CN210172556U - 一种复合材料超声波切割主轴 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种复合材料超声波切割主轴，所述复合材料超声波切割主轴包括超声振动总成和伺服电机，超声振动总成包括压电换能器和超声波变幅杆，超声振动总成和轴芯通过螺钉固定连接构成轴芯体总成，轴芯体总成与主轴外壳轴承装配连接构成主轴，轴芯左端的长杆部分还设有集电环和联轴器，主轴的长杆轴套端部通过联轴器与伺服电机连接，集电环通过超声电线连接压电换能器和超声发生器；超声振动总成的超声波变幅杆末端连接有超声刀具。本实用新型得到的切割主轴具有结构简单，体积小、耗能低、效率高、噪声低等优点，在超声作用下，能对航天、航空、汽车、船舶等复合材料的复杂外型面进行加工，市场前景良好。

Description

一种复合材料超声波切割主轴

技术领域

本实用新型涉及复合材料切割加工技术领域，具体涉及一种结构简单、切割效率及精确度高的复合材料超声波切割主轴。

背景技术

利用超声振动的能量对材料进行切割的理念，在国外很早就得到了重视。但直到上世纪90年代，国外公司才将这一概念实际应用于航空材料加工领域，开始对多种复合材料进行超声切割。

近年来，欧美一些国家通过研究和实践，表明超声切割技术的切割质量优异，具有无毛刺、无刀具磨损、无炭化材料、侧向切割力小、加工速度快、加工精度高、无粉尘污染、可切割凯夫拉和UD纤维等优势，在国内外已得到重视和广泛应用超声波加工机床来完成复合材料复杂型面的加工任务。

不同于传统的高速铣钻工艺，超声切割技术的核心是超声切割头，其基本原理是利用一个电子超声发生器，先产生频率在20～30kHz范围内的超声波，然后通过置于超声切割头内的超声－机械转换器，将原本振幅和能量都很小的超声振动转换成同频率的机械振动，再通过共振放大，得到足够大的、可以满足切割工件要求的振幅和能量，最后将这部分能量传导至超声切割头顶端的刀具上，对上述复合材料进行切割加工。

现有的超声波切割主轴设计还是沿用传统的金属切削加工主轴方式，或如GFM公司的电主轴结构，主轴下方有个锥形面与压电换能器和超声波变幅杆的总成节点处的法兰处锥面配合装配。这种超声波切割电主轴具有旋转、转向和向超声振动总成的换能器供电功能，主轴下端可安装超声振动总成，超声波变幅杆下方再通过螺纹连接各类规格和类型的超声专用刀具。这种主轴多轴结构繁杂、对制造精度要求高，生产成本高，制造周期长等缺点。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种复合材料超声波切割主轴。

所述的一种复合材料超声波切割主轴，具有由超声振动总成提供的超声振动功能和由伺服电机提供的主轴运动功能，其特征在于超声振动总成包括压电换能器和超声波变幅杆，超声振动总成和轴芯通过螺钉固定连接构成轴芯体总成，轴芯右端设有空腔，空腔用于放置压电换能器，压电换能器上的超声电线一端连接超声波变幅杆，另一端从轴芯的中心通孔中穿过，从槽孔中穿出连接外部的超声发生器；轴芯体总成与主轴外壳通过第一轴承和第二轴承装配连接构成主轴，主轴外壳上连接有主轴端盖，伺服电机配合设置在主轴外壳左侧，轴芯左端的长杆部分还设有集电环和联轴器，主轴的长杆轴套端部通过联轴器与伺服电机连接，集电环通过超声电线连接压电换能器和超声发生器；所述超声振动总成的超声波变幅杆末端连接有超声刀具。

所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于所述轴芯长杆上开设有穿线套孔，穿线套孔为L形结构，用于安装超声电线；轴芯体总成中的压电换能器、超声波变幅杆和轴芯装配后整体加工，保证轴芯组成的同心度及主轴整体同心度和径向跳动的精度，起到提高主轴同心作用。

