专利名称：一种基于机床附件化的旋转超声波头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转超声波加工主轴装置，特别涉及一种谋求实现机床附件化、 无刷式非接触供电的旋转超声波加工主轴装置。
背景技术：
超声波加工常用于对硬脆材料的加工，可有效改善工件的表面质量，降低表面粗糙度和提高加工精度。然而，目前的超声波加工装置有诸多缺陷，如专利号为 20031010M59. X(授权公告号为CN100364673C)，其授权公告日为2008年1月30日的中国发明专利中公开了《一种高效超声波加工设备》，该机床除了能进行超声波加工之外就不能再进行其他种类的加工了 ；再如专利申请号为200910226156.0(公开号为 CN101704219A)，其
公开日为2010年5月12日的中国发明专利申请中公开了《一种超声波加工设备》，该设备虽然能在同一台机床上实现超声波加工及进行车削、磨削等非超声波加工，但由于其结构复杂、互换性差，不能通过简单的方法就能在任一台普通数控机床上实现超声波加工，因此，影响了超声波加工的推广和使用。目前，大部分超声波加工装置采用电刷的供电方式，其中滑环与供电电刷始终接触，所以磨损或损伤严重，因此，除了存在因供电电刷的更换变得频繁而不能确保稳定且可靠性高的加工作业的问题外，为了减轻滑环的磨损或损伤，对其转速也有限制，因此无法响应高速旋转的要求。专利申请号为2006800M192. 3 (公开号为CN101213042A)，
公开日为 2008年7月2日的中国专利申请公开了一种《超声波加工主轴装置》，其中采用非接触供电方式，但由于只采用单一的两个线圈感应，感应效率低，无法满足大功率的超声波加工需求。另外，发表于2010年6期的《世界电子元器件》期刊上的文献“基于ANSYS的松耦合变压器三维仿真研究”中提供了一种非接触式能量传递装置，即上下罐状磁环非接触式变压器，主边与副边线圈分别缠绕于上下两个罐状磁芯中，在该文献中用于旋转导向智能钻井系统核心部件的可控偏心器上，该非接触式能量传输方式亦可以用于超声波加工装置中， 但其感应效率依旧很低，无法实现大功率传递。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种基于机床附件化的旋转超声波头，本发明可以克服现有超声波加工装置的诸多不足，所能解决的技术问题是(1)如何实现超声波加工装置的完全机床附件化，实现通用性和互换性；( 如何提高超声波加工装置无刷式非接触供电系统的感应效率，实现能量的高效传递，减少能量损耗。为了解决上述技术问题，本发明一种基于机床附件化的旋转超声波头予以实现的技术方案是包括超声振动工作装置、非接触式集流环、主轴、刀柄和支撑外壳，所述刀柄采用标准型式的刀柄，所述超声振动工作装置与主轴的一端相连，所述刀柄与主轴的另一端相连，三者的旋转轴线位于同一条直线上，非接触式集流环设置在所述主轴与所述支撑外壳之间，通过所述非接触式集流环将超声波振动信号非接触地传递给超声振动工作装置。
本发明一种基于机床附件化的旋转超声波头，其中，所述超声振动工作装置包括压电换能器、变幅杆、工具夹持器和工具，所述主轴的一端具有内腔，所述压电换能器设置在所述主轴的内腔里，所述变幅杆的一端与所述压电换能器相连，所述变幅杆的另一端与所述工具夹持器连接，所述工具夹持器夹紧工具，所述变幅杆在振动节点处通过法兰与所述主轴相连；所述压电换能器、变幅杆、工具夹持器和工具均与主轴在同一旋转轴线上；所述刀柄和所述主轴上沿轴线设有中心通孔A，所述主轴的内腔壁上设有若干通孔B，所述支撑外壳上具有若干通孔C，采用冷却时，冷空气从机床主轴输入，沿所述刀柄和所述主轴的中心通孔A进入所述主轴的内腔D为压电换能器冷却，随后由主轴的内腔壁上的通孔B进入到所述主轴与所述支撑外壳之间为所述非接触式集流环冷却，最后由所述支撑外壳上的通孔C流出。