TWI408025B - 同軸驅動超音波主軸 - Google Patents

Description

同軸驅動超音波主軸

本發明係關於一種加工機之加工主軸；尤指一種將驅動馬達與具有超音波振盪器之加工主軸，設置位於同一軸線，藉以改善習知供加工主軸升降的導螺桿之軸線與供加工主軸轉動的驅動馬達之軸線，因不位於同一軸線，而在傳動加工主軸升降時所產生的扭矩問題，進而可提升加工機之加工精度的同軸驅動超音波主軸。

請參閱第四圖，為一般鑽、銑床之加工機(8)的主軸升降結構之簡易示意圖，其主要係於一C型機座(80)之機台立柱(800)上，設有一主軸升降馬達(81)，所述主軸升降馬達(81)係向下伸設有一導螺桿(82)，導螺桿(82)上係結合一機台頭部(83)，令機台頭部(83)可呈軸向上、下移動。又，機台頭部(83)上設有一加工機主軸(9)，所述加工機主軸(9)包含有一軸套(90)與一軸桿(91)，軸桿(91)係利用軸承(92)而樞設於軸套(90)內部，所述軸套(90)係固接在機台頭部(83)上，可隨著機台頭部(83)為主軸升降馬達(81)所帶動，而相對於機座(80)上、下滑移，加工機主軸(9)末端則設有一用以裝設刀具的夾頭(93)。機台頭部(83)異於導螺桿(82)之另一端，設有一驅動馬達(84)，用以驅動軸套(90)內的軸桿(91)旋轉，進而帶動刀具之夾頭(93)旋轉，以達切削之目的。

惟前述結構實施時，實存在有極大的缺失：

一、由於前述主軸升降馬達(81)與導螺桿(82)、驅動馬達(85)與軸桿(91)之軸線，並不位於同一直線上，而是存在有一間距，因此，在主軸升降馬達(81)致動導螺桿(82)軸轉，並帶動設有加工機主軸(9)之機台頭部(83)升降作動時，由於機台頭部(83)本體重量頗重，雖與機台立柱(800)採用硬軌配合，惟在機台頭部(83)升降過程中，依然會因而產生扭矩問題，使加工機主軸(9)作精密加工過程，易產生加工誤差；此外，受到長期扭矩偏擺應力作用，容易造成加工機主軸(9)的磨損，嚴重影響其使用壽命及後續加工精度。

二、由於前述結構包含主軸升降馬達(81)與導螺桿(82)、驅動馬達(85)與軸桿(91)等，因此無法縮小結合加工機主軸(9)後的整體空間，無形中限制了空間運用之靈活性。

再者，近年來，隨著機械、電氣通信機器、醫療機器等不斷追求其零組件的輕量化與高性能化，金屬或非金屬材料的加工產品倍增，特別是在如陶瓷、石英、玻璃、晶圓或硬脆性材料，此外，鑑於現今對待加工件的加工精度、加工成本等的要求愈加嚴格，加工形狀亦趨向複雜，因此傳統的加工機結構已無法有效應用所述高精度的加工製程。

有鑑於此，本發明之主要目的，乃在提供一種同軸驅動超音波主軸，能夠有效消除加工主軸升降時的扭距問題，進而提升加工精密度，可據以應用於硬脆性材料的輕切削加工作業。

本發明之另一目的，乃在提供一種同軸驅動超音波主軸，可使加工主軸輕量化，並且縮小其組裝空間，進而達到降低成本之功效。

爰是，本發明所述同軸驅動超音波主軸，係在加工機的加工機座上，固設一加工主軸，於加工主軸上方設有一座體，座體上方設有一驅動馬達，所述驅動馬達係連結有一向下伸設的導螺桿，其特徵在：所述加工主軸包含一套管與一設於套管內部的軸管，套管頂端設有一軸蓋，軸蓋中央固接有一可供導螺桿穿設螺合的螺套，藉由導螺桿與螺套間的螺合作用，令驅動馬達可帶動加工主軸直接產生軸向之升、降效果；所述套管之內側壁面固設有定子，所述軸管之外緣表面固設有與定子相對的轉子，藉由定子激磁轉子，以帶動軸管相對於套管而樞轉；所述軸管內部預設有一超音波振盪器，所述超音波振盪器底端接設一增幅器，所述增幅器底面開設有用以裝設刀具的接合槽；所述軸管底端固接有一定位套，藉由定位套抵固增幅器，再以一壓蓋鎖固至定位套上，以定位增幅器與超音波振盪器。

