CN107042426A - 一种采用线传动的超长旋转超声波主轴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用线传动的超长旋转超声加工主轴，包括支撑座，支承座内贯穿有一空心轴体，空心轴体的一端设有连接轴，连接轴位于空心轴体一端的中心孔，内设有压电换能器，压电换能器连接有初级变幅杆，通过螺钉将空心轴体、初级变幅杆和连接轴同轴固定连接，空心主轴的另一端连接有次级变幅杆，次级变幅杆的一端通过一传动线与初级变幅杆相连，次级变幅杆的另一端外露于空心轴体、并设有锁紧螺母，锁紧螺母用于张紧传动线，在次级变幅杆的外露端连接有工具头。本发明采用传动线进行长距离振动传输，可以克服现有统超声加工装置轴向长度较短的局限性。利用本发明可实现工件深腔进行旋转超声加工，加工效率是传统磨削加工4‑10倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用线传动旋转超声波加工主轴装置，特别涉及一种适用于深腔加工的超长旋转超声波加工主轴装置。
背景技术
陶瓷材料凭借其优越的性能广泛应用于航空航天、国防、汽车、电子信息、生物工程等领域且需求不断增大。陶瓷材料硬度高、脆性大，属于难加工材料，对于陶瓷材料工件深腔加工问题仍没有较为有效的解决办法。通常陶瓷结构件深腔加工采用分块加工，将涉及深腔的零件分割为多个小零件，加工好再拼装，这种方法有效避免了深腔加工难点，降低了加工难度，缺点是破坏了原零件结构从而导致物理性能发生改变。例如用这种方法加工得到的陶瓷发动机主轴箱结构强度往往达不到要求。
旋转超声加工是通过加工工具高频振动和高速旋转实现机械式去除材料的一种特种加工方式，可以有效减小切削力，降低刀具磨损，提高材料去除率，是当下硬脆材料最有效加工手段。研制适用于深腔加工的旋转超声加工设备将有助于解决硬脆材料深腔加工难题。换能器是超声加工装置产生超声振动的元件，本质是换能器在超声电源激励下发出超声波纵波，超声波纵波在结构中传播，所经过处的介质质点做简谐振动，宏观上体现为结构沿轴向振动，超声波在结构中传播遵循波动理论，设计不当的结构会带来严重能量损失、波动方向(沿轴向)发生改变，体现在超声加工装置中为刀具不振动或振幅微小、刀具偏振等问题，这种装置无法实现超声加工。超声变幅杆也称超声聚能器，是超声加工装置常用的汇聚、传递超声波的结构。变幅杆主要分为圆锥形、指数型、阶梯形、悬链型四种结构，其尺寸、结构直接影响超声波传递效果，受结构限制，变幅杆长度越长其截面积越小，容易出现刚度不足刀具颤振现象。目前旋转超声工具头采用四分之一波长变幅杆，这种变幅杆结构简单、能量损失小，缺点是长度较短难进行深腔加工。专利CN2527382Y公开了一种超声波扭转振动装置，该装置通过刀具扭振实现切削，不能旋转加工效率低，该装置由变幅杆传递振动和支撑刀具，为保证刚度和减少能量损失，变幅杆长度受限，整个装置不能完成深腔加工。专利CN102151867A公开了一种基于机床附件化的旋转超声波头，该装置能安装于普通机床实现超声加工，缺点是该装置轴向长度较短，不能完成深腔加工。发表于2016年第一期《机械设计与研究》期刊上的文献“适用于深腔加工的超声振动系统设计与试验”，提供了一种深腔加工的超声振动系统，该系统使用超长型指数过度变幅杆，长度达到543mm，该变幅杆作用是传递振动和支撑末端刀具，指数过度变幅杆直径随长度增加变小，因此变幅杆末端刚度不足和刀具偏振(刀具出现径向振动)成隐患，加工精度和可靠性较差。
综上，目前超长的旋转超声加工装置比较匮乏，通过延长变幅杆长度来研发长旋转超声加工装置的方案具有很大局限性。亟需一种高可靠性的新型结构的超长旋转超声加工装置，来解决硬脆材料深腔加工的难题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种采用线传动的超长旋转超声波主轴，采用金属材质传动线为主体，与初、次级变幅杆组合传递超声纵波，能长距离高效传输，此外传动线只传递轴向的波动，可以有效的避免刀具偏振现象；本发明主轴的整体结构可靠性高，主轴因不参与超声振动传递，不会出现传统变幅杆增加长度而牺牲刚度问题，有效避免刀具颤振。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种采用线传动的超长旋转超声加工主轴，包括支撑座，所述支承座内贯穿有一空心轴体，所述支承座的两端与所述空心轴体之间均设有轴承和轴承端盖；所述空心轴体的一端设有连接轴，所述连接轴位于空心轴体的一端设有中心孔，所述连接轴的另一端设有与转动动力装置的连接结构，所述中心孔内设有压电换能器，所述压电换能器连接有初级变幅杆，所述初级变幅杆设有法兰盘，所述法兰盘位于所述空心轴体与连接轴之间、并通过螺钉将所述空心轴体、初级变幅杆和连接轴同轴固定连接，所述空心主轴的另一端连接有次级变幅杆，所述次级变幅杆与所述空心轴体之间采用键连接，所述次级变幅杆的一端通过一传动线与所述初级变幅杆相连，所述次级变幅杆的另一端外露于所述空心轴体、并设有锁紧螺母，所述锁紧螺母用于张紧传动线，在所述次级变幅杆的外露端连接有工具头。
