CN114406300B - 动能耦合式超声波电主轴 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动能耦合式超声波电主轴，包括电主轴本体及设置在电主轴本体内的刀杆、电机部件、锥拉爪、刀柄、拉钉，刀柄通过拉钉与锥拉爪相连，所述刀柄靠近拉钉的一端插接有用于对刀柄轴向振动的超声波振子，所述电机部件的定子内侧固定磁钢并与驱动模块上的感应圈作不接触耦合，感应圈与驱动模块固定于转子侧，所述驱动模块分别与超声波振子、感应圈相连。本发明是针对超硬材料切削的超声波电主轴，利用超声波振动，使切削刀具与工件之间的超硬浮动微颗粒物，对切口作多重磨、切作用，使被切削材料的切口表面进一步破碎，形成新的超硬浮动微颗粒物，从而实现对超硬材料工件的切削加工。
Description
技术领域
本发明涉及电主轴技术领域，尤其涉及一种针对超硬材料进行切削加工的动能耦合式超声波电主轴。
背景技术
在当前高端制造中，金属和非金属硬脆材料的使用越来越广泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、不易氧化、腐蚀等优点。然而，由于工程陶瓷等难加工材料具有极高的硬度和脆性，其成形加工十分困难，特别是成形孔的加工尤为困难，严重阻碍了应用推广。
现有的超声波电主轴，例如授权公告号CN113560611B公开的双向波超声波自动换刀电主轴，虽然解决了超硬材料切削的难题，但是由于超声波能量传送通过外部专用电源，经过变压器耦合才能传到超声波振子上，因而增加了体积较大的耦合变压器及超声波电源设备，特别是增加了转子长度，这对高速电主轴的转速提升是一个难题，成了超声波电主轴的一大“瓶颈”问题。
发明内容
本发明属于高端装备技术领域，作为高档数控机床的关键部件，本发明是针对超硬材料切削的超声波电主轴，利用超声波振动，使切削刀具与工件之间的超硬浮动微颗粒物，对切口作多重磨、切作用，使被切削材料的切口表面进一步破碎，形成新的超硬浮动微颗粒物，从而实现对超硬材料工件的切削加工。本发明从根本上解决转子长度方面的问题，可使超声波电主轴的转速进一步提升。
众所周知，对超硬材料的切削是加工行业目前存在的一大难题，本发明主要为了解决超硬材料切削的难题而构思的一个切削加工的高档数控机床用的新型关键部件-动能耦合式超声波电主轴。
本发明采用刀柄叠加轴向超声波振子方式，安装简单、结构牢固，工作稳定，可轴向、径向切削。
具体做法如下：
（1）构建刀头超声波振子机构，振子功率0.5kW，振幅0.01-0.03mm，频率是根据不同材料在30kHz-80 kHz内选择振子；
（2）电主轴转子控制内间隙0.01-0.03mm范围内，振动幅度通过超声波驱动器可调在0.01-0.03mm范围内；
（3）作超硬材料切削时，由于振动会产生一些超硬材料的颗粒物，利用刀沟槽储存的部分超硬颗粒物反过来对超硬材料自身作二次切削，有效地减轻了刀刃的磨损，但超硬颗粒物堆积过多也会影响切削效果，解决方法在超硬刀头处接负压管，根据切削状态抽去切削过程中的超硬颗粒物。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种动能耦合式超声波电主轴，包括电主轴本体及设置在电主轴本体内的刀杆、电机部件、锥拉爪、刀柄、拉钉，刀柄通过拉钉与锥拉爪相连，所述刀柄靠近拉钉的一端插接有用于对刀柄轴向振动的超声波振子，所述电机部件的定子侧的磁钢内侧设置有驱动模块，所述磁钢与驱动模块上的感应圈作不接触磁电耦合，感应圈电流直接流进驱动模块，所述驱动模块与超声波振子相连。
为了便于安装该超声波振子，使其起到更为精确的激振效果，所述刀柄包括一体成型的刀柄内圈、刀柄外套及固定于刀柄内圈和刀柄外套之间的缓冲圈，刀柄靠近拉钉的一端开设有插接口，所述电主轴本体内开设有用于安装超声波振子的空腔，所述超声波振子一端与锥拉爪端面相抵靠，另一端通过导波杆插入插接口并与刀柄外套的内壁过盈配合，导波杆远离锥拉爪的另一端与刀柄内圈的端面相抵靠。
