坐标为M和N的值。

以上列表为去除率M以及刀具使用寿命N分别与H值的关系的实验数据。

在一实施例中，超声波发生器包括超声波换能器500、动磁环600以及定磁环700，超声波换能器500设置在刀座300内，超声波换能器500能够驱动刀座 300振动，进而带动刀座300上的刀头400振动，从而通过刀头400加工工件，动磁环600安装在刀柄200或刀座300上，从而动磁环可以同步随着刀柄200或刀座300转动，动磁环600与超声波换能器500电连接，从而可以将动磁环上产生的电能传输至超声波换能器500，从而带动超声波换能器500的工作，定磁环 700设置在基座100上，且与动磁环600对应且间隔设置，从而通过定磁环700 和动磁环600的配合，产生感应交变磁场，进而在动磁环600上产生电流。本实施例中，定磁环700通电，动磁环600随着刀座300或刀柄200转动时，定磁环 700与动磁环600之间产生感应交变磁场，进而动磁环600产生同频段的高频电流，后将电流传导至超声波换能器500，从而产生超声波，带动刀头400振动，进而加工工件。

为了提高该超声波数控机床的智能化，进一步地，刀座300和刀头400可自动更换，具体可通过换刀机构30将刀座300自刀柄200上拆卸下，或者将新的刀座300安装在刀柄200上。

更进一步地，刀座300上形成有供换刀机构30抓取的刀槽301，该刀槽301 优选为环形槽，通常刀槽301为标准的超声波刀柄20上的必要结构特征，本实施例中的刀槽301的相对位置也是按照行业标准设置在刀座300上的，换刀机构 30通过抓取刀槽301，从而将刀座300自刀柄200上取下，或者将刀座300安装在刀柄200上。

为了防止连接定磁环700的导线更快的老化、破裂，请参考图3-图5，在一实施例中，超声波刀柄20还包括保护罩800，保护罩800形成有密封腔801以及与密封腔801连通的导线管道(图中未示出)，定磁环700设置在密封腔801内，自基座100内延伸过来的导线穿过导线管道进入密封腔801并与定磁环700电连接。本实施例中，由于导线是自基座100内延伸过来并经过导线管道进入密封腔 801，然后与定磁环700电连接，从而可以避免导线暴露在外导致导线被误损，还可以避免导线长时间暴露在外导致的老化、破裂的问题。

请参考图3，在一具体的实施例中，动磁环600套设于刀座300上，保护罩 800的一端连接在基座100上，保护罩800的另一端延伸至动磁环600且与动磁环600间隔设置，保护罩800的另一端朝向刀座300的一侧形成有弧形面，弧形面与刀座300间隔设置，密封腔801形成在保护罩800的另一端。由于保护罩800 与刀座300以及动磁环600均是间隔设置，从而不会影响刀座300的正常转动。

优选地，保护罩800的一端一体成型在基座100上，进而提高该保护罩800 的密封性能。当然，在一些实施例中，保护罩800的一端卡设在基座100上或通过螺栓固定在基座100上。

进一步地，弧形面环绕刀座300设置，且刀座300的60-120度的圆心角被弧形面包绕。由于刀座300的60-120度的圆心角被弧形面包绕，从而可以保证定磁环700与动磁环600之间能够产生感应交变磁场。

进一步地，刀槽301位于动磁环600与基座100之间。本实施例中，由于刀座300的60-120度的圆心角被弧形面包绕，从而还有至少240度的圆心角供换刀机构30抓取，从而该保护罩800不会影响到换刀机构30抓取刀座300，换刀机构30能够在刀座300上刀槽301位置不变的情况下正常更换刀座300。

