TW201311366A - 超音波加工裝置 - Google Patents

Abstract

一種超音波加工裝置，包含：一個固定單元、一個旋轉單元，及一個振動單元。該固定單元包括一個軸座，及至少一個安裝在該軸座內的碳刷。該旋轉單元包括一個可旋轉地安裝在該軸座內的套筒。該振動單元包括一個安裝在該套筒內的連接座、一個安裝在該連接座內的超音波頭，及一個安裝在該連接座上且電連接該碳刷的導電環，該超音波頭具有一個縮束的小徑段，該導電環套置是對應位在該小徑段外圍且轉動接觸該碳刷，以通電使該超音波頭產生振動。上述設計可縮小該導電環的直徑，減少與碳刷間的磨損，以延長使用壽命。

Description

超音波加工裝置

本發明是有關於一種加工裝置，特別是指一種具有超音波振動功能之超音波加工裝置。

一種已知的超音波加工(Ultrasonic Machining，USM)，是將超音波振動單元安裝在旋轉主軸上，使得超音波所產生的振動傳遞到刀具上，讓刀具兼具有高速旋轉及超音波振動等功能，可用以進行各種研磨或切削加工，而且特別適用於硬脆材料的精密加工。

參閱圖1，為美國第US 5,140,773號專利所公開之一種已知的超音波加工裝置1，包含：一個固定單元11、一個可轉動地安裝在該固定單元11中的旋轉單元12，及一個安裝在該旋轉單元12中且能產生振動的超音波頭13。

該固定單元11包括一個中空且安裝在一加工機械(圖未示)上的外殼111、一個安裝在該外殼111底部且中空的軸座112，及兩個分別安裝在該軸座112內的碳刷113。該軸座112具有一個頂底連通的通槽114。所述碳刷113位於該通槽114內，且電連接一電源。

該旋轉單元12包括一個中空且可旋轉地軸向安裝在該外殼111中的主軸121、一個安裝在該主軸121底部的套筒122、一個套置在該套筒122外圍的絕緣體123，及兩個上下間隔地安裝在該絕緣體123外圍且電連接該碳刷113的導電環124。該套筒122具有一個安裝在該主軸121底部的銜接段125、一個由該銜接段125往下伸入該軸座112之通槽114內且供該絕緣體123套置的容裝段126，及一個由底側中央往上凹陷的容槽127。

該超音波頭13安裝於該旋轉單元12之套筒122內，且隨著該套筒122一起旋轉，並包括一個安裝在該套筒122之容槽127內且往下突伸出軸座112的振動本體131，及數個安裝在該振動本體131上且電連接該導電環124的壓電晶體132。該振動本體131之縮束底部用於供一支刀具14安裝。

使用時，該主軸121被一個馬達(圖未示)驅動，而帶動該套筒122、該絕緣體123及該導電環124，並連動該超音波頭13及刀具14一起快速旋轉。同時電源供電至所述碳刷113，經轉動中之導電環124接觸所述碳刷113，而將電能導引至所述壓電晶體132，令該振動本體131及刀具14產生超音波振動。

雖然，上述超音波加工裝置1以電刷113做為電源接點，用於電連接高速旋轉的導電環124，然而由於該導電環124是設置在該套筒122上，而非直接安裝在外徑小於該套筒122之超音波頭13上，導致該導電環124之直徑很大，故在轉動接觸所述碳刷113時，容易加速磨損所述碳刷113，不但會影響導電良率，更會造成碳刷113的使用壽命大幅降低。而為了避免碳刷113所受到的磨損過劇，便須限制主軸121的轉動速度，使得主軸121的轉動不能太快，如此一來，不僅該超音波加工裝置1的加工功能受到影響，且其亦無法使用於高速加工機械中，使用範圍也會受到限制。

再者，該超音波頭13在高速旋轉及超音波振動下，所述壓電晶體132容易生熱而使溫度升高，此時不但會使該超音波頭13之導電振動性能及振動頻率受到影響，構件易受熱變形，加工精度與加工效果不佳。

此外，欲組裝或更換刀具14時，需要將該軸座112、該套筒122連同該超音波頭13一起拆下，然而由於碳刷113連接有導線，並無法完全脫離加工機械，而且受限於導線長度，所以拆卸該軸座112、該套筒122及該超音波頭13時，亦僅能在加工機械處組裝或更換刀具14，因此該超音波加工裝置1在組裝及拆卸上較不容易。