所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于超声波变幅杆与主轴轴芯连接后由第一螺栓加固。

所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于伺服电机采用功率小于等于1KW的伺服电机。

所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于

超声波变幅杆右端端面与超声刀具的连接上圆盘面大小相同。

所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于所述超声波变幅杆末端开设有内螺纹孔，超声刀具设置在超声波变幅杆末端，并由刀具螺钉拧入螺纹孔固定。

所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于主轴轴芯长杆的左端开设有工艺中心孔。

所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于所述超声刀具为超声圆形刀、超声尖形刀或碟形圆形刀。

所述超声波切割主轴的操作方法，其特征在于包括如下步骤：

将压电换能器和超声波变幅杆通过高强度螺栓固定在一起，成为超声振动总成；

将压电换能器置于轴芯一端的空腔内，超声振动总成与轴芯通过第一螺钉固定，装配成一个轴芯体总成；该组成经过轴芯长杆处打中心孔和超声波变幅杆螺纹孔处中心孔固定有机床进行车削磨削加工，达到要求的加工精度。

通过采用上述技术，本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果：

1）本实用新型通过将超声振动总成和主轴轴芯组装后一整体后再加工，通过车削、磨削来保证加工精度，与传统金属切削加工相比，其切削力小、切削温度底，能让装备设计更为轻量化，可减少重量30～80%，从而减少传统超声振动总成和主轴轴芯通过锥面连接设计和制造过程带来的误差，不仅能灵活地解决主轴制造精度的方便控制、制造周期短、成本低，而且在体积小、配置灵活多变，能有效解决传统金属材料加工机床无法解决许多蜂窝类复合材料零件的加工问题，而且本实用新型的主轴结构简单，且具有对制造精度要求低、生产成本下降、制造周期短等优点；能选择性地安装传统机床上，或装配在工业机器人上,替代五、六轴的CNC加工机床,可大大提高加工范围、加工效率，其加工效率提高1倍以上；节省机床采购成本，使超声波振动切割主轴将会在复合材料加工领域得到广泛的应用，能更有效、更精确地用于加工高端汽车、高铁、兵器、航空、航天、船舶等制造领域所需要的广泛应用的复合材料，如各种蜂窝材料、各类泡沫和玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、预浸纤维等复合材料；

2）本实用新型的超声振动总成通过轴承组合将轴芯外表面与主轴外壳体实现可旋转连接，超声振动总成右端能通过螺纹结构与各种类型和规格的超声专用刀具连接，其使用灵活性强；

3）本实用新型的超声振动总成，将超声波变幅杆、压电换能器和轴芯装配一体后加工，保证轴芯的同心度，从而保证了主轴整体的同心度和径向跳动的精度；且超声波切割主轴通过超声波换能器总成实现刀具的高频机械振动，并通过伺服电机带动旋转，在超低转速下就可以实现蜂窝材料的大余量切割工序及曲面外形的无粉尘高效率加工，并通过对超声波换能器总成的位置和超声波变幅杆结构的改进，避免高频振动时与接触面发生抵触引起的发热，完全自主研发的超声波主轴系统，适用于机床和机器人的运动控制平面，相比国外的主轴制造难度下降，成本也相对应减小，它具有同心度好、重量轻、结构简单、制造方便，突破了传统复合材料超声波切割主轴部件复杂程度的限制，进一步拓展了超声波切割技术的应用范围；

4）本实用新型超声波切割主轴中的伺服电机采用市面上常规的外挂小伺服电机，相比电主轴上定子、转子自主设计、制造与装配，降低了制造难度、生产成本和方便维护，质量更为可靠，且成本低，也无需考虑解决电主轴发热的冷却系统。