據此結構設計，由於驅動馬達、導螺桿與加工主軸位於同一軸線，由驅動馬達連結之導螺桿直接帶動加工主軸形成升、降之軸向位移效果，因此能夠減少不必要的組件，俾大幅縮小加工主軸組裝後的空間；同時，本發明可克服習知加工主軸升降產生的扭距問題，從而可利用超音波振盪器與增幅器配合刀具進行加工，大幅提升加工精度。

為使　貴審查委員能對本發明之構造特徵與功效有更進一步的瞭解與認同，茲列舉以下較佳實施例，並配合圖式說明如后。

請參閱第一圖與第二圖，係揭示本發明較佳實施例的剖面示意圖，以及顯示各組件間的相關位置與組成態樣；其中，第一圖係揭示較佳實施例之加工主軸相對於座體而上移的示意圖；第二圖係揭示較佳實施例之加工主軸相對於座體而下移的示意圖。

如圖所示，本發明所述同軸驅動超音波主軸，主要係在加工機的加工機座(A)上，固設一加工主軸(1)，所述加工主軸(1)具有一套管(10)與一軸管(11)，所述軸管(11)係藉由設於套管(10)內側二端的第一軸承(13)與第二軸承(14)而樞設於套管(10)內部，套管(10)頂端並設有一軸蓋(12)，軸蓋(12)中央鎖設有一螺套(120)。於加工主軸(1)上方，係設有一座體(2)，座體(2)上方設有一驅動馬達(3)，所述驅動馬達(3)之驅動軸(30)係藉由一聯軸器(20)以連結一伸設於座體(2)下方的導螺桿(31)，且所述導螺桿(31)係與螺套(120)螺合而延伸至加工主軸(1)之軸管(11)內部。加工主軸(1)末端設置有一刀具(7)。

所述加工主軸(1)係透過至少三支設於加工主軸周圍且接設於座體(2)底面的導引桿(21)，藉其向下穿設軸蓋(12)而固定於加工機座(A)頂面，使加工主軸(1)定位於座體(2)下方，並引導加工主軸之軸向升、降。

據此，藉由導螺桿(31)與螺套(120)間的螺合作用，以及導引桿(21)的引導對位效果，可帶動加工主軸(1)相對於座體(2)而形成軸向之升、降效果，俾能據以調整其末端刀具(7)的切削進給量。

請再參閱第三圖，並配合第一圖與第二圖所示，其中，第三圖係揭示本發明較佳實施例的局部放大圖，其顯示加工主軸內部組件的相關位置與組成態樣。

於所述加工主軸(1)頂端的套管(10)與軸管(11)間，係預設有一容室(100)，於容室(100)中，套管(10)內璧上係固設有定子(40)，軸管(11)外緣表面上則固設有與定子(40)相對的轉子(41)。藉由對定子(40)通電藉以激磁轉子(41)，可令轉子(41)產生樞轉，進而帶動軸管(11)相對於套管(10)而轉動，使加工主軸(1)末端的刀具(7)可進行旋轉切削。

再者，所述軸管(11)上段之內璧係沿軸向開設有二線槽(110)，軸管(11)臨於底端之內壁係設有第一螺紋部(111)，外緣表面則設有第二螺紋部(112)，軸管(11)底端並設置有一定位套(15)，所述定位套(15)的外緣表面，係設有可與第一螺紋部(111)螺合定位的螺接部(150)，臨於螺接部(150)底部係成形有用以抵固軸管(11)底緣的限位突體(151)，定位套(15)頂端內緣係向內延伸出定位突緣(152)，底端內緣則係開設有止擋凹槽(153)，止擋凹槽(153)壁面與外緣表面分別開設有導流槽(154)，二導流槽(154)間設有貫穿內外兩側表面的導流孔(155)。軸管(11)底端外部並設置有一鎖固套(18)，所述鎖固套(18)內緣設有螺接部(180)，可與軸管(11)之第二螺紋部(112)螺合，進而抵固加工主軸(1)之第二軸承(14)。