进一步讲，本发明中，所述传动线由单根金属线或是多根金属线组合构成。
所述传动线的材质为钛铝钒合金。
所述传动线的材质为TC4钛合金。
所述传动线的两端通过夹头间接、螺纹连接和焊接中的任一种连接方式分别与所述初级变幅杆和次级变幅杆相连。
所述初级变幅杆的法兰盘设置在该变幅杆振动节点处。
所述次级变幅杆与所述空心轴体之间的键连接的结构为平键连接。
在所述次级变幅杆与所述空心轴体之间、沿周向按照180°对称地布置有两个平键。
所述连接轴上位于中心孔形成的腔体壁上设有矩形散热窗口。
用于将所述空心轴体、初级变幅杆和连接轴同轴固定连接的螺钉的螺钉过孔设在所述矩形散热窗口的一侧壁。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种采用线传动的超长旋转超声波主轴，结构科学合理，适应硬脆材料深腔加工工艺特点，可靠性高，能大幅降低切削力、提高加工效率；减少了加工过程中刀具震颤和发热，降低刀具磨损。能解决目前硬脆材料深腔加工困难的问题。
附图说明
图1是本发明主轴的整体装配示意图；
图2是图1所述主轴的全剖视图；
图3是利用本发明主轴加工工件深腔的应用实例的示意图。
图中：1-支撑座，2-轴承，3-空心轴体，4-轴承端盖，5-连接轴，6-压电换能器，7-初级变幅杆，8-传动线，9-次级变幅杆，10-锁紧螺母，11-工具头，12-主轴，13-电动机，14-被加工工件，15-工作平台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明提出的一种采用线传动的超长旋转超声加工主轴，如图1所述，包括支撑座1，所述支承座1内贯穿有一空心轴体3，所述支承座1的两端与所述空心轴体3之间均设有轴承2和轴承端盖4。所述支撑座1可固定于机床或加工平台15(如图3所示)表面，用于支撑整个主轴装置旋转运动；所述轴承2用于支撑空心轴体3保证主轴能平稳转动。所述轴承端盖4安置在所述支撑座1的两端面，限制所述支撑座1、轴承2、空心轴体3不发生轴向相对运动，同时起到密封作用。
如图2和图3所示，所述空心轴体3一端外径较大，另一端外径较小，空心轴体3外径较小的一端为近加工端，利于进入较小的加工空间，所述空心轴体3的一端设有连接轴5，所述连接轴5的作用是便于与转动动力装置(如图3中的电动机14)连接，从而带动主轴转动，所述连接轴5位于空心轴体3的一端设有中心孔51，从而为设置压电换能器6留出空间。
所述连接轴5的另一端设有与转动动力装置的连接结构，该连接结构不受限制，例如，连接轴5与转动动力装置连接一端设置有键槽连接带轮或过联轴器直接连接驱动电机但也不局限于此，也可通过改变连接轴结构与其它方式动力装置连接。
所述中心孔51内设有压电换能器6，所述压电换能器6能在高频电信激励下发出超声波，产生超声振动。所述连接轴5上位于中心孔形成的腔体壁上设有矩形散热窗口。
所述压电换能器6连接有初级变幅杆7，所述初级变幅杆7设有法兰盘，所述法兰盘设置在该初级变幅杆7的振动节点处。所述法兰盘位于所述空心轴体3与连接轴5之间、并通过螺钉将所述空心轴体3、初级变幅杆7和连接轴5同轴固定连接，用于将所述空心轴体3、初级变幅杆7和连接轴5同轴固定连接的螺钉的螺钉过孔沿空心轴体3的轴向设在所述矩形散热窗口的一侧壁，该散热孔同时起到便于装配安装螺钉和工作时压电换能器6风冷散热的目的，如图1和图2所示，主轴装配时，螺钉通过轴向螺钉过孔后穿过初级变幅杆的法兰盘，然后旋入空心轴体3侧面的螺钉孔内，从而将三者连接在一起，
所述空心主轴3的另一端连接有次级变幅杆9，所述次级变幅杆9与所述空心轴体3之间采用键连接，所述次级变幅杆9与所述空心轴体3之间的键连接的结构为平键连接，为了转动的平稳，在所述次级变幅杆9与所述空心轴体3之间、沿周向按照180°对称地布置有两个平键。