本发明一种基于机床附件化的旋转超声波头，其中，所述非接触式集流环包括主边和副边，所述主边由主边线圈构成，所述副边由副边磁芯和缠绕于副边磁芯上的副边线圈构成；所述主边线圈固定嵌套于所述支撑外壳内，所述副边磁芯固定套装在主轴外周上； 所述主边线圈与设置在旋转超声波头外部的超声波信号发生器相连，将超声电信号传递给集流环的主边线圈，所述主边线圈通过电磁感应将超声电信号非接触的传递给集流环的副边线圈，集流环的副边线圈与超声振动工作装置的压电换能器相连，最终将超声电信号传递给所述压电换能器。与现有技术相比，本发明的有益效果是(1)由于本发明的旋转超声波头尾部采用了刀柄与机床主轴连接，实现超声波加工装置的完全机床附件化。(2)由于本发明的旋转超声波头的刀柄采用标准型式，可采用标准的NT、JT、IT、 BT、CAT或HSK刀柄，使该附件化旋转超声波头的具有良好的通用性和互换性。(3)由于本发明的旋转超声波头的刀具夹持器采用标准的筒夹和螺帽，如标准ER 筒夹和螺帽，使本发明的旋转超声波头可夹持多种型号的刀具，满足不同的加工需求。(4)本发明的集流环的独特结构，使得非接触式能量传输的感应效率明显提高，不但可以应用于小功率加工的场合，更能满足大功率的加工需要。(5)由于该旋转超声波头的附件化和良好的互换性，使得超声波加工成本明显降低，使用更方便。综上，本发明的旋转超声波头以机床附件的形式出现，结构紧凑，体积小巧，由于采用了标准刀柄，只需在机床外部再配备一套超声波信号发生器，就可以在任一台普通数控机床上通过换刀的方式方便快捷地实现超声波加工，该旋转超声波头上的工具夹持器采用标准的筒夹和螺帽，可以夹持不同直径的刀具，具有良好的互换性。
图1是本发明中的集流环的第一种结构主视图；图2是图1所示集流环的俯视图；图3是本发明中的集流环的第二种结构主视图；图4是图3所示集流环的俯视图；图5是本发明中的第一种集流环的有限元模型；
图6是本发明中的第二种集流环有限元模型；图7是现有技术中一种只有两个独立线圈感应无磁芯的有限元模型；图8是现有技术中一种上下罐状环形磁芯，主副线圈分别绕于上下两个磁罐中感应的有限元模型；图9是本发明中的集流环主边线圈及外接电路模型原理图；图10是本发明中的集流环副边线圈及外接电路模型原理图；图11是本发明的一种基于机床附件化的旋转超声波头的实施例一的结构示意图；图12是本发明的一种基于机床附件化的旋转超声波头的实施例二的结构示意图；图13是本发明的一种基于机床附件化的旋转超声波头的实施例三的结构示意图；图14是本发明的一种基于机床附件化的旋转超声波头的实施例四的结构示意图。图中1——有限元主边线圈区域3——有限元磁芯区域5——有限元远场区域7-筒夹9——变幅杆12——支撑外壳14——第二轴承17——主轴19——副边磁芯21——主边线圈23——副边绝缘保持架A-中心通孔C——支撑外壳上的径向通孔
2——有限元副边线圈区域 4——有限元空气区域 6——工具 8——螺帽 11——第一轴承 13——拨叉 16——刀柄 18——压电换能器 20——副边线圈 22——主边绝缘保持架 24——一体式刀柄主轴 B——主轴内腔壁上的径向通孔 D——主轴的内腔
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细地描述。如图11所示，本发明基于机床附件化的旋转超声波头，包括超声振动工作装置、 非接触式集流环、主轴17、刀柄16和支撑外壳12，所述刀柄16采用标准型式的刀柄，主轴17的一端具有内腔，该主轴的内腔D与所述主轴17同轴线，所述超声振动工作装置与主轴具有内腔的一端相连，所述刀柄16与主轴 17的另一端相连，三者的旋转轴线位于同一条直线上，支撑外壳12相对于机床床身静止， 所述主轴17置于支撑外壳12的内部，所述非接触式集流环设置在所述主轴17与所述支撑外壳12之间，通过所述非接触式集流环将超声波振动信号非接触地传递给超声振动工作装置。