於軸管(11)內部預設位置，係設置有一超音波振盪器(5)，所述超音波振盪器(5)上設有二電極端子(50)，其分別以導線(51)穿過線槽(110)，並經由一迴轉接頭(52)而連接至供電端，以驅使超音波振盪器(5)產生高頻率共振作用。超音波振盪器(5)底端則接設有一增幅器(6)，所述增幅器(6)具有一柱狀本體，其外徑表面上係成形有第一突環(60)與位於第一突環(60)之下的第二突環(61)，增幅器(6)底面則開設有一用以裝設刀具(7)的接合槽(62)；又，所述第二突環(61)係開設有由外緣表面呈徑向延伸至內部且連通接合槽(62)的導水孔(63)。

另外，於加工主軸(1)末端係設置有環狀的定位件(17)，用以抵固及定位套管(10)、軸管(11)與定位套(15)，所述定位件(17)包含有相互疊置鎖設的第一定位塊(170)、第二定位塊(171)與第三定位塊(172)。

所述第一定位塊(170)頂面內側係延伸形成一凸環(1700)，第一定位塊(170)係置於套管(10)末端，並以其凸環(1700)頂抵在第二軸承(14)底側，進而將軸管(11)限制在套管(10)內旋動；所述第二定位塊(171)係置於第一定位塊(170)底端，第三定位塊(172)則再置於第二定位塊(171)底端，所述第一定位塊(170)、第二定位塊(171)及第三定位塊(172)係以螺栓(圖中未示)穿置並螺接在套管(10)底端。其中，第三定位塊(172)的內緣係開設有一可連通定位套(15)導流孔(155)的導水槽道(173)，第三定位塊(172)上並開設有呈徑向貫穿第三定位塊(172)且連通導水槽道(173)的進水口(174)；第二定位塊(171)內緣係開設有一上氣流導槽(175)，所述上氣流導槽(175)並連通於一呈徑向貫穿第二定位塊(171)的氣流引道(176)；第三定位塊(172)在內緣臨於第二定位塊(171)的預設位置，開設有一下氣流導槽(177)，第三定位塊(172)亦設有一呈徑向貫穿第三定位塊(172)且連通於下氣流導槽(177)的抽氣口(178)，所述抽氣口(178)係連接至一外部的抽氣裝置，藉以抽取由加工主軸(1)組合間隙處滲入加工主軸(1)內部的水氣或塵汙，以保護內部相關組件與軸承構件；第二定位塊(171)與第三定位塊(172)間，嵌設有環型之防塵片(179)。

組設時，利用定位套(15)之螺接部(150)螺設於軸管(11)之第一螺紋部(111)，俾將定位套(15)定位於軸管(11)底端，並以定位套(15)的定位突緣(152)抵固增幅器(6)的第一突環(60)，以定位套(15)的止擋凹槽(153)止擋定位套(15)的第二突環(61)，使增幅器(6)與超音波振盪器(5)定位於軸管(11)內部，復以鎖固套(18)之螺接部(180)螺設於軸管(11)之第二螺紋部(112)，以抵固套管(10)與軸管(11)之間的第二軸承(14)，再以螺栓(圖中未示)穿置定位件(17)的第一定位塊(170)、第二定位塊(171)與第三定位塊(172)，將其依序鎖固至套管(10)底端，用以包覆鎖固套(18)，並將軸管(11)限制在套管(10)內旋動，再利用一中心設有可供增幅器(6)穿置之開孔的壓蓋(16)鎖固並貼抵於定位套(15)與增幅器(6)第二突環(61)的底緣，使定位套(15)與裝設有刀具(7)之增幅器(6)得以確實定位於加工主軸(1)末端。

藉由超音波振盪器(5)引起高頻率共振以形成超音波，再利用增幅器(6)將振幅能量傳遞至置於接合槽(62)中的刀具(7)，以實施加工。

其中，為避免組件相互結合時，受到組件成型為直角結構時未能徹底削除而留下之餘料的妨礙，導致結合密合度不足的情形，所述增幅器(6)之第二突環(61)兩側臨於本體外緣處，可分別開設出環形之裕度槽(64)，藉使增幅器(6)第二突環(61)置於定位套(15)的止擋凹槽(153)，及壓蓋(16)貼抵增幅器(6)第二突環(61)底緣時，組件表面可確實相互貼合，俾增加組件間的密合度。

於加工切削時，可由進水口(174)適時導入切削液，令切削液可經由導水孔(63)進入接合槽(62)而添於刀具(7)與待加工件間，俾提高加工切削效果。

又，空氣壓縮機所供給的空氣會經由氣流引道(176)進入定位件(17)內部間隙，而抽氣裝置則會經由抽氣口(178)將定位件(17)內部間隙的空氣抽離，據此一進一抽的動作，俾於定位件(17)內部形成氣密效果，可有效防止加工環境中的水氣、塵汙、切屑經由加工主軸(1)之加工端面組合之間隙而滲入加工主軸(1)中，影響加工主軸(1)的內部結構。