为了避免超硬颗粒物堆积过多影响切削效果，所述刀柄处连接有负压管。
作为优选，所述超声波振子工作于弦振状态，功率只需0.5kW，就能满足振幅为0.01-0.03mm。
本发明的有益效果是：
（1）结构简单、工作更加可靠；
（2）模块化振子，安装振子对其它机构无影响；
（3）模块式结构，安装方便；
（4）需求越来越广，对于超硬材料切削加工效率明显高。
附图说明
图1为本发明的动能耦合式超声波电主轴的结构示意图。
图2为本发明的电气原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
如图1所示的一种动能耦合式超声波电主轴，包括电主轴本体及设置在电主轴本体内的刀杆1、电机部件4、锥拉爪2、刀柄、拉钉3、磁钢5、驱动模块6，刀柄通过拉钉3与锥拉爪2相连，所述刀柄顶端插接有用于对刀柄轴向振动的超声波振子7，所述电机部件4底端的磁钢5内侧与驱动模块6上的感应圈作无接触耦合，所述驱动模块6与超声波振子7相连。
具体地，所述刀柄包括一体成型的刀柄内圈9、刀柄外套8及固定于刀柄内圈9和刀柄外套8之间的缓冲圈10，刀柄顶端开设有插接口，电主轴本体内开设有用于安装超声波振子7的空腔，所述超声波振子7顶端与锥拉爪2底端面相抵靠，超声波振子7底端通过导波杆11插入插接口内并与刀柄外套8的内壁配合，导波杆11底端与刀柄内圈9的顶端面相抵靠。
对于自动换刀电主轴，在刀头端安装超声波振子，对电主轴大头轴承进行轴向激振，激振微动范围理论值由弹性变形体限定，本发明的动能耦合式超声波电主轴与传统的超声波电主轴相比，具有如下表所示的区别及优势：
在切削工作时，由控制器（感应圈、控制器、超声波驱动器为一体模块）自动控制超声波电源的频率给超声波振子进行激振，电气原理框图如图2所示。
当超声波振子工作于谐振状态时，其电流最小，电压最大，控制器就是这个特征作频率调整，调整过程是：不管驱动器频率偏高还是偏低，总是使振子电压变低、电流变大，控制器根据电压的变化可确定是接近谐振点还是远离谐振点，同时可根据调整变化的轨迹记忆，确定是降频还是升频。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”、“设有”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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发明专利范围的限制。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。
Claims (2)
1.一种动能耦合式超声波电主轴，包括电主轴本体及设置在电主轴本体内的刀杆、电机部件、锥拉爪、刀柄、拉钉，刀柄通过拉钉与锥拉爪相连，其特征在于：所述刀柄靠近拉钉的一端插接有用于对刀柄轴向振动的超声波振子，所述电机部件的定子侧的磁钢内侧设置有驱动模块，所述磁钢与驱动模块上的感应圈作不接触磁电耦合，所述驱动模块与超声波振子相连；
所述刀柄包括一体成型的刀柄内圈、刀柄外套及固定于刀柄内圈和刀柄外套之间的缓冲圈，刀柄靠近拉钉的一端开设有插接口，所述电主轴本体内开设有用于安装超声波振子的空腔，所述超声波振子一端与锥拉爪端面相抵靠，另一端通过导波杆插入插接口并与刀柄外套的内壁过盈配合，导波杆远离锥拉爪的另一端与刀柄内圈的端面相抵靠。
2.根据权利要求1所述的动能耦合式超声波电主轴，其特征在于：所述超声波振子工作于弦振状态，超声波振子的功率为0.5kW，振幅为0.01-0.03mm。
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