所述超声振动工作装置包括压电换能器18、变幅杆9、工具夹持器和工具6，所述主轴17的一端具有内腔，所述压电换能器18设置在所述主轴的内腔D里，所述变幅杆9的一端与所述压电换能器18相连，所述变幅杆9的另一端与所述工具夹持器连接，所述工具夹持器夹紧工具6，所述变幅杆9在振动节点处通过法兰与所述主轴17相连；所述压电换能器18、变幅杆9、工具夹持器和工具均与主轴17在同一旋转轴线上。所述工具夹持器由筒夹7和螺帽8组成，均采用标准ER筒夹和螺帽，但不局限于此，也可采用其他标准型号的筒夹和螺帽，由于采用了标准件，具有良好的互换性，可以装卡多种型号和尺寸的工具，满足不同的加工需要。所述标准型式的刀柄为NT、JT、IT、BT、CAT和HSK标准中的任一种刀柄。所述刀柄16与主轴17之间有分体式和一体式两种形式，如图11和图13所示，分体式的刀柄和主轴是两个独立的零件，二者之间可以方便的安装和拆卸，只要连接部分满足互换性要求，即可更换不同型号的刀柄，分体式的刀柄16和主轴17使本发明的旋转超声波头具有更广泛的互换性，同一个旋转超声波头可以安装在更多的机床上实现超声波加工；如图12和图14 所示，一体式的刀柄和主轴是一个整体不能拆卸，这样一个旋转超声波头只对应某一型号的刀柄，只能安装在与该刀柄型号相配的机床主轴上，一体式的互换性不如分体式，但由于分体式刀柄比一体式刀柄多了一个装配环节即主轴17与刀柄16之间的装配，该装配环节可能会引入装配误差，在其他条件相同时，主轴与刀柄为一体式的旋转超声波头一般会有更高的回转精度。支撑外壳12的主要作用是当旋转超声波头工作时，即机床主轴通过刀柄16带动超声波头主轴17及其上的超声振动工作装置和集流环的副边(也即动环)旋转时，支撑外壳12保持集流环的主边(也即静环)相对床身固定不动。有两种实现方法，一是，所述主轴17与所述支撑外壳12之间设置有轴承，如图11和图12所示，轴承的种类和个数并不限定，轴承可以安装在集流环的同一侧或两侧，只要能起到转动和支撑作用即可，在主轴上支撑外壳12的两端安装轴承端盖并密封，由于安装了轴承，在主轴17和支撑外壳12上会安装一些挡片、螺母、套筒等附件或加工出轴肩等结构，以起到定位和限位作用，这些是在设计和制造上所熟知的不再赘述，在支撑外壳12的外表面设置有若干个拨叉，在床身上安装带槽的固定块，所述拨叉一端固连在支撑外壳12上，所述拨叉的另一(自由)端置于固定块的槽中，以限制支撑外壳12的周向转动。二是，没有轴承、轴承端盖和拨叉，如图13和图 14所示，在支撑外壳12的靠近刀柄16的一端具有磁座，直接利用磁座固连到床身上以固定支撑外壳12。支撑外壳12与床身也可采用其他连接方法，只要不违背本发明的宗旨即可。本发明采用空气冷却的方法，在机床外部配有供气系统，所述刀柄16和所述主轴 17上沿轴线设有中心通孔A，所述主轴的内腔壁上设有若干径向通孔B，所述支撑外壳12上也设有若干径向通孔C，冷却时，冷空气从机床主轴输入，沿所述刀柄16和所述主轴的中心通孔A进入所述主轴的内腔D为压电换能器18进行冷却，随后再通过主轴的内腔壁上的径向通孔B进入到所述主轴17与所述支撑外壳12之间，为所述非接触式集流环冷却，最后空气从所述支撑外壳12上的径向通孔C流出。另外，上述径向通孔B和径向通孔C除了实现空气的流通外，还可以方便集流环的接线。非接触式集流环是本发明的核心部分，它属于一种非接触式能量传递装置，所述非接触式集流环包括主边和副边，所述主边由主边线圈21构成，所述副边由副边磁芯19和缠绕于副边磁芯19上的副边线圈20构成；所述副边设置在所述主边的心部，所述主边与所述副边设置在同一根轴线上；在径向上，所述主边的内径略大于所述副边的外径，使两者在径向具有间隙，在不影响集流环的副边和主轴回转的情况下应尽量使间隙最小，主边线圈 21缠绕在中空圆筒状的非导磁绝缘材质的主边绝缘保持架22的外周面上并通过主边绝缘保持架22与支撑外壳12的内周面固连，副边(19、20)套装在中空圆筒状的绝缘材质的副边绝缘保持架23的外周面上并通过副边绝缘保持架23与主轴17的外周面固连；所述主轴 17、非接触式集流环和支撑外壳12三者的轴线位于同一条直线上；所述主边线圈21与设置在旋转超声波头外部的超声波信号发生器相连，将超声电信号传递给集流环的主边线圈 21，所述主边线圈21通过电磁感应将超声电信号非接触的传递给集流环的副边线圈20，集流环的副边线圈20与超声振动工作装置的压电换能器18相连，最终将超声电信号传递给所述压电换能器18;所述副边磁芯19应选用导磁材料，如锰锌铁氧体等，但并不局限于此也可采用其他导磁材料。