因此，本發明之目的，即在提供一種減少導電環與碳刷間之磨損，用以延長使用壽命的超音波加工裝置。

於是，本發明超音波加工裝置，包含：一個固定單元、一個旋轉單元，及一個振動單元。該固定單元包括一個中空的軸座，及至少一個安裝在該軸座內且能接電導通的碳刷。該旋轉單元可轉動地安裝在該固定單元中，並包括一個可旋轉地安裝在該軸座內且中空的套筒。該振動單元安裝於該旋轉單元且隨其一起旋轉，並包括一個安裝在該套筒內且中空的連接座、一個安裝在該連接座內的超音波頭，及一個安裝在該連接座上且電連接該碳刷的導電環，該超音波頭具有一個大徑段，及一個由該大徑段往下縮束延伸的小徑段，該導電環是對應位在該小徑段外圍且轉動接觸該碳刷，將該碳刷輸出之電流導引至該超音波頭，令該超音波頭產生振動。

本發明之功效在於：令該導電環對應位在該超音波頭之小徑段外圍，故可減少導電環與碳刷間之磨損，用以延長使用壽命。

而本發明之另一目的，即在提供一種具有冷卻及潤滑效果的超音波加工裝置。

本發明所述超音波加工裝置，該超音波頭具有一個軸向安裝在該連接座內且往下突伸的振動本體，及數個安裝在該振動本體上且電連接該導電環的壓電晶體，該振動本體具有一個軸向通過所述壓電晶體且供冷卻液體流通的冷卻通道。

本發明之另一功效在於：在該超音波頭中設置通過所述壓電晶體的冷卻通道，並讓冷卻液體通過該冷卻通道，可降低該振動單元的溫度，以提升加工精度與加工效果。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖2、圖3與圖4，本發明超音波加工裝置之較佳實施例，包含：一個固定單元2、一個可轉動地安裝在該固定單元2中的旋轉單元3、一個固定安裝於該旋轉單元3且隨其一起旋轉的振動單元4，及一個固定安裝在該固定單元2之一側且鄰近於該振動單元4的接線單元5。

該固定單元2包括一個中空的軸座21，及一個安裝在該軸座21內且能接電導通的碳刷22。該軸座21具有一個連通至頂面的上通槽211，及一個由該上通槽211連通至底面且直徑小於該上通槽211的下通槽212。該碳刷22具有兩個相對設置在該下通槽212之兩側且彼此電連接的凸點部221，及一條電連接凸點部221且向外延伸的導線222。該碳刷22之構造及導電設計為一般技術，且該固定單元2還包括其他構造，例如一個設置在該軸座21上方且固定不動地安裝在一台加工機械上的外殼(圖未示)，以及一些安裝在該軸座21及外殼內的軸承(圖未示)，惟其並非本發明重點，所以在此不再詳細說明。

該旋轉單元3包括一個可旋轉地安裝在該軸座21之上通槽211內且往上縮束延伸的套筒31，該套筒31界定出一個連通至底側的容槽311，及一個由該容槽311連通至頂側的通槽312。當然，在實施上該旋轉單元3還包括其他構造，例如一個安裝在該套筒31上方的主軸(圖未示)，且該主軸可被驅動而帶動該套筒31在該固定單元2中高速旋轉，惟其並非本發明重點，所以在此不再詳細說明。

該振動單元4包括一個安裝在該套筒31內且中空的連接座41、一個安裝在該連接座41內且底部用於供一支刀具(圖未示)安裝的超音波頭42，及一個安裝在該連接座42上且電連接該碳刷22的導電環43。該導電環43位在該碳刷22之所述凸點部221間，可被帶動而轉動接觸所述凸點部221，將該碳刷22輸出之電流導引至該超音波頭42，令該超音波頭42產生振動，由於該碳刷22電連接該導電環43，並控制該超音波頭42之電壓與頻率為一般技術，所以在此不再說明。此外，容后再說明該連接座41與超音波頭42的構造。

該接線單元5包括一個第一接線座51、一個固定安裝於該軸座21之旁側且對應位在該第一接線座51下方的第二接線座52、一個安裝於該第一接線座51底部的第一電極53、一條電連接該第一電極53的電線54，及一個安裝於該第二接線座52頂部且電連接碳刷22之導線222的第二電極55。本實施例之第一接線座51是固定安裝於該加工機械或該固定單元2上，並具有一個由第一電極53連通至一外側且供電線54穿伸通過以電連接至一電源(圖未示)的第一通道511。該第二接線座52具有一個由第二電極55連通至該軸座21且供該導線222穿伸通過的第二通道521。本實施例之第二電極55與第一電極53為接觸式導電連接，能將電源之電力供應至碳刷22，當然在實施上亦可以採用非接觸式導電連接，例如利用電磁感應通電，在此不再說明。