據由前述可知，本發明具有如下之效益：

一、本發明的驅動馬達(3)、導螺桿(31)與加工主軸(1)係設置位於同一軸線上，且加工主軸(1)係由與驅動馬達(3)連結之導螺桿(31)直接帶動而形成上、下之軸向位移效果，因此可克服傳統主軸的扭矩問題，從而大幅提升加工精度。

二、由於驅動馬達(3)、導螺桿(31)與加工主軸(1)係設置位於同一軸線上，因此可減少不必要的組件，簡化加工主軸的組裝難度，使加工主軸(1)更具輕量化與降低成本之功效；同時，可大幅縮小加工主軸(1)組裝後的整體空間，俾增進加工機的空間運用之靈活性。

三、本發明於加工主軸(1)中，設置可帶動加工主軸(1)旋轉的定子(40)與轉子(41)的內藏式馬達，以及可產生高頻率共振作用的超音波振盪器(5)與增幅器(6)；超音波振盪器(5)之振幅能量會經由增幅器(6)而傳遞至置於接合槽(62)中的刀具(7)，俾使加工更為順暢，不僅能大幅縮短加工所需作業時間，並可藉此達到加工的高精度化，可適用於如陶瓷、石英、玻璃、晶圓或硬脆性材料的輕切削加工作業。

四、加工主軸(1)設有連接空氣壓縮機的氣流引道(176)與連接抽氣裝置的抽氣口(178)，藉由氣流引道(176)將空氣導入加工主軸(1)內部間隙以及抽氣裝置將加工主軸(1)內部間隙的空氣抽離的動作，可於加工主軸(1)內部形成氣密效果，俾能防止加工環境中的水氣、塵汙、切屑滲入加工主軸(1)中，影響加工主軸(1)的內部結構。

以上所述說明，僅為本發明的較佳實施方式而已，意在明確本發明的特徵，並非用以限定本發明實施例的範圍，本技術領域內的一般技術人員根據本發明所作的均等變化，以及本領域內技術人員熟知的改變，仍應屬本發明涵蓋的範圍。

本發明：

A．．．加工機座

1．．．加工主軸

10．．．套管

100．．．容室

11．．．軸管

110．．．線槽

111．．．第一螺紋部

112．．．第二螺紋部

12．．．軸蓋

120．．．螺套

13．．．第一軸承

14．．．第二軸承

15．．．定位套

150．．．螺接部

151．．．限位突體

152．．．定位突緣

153．．．止擋凹槽

154．．．導流槽

155．．．導流孔

16．．．壓蓋

17．．．定位件

170．．．第一定位塊

1700．．．凸環

171．．．第二定位塊

172．．．第三定位塊

173．．．導水槽道

174．．．進水口

175．．．上氣流導槽

176．．．氣流引道

177．．．下氣流導槽

178．．．抽氣口

179．．．防塵片

18．．．鎖固套

180．．．螺接部

2．．．座體

20．．．聯軸器

21．．．導引桿

3．．．驅動馬達

30．．．驅動軸

31．．．導螺桿

40．．．定子

41．．．轉子

5．．．超音波振盪器

50．．．電極端子

51．．．導線

52．．．迴轉接頭

6．．．增幅器

60．．．第一突環

61．．．第二突環

62．．．接合槽

63．．．導水孔

64．．．裕度槽

7．．．刀具

習知：

8．．．加工機

80．．．C型機座

800．．．機台立柱

81．．．主軸升降馬達

82．．．導螺桿

83．．．機台頭部

84．．．驅動馬達

9．．．主軸

90．．．軸套

91．．．軸桿

92．．．軸承

93．．．夾頭

第一圖：本發明較佳實施例的剖面示意圖，係揭示加工主軸相對於座體而上移的示意圖。

第二圖：本發明較佳實施例的剖面示意圖，係揭示加工主軸相對於座體而下移的示意圖。

第三圖：本發明較佳實施例的局部放大圖，係揭示加工主軸內部組件的相關位置與組成態樣。

第四圖：習知創作的示意圖。

A．．．加工機座

1．．．加工主軸

10．．．套管

100．．．容室

11．．．軸管

12．．．軸蓋

120．．．螺套

13．．．第一軸承

14．．．第二軸承

15．．．定位套

16．．．壓蓋

2．．．座體

20．．．聯軸器

21．．．導引桿

3．．．驅動馬達

30．．．驅動軸

31．．．導螺桿

40．．．定子

41．．．轉子

5．．．超音波振盪器

52．．．迴轉接頭

6．．．增幅器

7．．．刀具

Claims (12)