所述副边磁芯19有两种可以采用的形状，第一种形状的副边磁芯19为内周面和外周面皆为圆柱面的空心圆筒状，副边线圈20缠绕于该副边磁芯19的外周面上，如图1和图2所示。第二种形状的副边磁芯19是在上述第一种形状的基础上，在其外圆柱面上沿周向具有一个环形槽，副边线圈20缠绕于环形槽中，如图3和图4所示。下面运用有限元仿真来对比以下四种非接触能量传递装置的感应能力，以充分说明本发明中采用的非接触式集流环的优势所在。(1)本发明的采用第一种形状磁芯(即空心圆筒状的磁芯)的集流环，如图1和图 2所示；(2)本发明的采用第二种形状磁芯(即空心圆筒状且外周面带槽的磁芯)的集流环，如图3和图4所示结构；(3)专利申请号为200680024192. 3 (公开号为CN101213042A)，
公开日为2008年 7月2日的中国专利申请《超声波加工主轴装置》，只有两个独立线圈感应，没有磁芯；(4)发表于2010年第6期的《世界电子元器件》期刊上的文献“基于ANSYS的松耦合变压器三维仿真研究”中的磁芯为上下罐状磁环，主副线圈分别缠绕于上下两个磁罐中。为了简化计算只进行2D有限元仿真，利用有限元软件ANSYS11.0，采用磁矢量位方法，进行二维磁场-电路耦合分析，由于上述四种结构均是轴对称的，产生的电磁场在任一竖直截面(如图1所示的截面)上是相同的，而对于截面上的电磁场是轴对称的，因此只计算截面的1/2区域即可。有限元模型如图5、图6、图7和图8所示，图中相同的字母代表相同的尺寸值，四个模型之间的尺寸关系仅是为了进行有限元对比分析而设定，并非实际值。假设大圆外的区域(r > 6XR1，r是圆半径)已经几乎没有电磁场，可忽略不计，把大圆与小圆之间的区域5(R1 < r < 6XR1)看成是远场区域，小圆内区域4 (0 < r < 6XR1)是空气，图3为上述的第(1)种非接触能量传递装置(也即本发明中的第一种非接触式集流环)的有限元模型；图6为上述第( 种非接触能量传递装置(也即本发明中的第二种非接触式集流环) 的有限元模型；图7为上述第C3)种非接触能量传递装置(也即现有技术中只有两个独立线圈感应，没有磁芯)的限元模型；图8为上述第(4)种非接触能量传递装置(也即现有技术中一种上下罐状环形磁芯，主副线圈分别绕于上下两个磁罐中感应)的有限元模型；特别强调的是图6、图7和图8中的三种模型也具有与图3相同的远场和空气区域，图中未画出。图5、图6、图7和图8中的附图标记1是有限元主边线圈区域，附图标记2是有限元副边线圈区域，附图标记3是有限元磁芯区域，附图标记4是有限元空气区域、附图标记5 是有限元远场区域。单元类型见表1，材料属性见表2，线圈实常数见表3，特别注意的是表 3与表4中的参数仅是为了进行有限元仿真分析而设定，不代表实际数值。(1)单元类型表权利要求
1.一种基于机床附件化的旋转超声波头，包括超声振动工作装置、非接触式集流环、主轴(17)、刀柄(16)和支撑外壳(12)，其特征在于所述刀柄(16)采用标准型式的刀柄，所述超声振动工作装置与主轴(17)的一端相连， 所述刀柄(16)与主轴(17)的另一端相连，三者的旋转轴线位于同一条直线上，非接触式集流环设置在所述主轴(17)与所述支撑外壳(1 之间，通过所述非接触式集流环将超声波振动信号非接触地传递给超声振动工作装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于机床附件化的旋转超声波头，其特征在于所述超声振动工作装置包括压电换能器(18)、变幅杆(9)、工具夹持器和工具(6)，所述主轴(17) 