附图说明

图1 为超声振动总成放大结构示意图；

图２为声学振动头与主轴轴芯一体化设计的组件示意图；

图3 为本实用新型实施例中带有碟形圆形刀片的超声波切割主轴示意图；

图4 为超声波切割尖形刀结构示意图；

图5为第一种超声波切割圆形刀结构示意图；

图6为第二种超声波切割圆形刀结构示意图；

图7为安装超声切割主轴的机器人示意图。

图8为超声尖形刀切割工艺示意图；

图9为超声圆形刀切割工艺示意图；

图中：1-压电换能器，101-超声电线，2-高强度螺栓，3-超声波变幅杆，4-超声振动总成，5-第一固定螺钉，6-轴芯，601-工艺中心孔，7-伺服电机，8-联轴器，9-主轴外壳，10-辅助轴承，11-集电环，12-第一轴承，13-第二轴承，14-主轴端盖，15-轴芯体总成，16-刀具专用固定螺钉，17-超声圆形刀，18-超声尖形刀，18Ｌ-左偏转30度角姿态，18Ｒ-右偏转30度角姿态，19-碟形圆形刀，20-机器人，21-机器人手腕末端法兰处过渡连接件，22-主轴总成，23－超声刀具，24-工件，25-加工轨迹线，26-切屑面，27-加工完的工件表面。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本实用新型进一步说明，本实用新型的保护范围并不仅限于此：

首先说明，在本说明书中提到或者可能提到的左、右、前、后等方位用语是相对于本实用新型附图1-2中所示的构造进行定义的，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。

如图1-9所示，本实用新型的一种复合材料超声波切割主轴，包括超声振动总成４功能和伺服电机7提供主轴运动功能。

如图1所示，本实用新型的超声振动总成４由压电换能器1和超声波变幅杆3通过螺栓2固定连接组成；如图2所示，所述的超声振动总成４和轴芯6通过第一螺钉5固定组成轴芯体总成15；如图3所示，轴芯体总成15与主轴外壳9通过第一轴承12和第二轴承13装配一起，主轴外壳9上连接有主轴端盖14并由螺钉固定，主轴外壳9左侧设有伺服电机7，所述超声振动总成4的超声波变幅杆3右端端部开设有内螺纹孔，超声刀具23安装在超声波变幅杆3右端端部并由螺钉16拧入内螺纹孔固定，本实用新型的超声刀具23可以是各种不同的形状，本实用新型实施例中给出三种形状的刀具，包括如图5所示的超声圆形刀17、图4所示的超声尖形刀18或图6所示的碟形圆形刀19。

如图所示，本实用新型的轴芯6右端设有空腔，空腔用于放置压电换能器1，压电换能器1上的超声电线101一端连接超声波变幅杆3，另一端从轴芯的中心通孔中穿过，从槽孔中穿出连接外部的电源，由电源给超声波变幅杆3供电，用于超声刀具23工作；轴芯体总成15与主轴外壳9通过第一轴承12和第二轴承13装配连接，构成主轴；主轴外壳9上连接有主轴端盖14，伺服电机7配合设置在主轴外壳9左侧，轴芯6左端的长杆部分设有集电环11和联轴器8，为了将集电环11和联轴器8分隔开，本实用新型在长杆中间安装一个辅助轴承10，辅助轴承10安装在集电环11和联轴器8之间，主轴的轴套端部通过联轴器8与伺服电机7连接；轴芯6长杆上开设有穿线套孔，穿线套孔为L形结构，用于安装超声电线101；轴芯体总成15中的压电换能器1、超声波变幅杆3和轴芯6装配后整体加工，主轴轴芯6长杆的左端开设有工艺中心孔601，保证轴芯组成的同心度及主轴整体同心度和径向跳动的精度；起提高主轴同心功能。