所述次级变幅杆9的一端通过一传动线8与所述初级变幅杆7相连，所述传动线8的两端通过夹头间接、螺纹连接、铆接和焊接或其它能实现可靠连接的方式中的任一种，从而分别与所述初级变幅杆7和次级变幅杆9相连，优选连接方式为快速夹头结构。所述传动线8的由单根金属线或是多根金属线组合构成。传动线8的材质为钛铝钒合金，优选的材质为TC4钛合金，即传动线8优选单根直径为3mm，材质为TC4钛合金的金属线。根据加工工况也可以选择采用1～20根直径0.5mm～6mm TC4或其它具有良好传动超声波材质线作为传动线8。所述次级变幅杆9的另一端外露于所述空心轴体3、并设有锁紧螺母10，所述锁紧螺母10用于张紧传动线8，实现张紧传动线8保证在旋转时传动线8的刚度。在所述次级变幅杆9的外露端连接有工具头11。所述压电换能器6、初级变幅杆7、传动线8、次级变幅杆9和工具头11均与空心轴体3同轴布置。
实施例，如图3所示，局部剖面示出了工件14的深腔旋转超声加工。将本发明主轴12通过支撑座1固定于工作平台15上，该工作平台15能多自由度运动，连接轴5与一电动机13相连，电动机13驱动本发明中的空心轴体3高速旋转，转速范围为500～2000r/min，有效加工深度大于600mm，工具头11末端振幅为1～50μm，超声振动频率15～40kHz。利用本发明主轴12对工件14的深腔进行旋转超声加工，与普通磨削加工相比，其加工效率高，是普通磨削加工的4～6倍，加工后工件表面质量好，工件表面粗糙度可达Ra＜0.2μm。
综上，本发明中超声振动系统位于空心状主轴的腔内，主轴在外力驱动下能旋转并带动整个超声振动系统旋转，实现旋转超声加工。本发明采用传动线进行长距离振动传输，可以克服传统超声加工装置轴向长度较短的局限性，能进行深腔旋转超声加工。本发明中压电换能器发出的超声振动(超声波)依次通过初级变幅杆、传动线、次级变幅杆传递到远端的工具头，其能量传递效率高，结构紧凑。利用本发明采用线传动的超长旋转超声波主轴实现了工件深腔进行旋转超声加工。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种采用线传动的超长旋转超声加工主轴，包括支撑座(1)，其特征在于，所述支承座(1)内贯穿有一空心轴体(3)，所述支承座(1)的两端与所述空心轴体(3)之间均设有轴承(2)和轴承端盖(4)；
所述空心轴体(3)的一端设有连接轴(5)，所述连接轴(5)位于空心轴体(3)的一端设有中心孔(51)，所述连接轴(5)的另一端设有与转动动力装置的连接结构，所述中心孔(51)内设有压电换能器(6)，所述压电换能器(6)连接有初级变幅杆(7)，所述初级变幅杆(7)设有法兰盘，所述法兰盘位于所述空心轴体(3)与连接轴(5)之间、并通过螺钉将所述空心轴体(3)、初级变幅杆(7)和连接轴(5)同轴固定连接，所述空心主轴(3)的另一端连接有次级变幅杆(9)，所述次级变幅杆(9)与所述空心轴体(3)之间采用键连接，所述次级变幅杆(9)的一端通过一传动线(8)与所述初级变幅杆(7)相连，所述次级变幅杆(9)的另一端外露于所述空心轴体(3)、并设有锁紧螺母(10)，所述锁紧螺母(10)用于张紧传动线(8)，在所述次级变幅杆(9)的外露端连接有工具头(11)。
2.根据权利要求1所述采用线传动的超长旋转超声加工主轴，其特征在于，所述传动线(8)由单根金属线或是多根金属线组合构成。
3.根据权利要求1或2所述采用线传动的超长旋转超声加工主轴，其特征在于，所述传动线(8)的材质为钛铝钒合金。
4.根据权利要求3所述采用线传动的超长旋转超声加工主轴，其特征在于，所述传动线(8)的材质为TC4钛合金。
5.根据权利要求1所述采用线传动的超长旋转超声加工主轴，其特征在于，所述传动线(8)的两端通过夹头间接、螺纹连接和焊接中的任一种连接方式分别与所述初级变幅杆(7)和次级变幅杆(9)相连。
6.根据权利要求1所述采用线传动的超长旋转超声加工主轴，其特征在于，所述初级变幅杆(7)的法兰盘设置在该变幅杆振动节点处。
7.根据权利要求1所述采用线传动的超长旋转超声加工主轴，其特征在于，所述次级变幅杆(9)与所述空心轴体(3)之间的键连接的结构为平键连接。
8.根据权利要求7所述采用线传动的超长旋转超声加工主轴，其特征在于，在所述次级变幅杆(9)与所述空心轴体(3)之间、沿周向按照180°对称地布置有两个平键。
9.根据权利要求1所述采用线传动的超长旋转超声加工主轴，其特征在于，所述连接轴(5)上位于中心孔形成的腔体壁上设有矩形散热窗口。
10.根据权利要求9所述采用线传动的超长旋转超声加工主轴，其特征在于，用于将所述空心轴体(3)、初级变幅杆(7)和连接轴(5)同轴固定连接的螺钉的螺钉过孔设在所述矩形散热窗口的一侧壁。
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