參閱圖2、圖3與圖5，進一步來看本實施例振動單元4的構造，該連接座41具有一個中空且安裝在該套筒31之容槽311內的上環圈411、一個由該上環圈411周緣往下縮束延伸且伸入該軸座21之下通槽212內的下環圈412，及一個螺接於該下環圈412外圍且供該導電環43套置安裝的絕緣體413。本實施例之上環圈411與該下環圈412是藉由數支螺絲組接結合，當然在實施上也可以是一體成型。該絕緣體413是由塑膠或電木製成，可用以隔絕該導電環43與該下環圈412，避免導電環43之電能經下環圈412向外導引洩漏。

該超音波頭42具有一個軸向安裝在該連接座41之上環圈411與下環圈412內的振動本體421，及數個安裝在該振動本體421上且電連接該導電環43的壓電晶體422。另由外觀看該超音波頭42整體，可將該超音波頭42區分成一個位在上方且對應設置有壓電晶體422的大徑段423，及一個由該大徑段423往下縮束延伸且對應位在壓電晶體422下方的小徑段424。所以該大徑段423是對應安裝在該連接座41之上環圈411內，且該小徑段424是對應安裝在該下環圈412內且往下突伸，使得該導電環43對應位在該小徑段424外圍。

再者，該振動本體421具有一個軸向通過所述壓電晶體422的冷卻通道425，該冷卻通道425連通該容槽311，使用時將冷卻液體經該套筒31之通槽312灌入該容槽311內，再流入該冷卻通道425並往下洩出，可用以冷卻壓電晶體422所產生的熱，藉以降低溫度，當然實施上亦可以在該冷卻通道425上連接一條管路(圖未示)，以供冷卻液體直接流入，在此不再說明。

此外，該振動單元4還包括一圈填置在該連接座41之上環圈411與該超音波頭42之振動本體421間的封膠體44，可用以定位該超音波頭42，並避免液體或塵埃等外物進入，干擾該振動本體421與壓電晶體422。由於該超音波頭42可為任何能產生高頻振動之機構，且其構造及作動原理為一般技術，所以在此不再說明。

使用時，該旋轉單元3被驅動，而令該套筒31帶動該振動單元4及刀具一起快速旋轉，同時電源供電至該碳刷22，經轉動中之導電環43接觸該碳刷22，而將電能導引至所述壓電晶體422，使該振動本體421產生軸向微小高頻之振動，再利用該振動本體421將高頻率的振動波傳送到該刀具，使得刀具執行旋轉及振動運動，可接觸一個工件(圖未示)表面以進行加工。

綜上所述，本發明超音波加工裝置在設計上，是令該導電環43對應位在該超音波頭42之小徑段424外圍，所以可大幅縮小該導電環43之直徑，故在轉動接觸該碳刷22時，不但可減少碳刷的磨耗，維持導電良率，更能延長使用壽命，相對降低加工成本。而由於碳刷22所受到的磨損減少，所以能相對增加該旋轉單元3的轉動速度，以進一步提高該超音波加工裝置的加工功能，並能使用於高速加工機械中，擴大使用範圍。

再者，本發明超音波加工裝置，還在該超音波頭42內軸向貫設有通過壓電晶體422的冷卻通道425，可供冷卻液體通過並往下流至刀具，如此一來，不但可藉由冷卻液體帶走該振動單元4及刀具的熱量，避免該振動單元4之導電振動性能及振動頻率受到影響，且該冷卻液體還可以成為潤滑劑，能用以降低刀具與工件的摩擦，排屑效果更好，可提升加工精度與加工效果，並能增加加工速度，相對減少動力成本，故確實能達成本發明之目的。

此外，本發明超音波加工裝置更藉由該接線單元5的設計，將連接碳刷22與電源之線路截斷分成導線222與電線54，且於導線222與電線54之相鄰端緣，分別安裝有第二電極55與第一電極53，可彼此接觸以電連接供電，亦可相互分離以斷路不供電。故當欲組裝刀具時，只要將該軸座21、該套筒31及振動單元4一起組裝至加工機械預定處，該第二接線座52即會隨同該軸座21，對應鄰接至該第一接線座51，並讓第二電極55接觸第一電極53，以連接供電。而當欲拆卸或更換刀具時，也只要將該軸座21、該套筒31、該振動單元4及該第二接線座52，一起拆離加工機械即可，被拆離移位的第二接線座52與固定不動的第一接線座51間，並不會有相連接的線路，因此在組裝或拆換上皆相當方便容易。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2．．．固定單元