本实用新型所用的伺服电机7采用功率小于等于1KW的伺服电机。

如图所示，本实用新型的装配过程如下：

1)压电换能器１和超声波变幅杆3通过高强度螺栓2固定在一个组装件,即超声振动总成４；

2）轴芯6一端设有一空腔，另一端设有长杆，空腔用于放置压电换能器1，超声振动总成４与轴芯6通过第一螺钉5固定，该组成经过轴芯长杆左端部的工艺中心孔601和超声波变幅杆3的内螺纹孔处中心孔固定在有机床上进行车削磨削加工，达到要求的加工精度；压电换能器1上的超声电线101从轴芯6的中心通孔中穿过，从槽孔中穿出，组装成一个用于整体加工的轴芯体总成15；

3）轴芯6的长杆部分别装联轴器8和集电环11，集电环11一端通过超声电线101一端连接超声振动总成4，另一端通过超声电线101连接外部的超声发生器，为压电换能器1提供超声频率的电源；整体为主轴总成22；

4）在轴芯6右端大颈部分别装配上第一轴承12、第二轴承13，整体装入主轴外壳体9，并在主轴外壳9端部盖上主轴端盖14，通过螺钉固定，在主轴外壳9的另一端安装上伺服电机7；

5）主轴整体装配完成以后，可以在主轴下方的超声振动总4的超声波变幅杆3末端的内螺孔纹孔上，按不同需求安装超声刀具23，如超声圆形刀17（图5所示，用固定螺钉固定）、超声尖形刀18（如图4所示，用外螺纹固定）和碟形圆形刀19（如图6所示，用外螺纹固定）；

6）对超声主轴进行声学频率调试；符合规定的频率的超声系统为合格；

本实用新型可以根据待加工工件（本实用新型实施例中的待加工工件为蜂窝材料的工件）型面的形状选择刀具类型，比如对于凹形表面尤其是曲率较大凹面，精加工时应选用刀片尺寸较小的刀具，以得到较好的表面质量和形状精度，但粗加工时可以适当刀具直径，对于有利加工效率。

如对于尖形刀来说，此时需要采用尖形刀方位调整装置对尖形刀方位进行检测和调整（如采用对刀仪），尖形刀切割方向为尖形刀的刀刃与轨迹线的法向一致；一般尖形刀用于复合材料制品的切边或切割，也用于挖去多余毛坯材料，它在垂直方向做V形运动，将大片的毛坯料切开，并在毛坯了上切出工件的型面。

圆形刀是用于铣削，即用于处理尖形刀切割后在工件表面留下的锯齿痕，最终将工件表面按照工艺要求修整成所需的平面或曲面。

实施例1 本实施例中的待切割的工件24为蜂窝材料工件

超声切割的机器人20通过更换不同刀具类型主轴，来切割蜂窝材料的工件24，见图7，方法如下：

1. 将本实用新型的主轴总成22，先在主轴外壳9的圆筒形外和端面固定机器人手腕末端法兰处过渡连接件21，然后通过螺钉固定在机器人20最后关节的手腕末端法兰盘上，具体的安装结构与目前市场挂载加工电主轴的机加工机器人连接方式类似。先采用安装有尖形刀具的主轴；

2. 将待切割的蜂窝材料工件通过双面胶或真空吸附方式固定在机器人20的工作台上或工装夹具上；

3.机器人20控制安装有超声尖形刀18的主轴总成22移动，对刀具进行工具中心点(即Tool Center Piont，简称TCP)校正工作，通过6Ｄ对刀仪（如德国莱尼电缆公司产），通过对刀仪上的激光束，对尖形刀刀刃正转一圈和反转一圈的差值计算刀刃偏置角度，和对刀尖上下运动，分别得到TCP值（x,y,z,Ｒx,Ｒy,Ｒz）。并通过机器人TCP中读出的Ｒz值赋入到机器人计算机辅助制软件CAM中原始刀刃方向与Ｘ轴方向的偏转角度值，得出刀刃角度纠正误差；