为了进一步提高定磁环700与动磁环600之间能够产生感应交变磁场的稳定性，请参考图4以及图5，在另一具体的实施例中，保护罩800套设在基座100 上，密封腔801为环绕基座100的环形腔，动磁环600套设在刀柄200上，保护罩800与动磁环600间隔设置，动磁环600为封闭环形，动磁环600为封闭环形。本实施例中，由于动磁环600为封闭环形，定磁环700也为封闭环形，定磁环700 和动磁环600上下对应设置，从而使得定磁环700和动磁环600之间能够稳定的产生感应交变磁场，则动磁环600能够获得稳定的高频电流，从而超声波换能器 500则能够获得稳定的高频电流，进而使得该超声波刀柄20的加工精度更高。另外，由于动磁环600套设在刀柄200上，动磁环600位于在刀槽301的上方，且保护罩800是套设在基座100上并未延伸至刀座300处，从而本实施例中的刀座 300无需改动刀槽301的位置(与上面实施例中刀槽301位置相同)，由于没有定磁环700、动磁环600以及保护罩800的干扰，可以方便的通过换刀机构30 抓取刀槽301，而且，换刀机构30可以从任意角度抓取刀槽301(比如刀槽301 为环形槽时)，使得换刀效率更高。需要说明的是，本实施例与上述实施例保护罩800以及动磁环600的安装位置存在区别，相应的定磁环700也随着保护罩800的安装位置发生了改变，其它结构均是与上述实施例相同的。

优选地，动磁环600与安装在密封腔801内的定磁环700之间的距离为 0.01-1cm。当动磁环600与定磁环700之间的距离为0.01-1cm时，能够保证定磁环700和动磁环600之间稳定的产生感应交变磁场，尤其是动磁环600与定磁环700之间的间距在0.03-0.1cm时，定磁环700和动磁环600之间产生的感应交变磁场的稳定性最佳。

具体地，动磁环600包括动磁体610、环绕动磁体610的第一绕组(图中未示出)以及收容动磁体610以及第一绕组的第一壳体620，定磁环700包括定磁体710、环绕定磁体710的第二绕组(图中未示出)，其中定磁体710和第二绕组收容于保护罩800内，当然，在一些实施例中，也可以是将定磁体710和第二绕组收容于第二壳体720后再安装在保护罩800内。

由于数控机床在加工工件时需要通过水流对工件进行冲洗，本实施例中的超声波数控机床还包括送水机构(图中未示出)，送水机构用于向刀头400加工的工件上冲水。

由于刀头400以及刀座300在使用过程中需要以非常高的速度转动，进而导致定磁环700和动磁环600会产生较大的热量，如果散热不佳，可能导致定磁环700和动磁环600的使用寿命降低，在一具体的实施例中，保护罩800的上形成有环绕密封腔801且与密封腔801相邻的送水腔802，保护罩800上还形成有与送水腔802连通的上开口803和下开口804，上开口803向送水腔802内输入水，下开口804用于将送水腔802内的水流出。本实施例中，由于定磁环700设置在密封腔801内，送水腔802环绕密封腔801设置，通过用于向工件上冲洗的水先流向送水腔802，然后在经过送水腔802流出对工件进行冲洗，不仅可以通过水流将定磁环700上产生的热量带走，还可以充分利用该超声波数控机床本身需要使用到的稀释磨料的水资源，无需额外加设供水装置，充分降低生产使用成本，需要说明的是，用于稀释磨料的水可以通过外界导入。

优选地，下开口804具有多个，多个下开口804环绕基座100均匀间隔设置，多个下开口804分别连接有导流管，导流管指向加工工件，由于多个下开口804 均是连接送水腔802，从而多个下水口流出的水的水压是相同的，从而从不同角度冲向工件的水的水压是相同的，进而不会导致工件不同角度的散热效果不同，即工件各位置能够均匀散热，使得加工出来的工件的质量强度更佳。

优选地，基座100上形成有过线孔101，过线孔101与导线通道连接。用于与定磁环700连通的导线穿过机床本体10后并依次穿过过线孔101和导线通道后进入密封腔801与定磁环700电连接，从而使得导线能够避免暴露在外，提高了导线的使用寿命，且提高了使用安全性能。

在一具体的实施例中，基座100包括主基体110以及一体成型在主基体110 朝向刀柄200一端的围壁120，围壁120围合形成有用于安装刀柄200的安装孔 121，刀柄200包括安装在安装孔121内的安装部210以及用于固定动磁环600 的装配部220，装配部220上形成有第一穿线孔221，刀座300上形成有第二穿线孔302，刀座300安装在刀柄200上时，第一穿线孔221与第二穿线孔302连通，保护罩800套设于围壁120的外壁上。导线穿过第一穿线孔221和第二穿线孔302将超声波换能器500与动磁环600电连接，从而可以将定磁环700上的电量传输至超声波换能器500上，通过安装孔121可以将刀柄200转动安装在基座100上，优选为通过轴承900安装在安装孔121内，进而可以保证安装部210相对围壁120正常流畅的转动。另外，通过保护罩800罩设在围壁120的外壁上，还可以提高围壁120固定安装部210的强度，从而可以使得围壁120的厚度更薄，从而节约成本和降低该基座100的体积。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及 /或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种超声波刀柄，其特征在于，所述超声波刀柄包括：