1. 一種同軸驅動超音波主軸，係在加工機的加工機座上，固設一加工主軸，於加工主軸上方設有一座體，座體上方設有一驅動馬達，所述驅動馬達係連結有一向下伸設的導螺桿；其特徵在：所述加工主軸包含一套管與一設於套管內部的軸管，套管頂端設有一軸蓋，軸蓋中央固接有一可供導螺桿穿設螺合的螺套，藉由導螺桿與螺套間的螺合作用，令驅動馬達帶動加工主軸直接產生軸向之升、降效果；所述套管之內側壁面固設有定子，所述軸管之外緣表面固設有與定子相對的轉子，藉由定子激磁轉子，以帶動軸管相對於套管而樞轉；所述軸管內部預設有一超音波振盪器，所述超音波振盪器底端接設一增幅器，所述增幅器底面開設有用以裝設刀具的接合槽；所述軸管底端固接有一定位套，藉由定位套抵固增幅器，再以一壓蓋鎖固至定位套上，以定位增幅器與超音波振盪器。
2. 依據申請專利範圍第1項所述同軸驅動超音波主軸，其中，所述座體底面與加工機座頂面間，係設有至少三支位於加工主軸周圍以引導加工主軸作軸向升、降的導引桿。
3. 依據申請專利範圍第1項所述同軸驅動超音波主軸，其中，所述軸管上段的內側壁面，係沿軸向開設有可供容置由超音波振盪器所延接之導線的線槽。
4. 依據申請專利範圍第1項所述同軸驅動超音波主軸，其中，所述軸管臨於底端之內側壁面，係設有第一螺紋部；所述定位套的外徑表面，係設有可與第一螺紋部對應螺合而固接的螺接部。
5. 依據申請專利範圍第1項所述同軸驅動超音波主軸，其中，所述增幅器的外徑表面，係成形有第一突環以及位於第一突環之下的第二突環。
6. 依據申請專利範圍第5項所述同軸驅動超音波主軸，其中，所述定位套的頂端內緣，係向內延伸有可抵固增幅器之第一突環的定位突緣；定位套底段的外徑表面，設有可用以抵固軸管底端的限位突體，定位套的底端內緣，設有可用以卡掣定位套之第二突環的止擋凹槽。
7. 依據申請專利範圍第6項所述同軸驅動超音波主軸，其中，於加工主軸底端，更設有可用以抵固套管、軸管與定位套的定位件，所述定位件主要包含固接在套管底緣與軸管底端之外徑表面的第一定位塊、疊置於第一定位塊底側且固接在定位套底端之外徑表面的第二定位塊以及疊置於第二定位塊底側且固接在定位套底端之外徑表面的第三定位塊。
8. 依據申請專利範圍第7項所述同軸驅動超音波主軸，其中，所述增幅器之第二突環的外徑表面，開設有呈徑向延伸而連通至接合槽的導水孔。
9. 依據申請專利範圍第8項所述同軸驅動超音波主軸，其中，所述定位套之止擋凹槽的內緣壁面與外徑表面，分別開設有呈環設狀之導流槽，定位套於導流槽間開設有貫穿內外兩側的導流孔。
10. 依據申請專利範圍第9項所述同軸驅動超音波主軸，其中，所述第二定位塊內緣，係開設有一上氣流導槽，第二定位塊於上氣流導槽處，開設有呈徑向貫穿內外兩側的氣流引道。
11. 依據申請專利範圍第9項所述同軸驅動超音波主軸，其中，所述第三定位塊內緣，係開設有一可連通定位套之導流孔的導水槽道，第三定位塊於導水槽道處並開設有呈徑向貫穿內外兩側的進水口。
12. 依據申請專利範圍第1項所述同軸驅動超音波主軸，其中，所述軸管底端外側，係固接一鎖固套；所述軸管臨於底端之外側表面，係設有第二螺紋部，所述鎖固套內緣，係設有可與第二螺紋部對應螺合而固接的螺接部。