4.机器人20通过CNC编程产生运动规迹，将用尖形刀的ＴＣＰ点沿等加工轨迹线25，以左偏转30度角姿态18Ｌ切割，然后仍然沿相当的加工轨迹线25，再右偏转30度角姿态18Ｒ切割，即对蜂窝材料工件24采用“V”型切割方式切割，见图8；其切割速度15m/min，分层切割，完成蜂窝工件的粗加工,将尖形刀主轴放回预先的主轴位置上；

5.机器人再通过切换主轴方式，从超声圆形刀17或碟形圆形刀19停靠站抓取主轴总成22；

6. 机器人20将圆形刀主轴移动，对刀具进行超声圆形刀17或碟形圆形刀19的TCP校正工作；校正完毕后，机器人回到指定位置。

7. 机器人通过加工程序，将用圆形刀对蜂窝复合材料工件精加工切割，见图9，切割速度15m/min，完成蜂窝材料工件的精加工；

8.依次对工件24进行超声波切割，直到全部切削掉工件24的加工轨迹线25处凸起锯齿痕，达到加工完的工件表面27为止，即见图9所示；

9.用酒精、丙酮等有机溶剂溶解双面胶，将工件24从工作台工装上取下。

实施例2：

超声切割机器人的切割加工方法如下：

1. 将尖形刀主轴固定在机器人法兰上；

2. 将蜂窝材料工件固定在工作台上或工装夹具上；

3. 机器人将尖形刀主轴移动进行对刀做原点校正工作；

4. 机器人通过加工程序，将用尖形刀对复合材料工件上，用来切边、开槽。采用切割方式切割，切割速度15m/min。

Claims (8)

1.一种复合材料超声波切割主轴，具有由超声振动总成（４）提供的超声振动功能和由伺服电机（7）提供的主轴运动功能，其特征在于超声振动总成（４）包括压电换能器（1）和超声波变幅杆（3），超声振动总成（４）和轴芯（6）通过螺钉固定连接构成轴芯体总成（15），轴芯（6）右端设有空腔，空腔用于放置压电换能器（1），压电换能器（1）上的超声电线（101）一端连接超声波变幅杆（3），另一端从轴芯的中心通孔中穿过，从槽孔中穿出连接外部的超声发生器；轴芯体总成（15）与主轴外壳（9）通过第一轴承（12）和第二轴承（13）装配连接构成主轴，主轴外壳（9）上连接有主轴端盖（14），伺服电机（7）配合设置在主轴外壳（9）左侧，轴芯（6）左端的长杆部分还设有集电环（11）和联轴器（8），主轴的长杆轴套端部通过联轴器（8）与伺服电机（7）连接，集电环（11）通过超声电线（101）连接压电换能器（1）和超声发生器；所述超声振动总成（4）的超声波变幅杆（3）末端连接有超声刀具（23）。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于所述轴芯（6）长杆上开设有穿线套孔，穿线套孔为L形结构，用于安装超声电线（101）；轴芯体总成（15）中的压电换能器（1）、超声波变幅杆（3）和轴芯（6）装配后整体加工，保证轴芯组成的同心度及主轴整体同心度和径向跳动的精度，起到提高主轴同心作用。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于超声波变幅杆（3）与主轴轴芯（6）连接后由第一螺栓（5）加固。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于伺服电机（7）采用功率小于等于1KW的伺服电机。

5.根据权利要求2所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于

超声波变幅杆（3）右端端面与超声刀具（23）的连接上圆盘面大小相同。

6.根据权利要求1-3任一所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于所述超声波变幅杆（3）末端开设有内螺纹孔，超声刀具（23）设置在超声波变幅杆（3）末端，并由刀具螺钉（16）拧入螺纹孔固定。

7.根据权利要求1-3任一所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于主轴轴芯（6）长杆的左端开设有工艺中心孔（601）。

8.根据权利要求1-3任一所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于所述超声刀具（23）为超声圆形刀（17）、超声尖形刀（18）或碟形圆形刀（19）。

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