的一端具有内腔，所述压电换能器(18)设置在所述主轴的内腔(D)里，所述变幅杆(9)的一端与所述压电换能器(18)相连，所述变幅杆(9)的另一端与所述工具夹持器连接，所述工具夹持器夹紧工具(6)，所述变幅杆(9)在振动节点处通过法兰与所述主轴(17)相连； 所述压电换能器(18)、变幅杆(9)、工具夹持器和工具均与主轴(17)在同一旋转轴线上；所述刀柄(16)和所述主轴(17)上沿轴线设有中心通孔A，所述主轴的内腔壁上设有若干通孔B，所述支撑外壳(1 上具有若干通孔C，采用冷却时，冷空气从机床主轴输入，沿所述刀柄(16)和所述主轴的中心通孔A进入所述主轴的内腔D为压电换能器(18)冷却，随后由主轴的内腔壁上的通孔B进入到所述主轴(17)与所述支撑外壳(1 之间为所述非接触式集流环冷却，最后由所述支撑外壳(1 上的通孔C流出。
3.根据权利要求1所述的一种基于机床附件化的旋转超声波头，其特征在于所述非接触式集流环包括主边和副边，所述主边由主边线圈构成，所述副边由副边磁芯(19) 和缠绕于副边磁芯(19)上的副边线圈OO)构成；所述主边线圈固定嵌套于所述支撑外壳(12)内，所述副边磁芯(19)固定套装在主轴(17)外周上；所述主边线圈与设置在旋转超声波头外部的超声波信号发生器相连，将超声电信号传递给集流环的主边线圈(21)，所述主边线圈(21)通过电磁感应将超声电信号非接触的传递给集流环的副边线圈(20)，集流环的副边线圈OO)与超声振动工作装置的压电换能器(18)相连，最终将超声电信号传递给所述压电换能器(18)。
4.根据权利要求3所述的一种基于机床附件化的旋转超声波头，其特征在于所述副边磁芯(19)选用导磁材料。
5.根据权利要求3所述的一种基于机床附件化的旋转超声波头，其特征在于所述副边设置在所述主边的心部，所述主边和所述副边设置在同一条轴线上，在径向上，所述主边的内径略大于所述副边的外径，使两者在径向具有间隙。
6.根据权利要求3所述的一种基于机床附件化的旋转超声波头，其特征在于所述副边磁芯(19)为一空心圆筒，所述副边线圈OO)缠绕于所述副边磁芯(19)的外周面上。
7.根据权利要求3所述的一种基于机床附件化的旋转超声波头，其特征在于所述副边磁芯(19)为一空心圆筒，所述空心圆筒的外圆柱面上沿周向设有一个环形槽，所述副边线圈OO)缠绕于所述环形槽内。
8.根据权利要求1所述的一种基于机床附件化的旋转超声波头，其特征在于所述标准型式的刀柄为NT、JT、IT、BT、CAT和HSK标准中的任一种刀柄。
9.根据权利要求1所述的一种基于机床附件化的旋转超声波头，其特征在于超声振动工作装置的工具夹持器由标准筒夹(7)和螺帽(8)组成。
10.根据权利要求1所述的一种基于机床附件化的旋转超声波头，其特征在于所述支撑外套(1 相对于机床床身是静止的，可在下述两种方式中选择一是，所述主轴(17)与所述支撑外壳(1 之间设置有轴承，所述支撑外壳(1 的外表面固连有若干拨叉，所述拨叉的自由端通过固定块与机床的床身连接，以限制支撑外壳(1 的周向旋转；二是，所述支撑外壳(1 直接固连在机床的床身上。
全文摘要
本发明公开了一种基于机床附件化的旋转超声波头，包括超声振动工作装置、非接触式集流环、主轴、刀柄和支撑外壳，所述刀柄采用标准型式的刀柄，所述超声振动工作装置与主轴的一端相连，所述刀柄与主轴的另一端相连，三者的旋转轴线位于同一条直线上，非接触式集流环设置在所述主轴与所述支撑外壳之间，通过所述非接触式集流环将超声波振动信号非接触地传递给超声振动工作装置。本发明的突出优点是(1)实现了超声波加工装置的完全机床附件化，实现通用性和互换性；(2)提高了超声波加工装置无刷式非接触供电系统的感应效率，实现了能量的高效传递，减少能量损耗。
文档编号B23B37/00GK102151867SQ20111006071
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月14日 优先权日2011年3月14日
发明者刘礼平, 朱学明, 林彬 申请人:天津大学