21．．．軸座

211．．．上通槽

212．．．下通槽

22．．．碳刷

221．．．凸點部

222．．．導線

3．．．旋轉單元

31．．．套筒

311．．．容槽

312．．．通槽

4．．．振動單元

41．．．連接座

411．．．上環圈

412．．．下環圈

413．．．絕緣體

42．．．超音波頭

421．．．振動本體

422．．．壓電晶體

423．．．大徑段

424．．．小徑段

425．．．冷卻通道

43．．．導電環

44．．．封膠體

5．．．接線單元

51．．．第一接線座

511．．．第一通道

52．．．第二接線座

521．．．第二通道

53．．．第一電極

54．．．電線

55．．．第二電極

圖1是美國第US 5,140,773號專利的一部份剖視示意圖；

圖2是本發明超音波加工裝置的一較佳實施例的一立體分解圖；

圖3是該較佳實施例的一部份側視剖視示意圖；

圖4是該較佳實施例之一部份仰視剖視示意圖；及

圖5是該較佳實施例之一部份剖視示意圖，說明一個超音波頭的構造。

2．．．固定單元

21．．．軸座

211．．．上通槽

212．．．下通槽

22．．．碳刷

221．．．凸點部

222．．．導線

3．．．旋轉單元

31．．．套筒

311．．．容槽

312．．．通槽

4．．．振動單元

41．．．連接座

42．．．超音波頭

425．．．冷卻通道

43．．．導電環

5．．．接線單元

51．．．第一接線座

511．．．第一通道

52．．．第二接線座

521．．．第二通道

53．．．第一電極

54．．．電線

55．．．第二電極

Claims (6)

1. 一種超音波加工裝置，包含：一個固定單元，包括一個中空的軸座，及至少一個安裝在該軸座內且能接電導通的碳刷；一個旋轉單元，可轉動地安裝在該固定單元中，並包括一個可旋轉地安裝在該軸座內且中空的套筒；及一個振動單元，安裝於該旋轉單元且隨其一起旋轉，並包括一個安裝在該套筒內且中空的連接座、一個安裝在該連接座內的超音波頭，及一個安裝在該連接座上且電連接該碳刷的導電環，該超音波頭具有一個大徑段，及一個由該大徑段往下縮束延伸的小徑段，該導電環是對應位在該小徑段外圍且轉動接觸於該碳刷，將該碳刷輸出之電流導引至該超音波頭，令該超音波頭產生振動。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之超音波加工裝置，其中，該超音波頭還具有一個軸向安裝在該連接座內且往下突伸的振動本體，及數個安裝在該振動本體上且電連接該導電環的壓電晶體，該振動本體具有一個軸向通過所述壓電晶體且供冷卻液體流通的冷卻通道。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之超音波加工裝置，還包含一個固定安裝在該固定單元的接線單元，該接線單元包括一個第一接線座、一個固定安裝於該固定單元且對應位在該第一接線座下方的第二接線座、一個安裝於該第一接線座底部的第一電極、一條用於電連接該第一電極與一電源的電線，及一個安裝於該第二接線座頂部且電連接該碳刷之一導線的第二電極，該第一接線座具有一個由第一電極連通至一外側且供電線穿伸通過的第一通道，該第二接線座具有一個由第二電極連通至該軸座且供該碳刷之導線穿伸通過的第二通道。
4. 依據申請專利範圍第2項所述之超音波加工裝置，其中，該連接座具有一個設置在該超音波頭之小徑段與該導電環之間的絕緣體，且該超音波頭之壓電晶體是對應位於該大徑段。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之超音波加工裝置，其中，該連接座還具有一個中空且套置在該超音波頭之大徑段外圍的上環圈，及一個由該上環圈周緣往下縮束延伸且套置在該超音波頭之小徑段外圍的下環圈，該絕緣體是螺接於該下環圈外圍且供該導電環套置安裝。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之超音波加工裝置，其中，該軸座具有一個連通至頂面的上通槽，及一個由該上通槽連通至底面且直徑小於該上通槽的下通槽，該碳刷位在該下通槽內，該套筒是可旋轉地安裝在該軸座之上通槽內，並具有一個連通至底側的容槽，該連接座之上環圈是安裝在該套筒之容槽內，且該下環圈是伸入該軸座之下通槽內。