基座；

刀柄，所述刀柄可转动地设置在所述基座上；

刀座，所述刀座安装在所述刀柄上；

刀头，所述刀头安装在所述刀座上；

超声波发生器，所述超声波发生器与所述刀头连接，能够输出振幅为a的超声波，

磨料输送机构，所述磨料输送机构用于向所述刀头与加工工件之间输送直径为d的磨料颗粒，

以及

压力传感器，所述压力传感器设置在所述刀头与所述刀座之间，用于测量所述刀头与待加工工件之间产生的静压力F；

其中，a/d的值设定为0.6-0.8，待加工工件与所述刀头的硬度之比为K1，所述刀头的工件去除率为M，所述刀头的使用寿命为N，在使用所述超声波刀柄时，当K1≥0.05，且K1≤0.8时，满足如下关系：

2.根据权利要求1所述的超声波刀柄，其特征在于，所述超声波发生器包括：

超声波换能器，所述超声波换能器设置在所述刀座内；

动磁环，所述动磁环安装在所述刀柄或所述刀座上，并与所述超声波换能器电连接；

定磁环，所述定磁环设置在所述基座上，且与所述动磁环对应且间隔设置；以及

保护罩，所述保护罩形成有密封腔以及与所述密封腔连通的导线管道，所述定磁环设置在所述密封腔内，自所述基座内延伸过来的导线穿过所述导线管道进入所述密封腔并与所述定磁环电连接。

3.根据权利要求2所述的超声波刀柄，其特征在于，所述动磁环套设于所述刀座上，所述保护罩的一端连接在所述基座上，所述保护罩的另一端与所述动磁环间隔设置，所述保护罩朝向所述刀座的一侧形成有弧形面，所述弧形面与所述刀座间隔设置，所述密封腔形成在所述保护罩的另一端。

4.根据权利要求3所述的超声波刀柄，其特征在于，所述弧形面环绕所述刀座设置，且所述刀座的60-120度的圆心角被所述弧形面包绕。

5.根据权利要求4所述的超声波刀柄，其特征在于，所述刀座上形成有刀槽，所述刀槽位于所述动磁环与所述基座之间。

6.根据权利要求2所述的超声波刀柄，其特征在于，所述保护罩套设在所述基座上，所述密封腔为环绕所述基座的环形腔，所述动磁环套设在所述刀座上，所述保护罩与所述动磁环间隔设置，所述动磁环为封闭环形。

7.根据权利要求2所述的超声波刀柄，其特征在于，所述动磁环与安装在所述密封腔内的所述定磁环之间的距离为0.01-1cm。

8.根据权利要求7所述的超声波刀柄，其特征在于，所述保护罩上形成有环绕所述密封腔且与所述密封腔相邻的送水腔，所述保护罩上还形成有与所述送水腔连通的上开口和下开口，所述上开口向所述送水腔内输入水，所述下开口用于将所述送水腔内的水流出，所述基座上形成有过线孔，所述过线孔与所述导线通道连接。

9.根据权利要求2所述的超声波刀柄，其特征在于，所述基座包括主基体以及一体成型在所述主基体朝向所述刀柄一端的围壁，所述围壁围合形成有用于安装所述刀柄的安装孔，所述刀柄包括安装在所述安装孔内的安装部以及用于固定所述动磁环的装配部，所述装配部上形成有第一穿线孔，所述刀座上形成有第二穿线孔，所述刀座安装在所述刀柄上时，所述第一穿线孔与所述第二穿线孔连通，所述保护罩套设于所述围壁的外壁上。

10.一种超声波数控机床，其特征在于，包括如上权利要求1-9中任一项所述的超声波刀柄。

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