超声波主轴的制作方法

本实用新型涉及高精密数控机床技术领域，尤其涉及一种机床上使用的超声波主轴。

背景技术：

超声波加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及利用超声振动使工件相互结合的加工方法。因超声加工技术不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料，而且更适合加工玻璃、陶瓷、半导体、锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料，在硬脆等难加工材料的加工方面有较大的优势，同时这些硬脆材料具有普通材料无法比拟的特点，使其在工程上有着越来越广泛的应用。

超声振动车削是一种精密加工方法，与普通车削相比，它具有切削力小、切削温度低和工件变形小等突出优点，从而能有效地提高加工精度和减小工件表面粗糙度，为不易磨削的难加工材料提供了以车代磨的工艺方法。在切削过程中，由超声波发生器输出的能量经换能器、变幅杆，带动车刀产生高频机械振动，从而对工件产生切削作用。

作为超声波车床的重要部件，超声波主轴对超声切削具有重要的影响，例如，专利文献CN205362704U就公开了一种超声波主轴。采用超声波车床虽然能够有效地加工硬脆材料，但是其加工精度却难以满足一些产品所要求的高加工精度。

技术实现要素：

实用新型人对现有的超声波主轴进行深入研究后发现，由于现有的超声波主轴的主轴本体是通过滚动轴承支撑，为了提高支撑的刚度，在安装轴承时，需要对轴承预紧，因此主轴本体一般是无间隙转动，但是由于轴承的内圈、外圈以及滚动体不可避免的具有形状误差，特别是滚动体之间有直径差时，主轴本体的回转中心将产生游动。当滚动体之间存在直径差时，主轴本体每旋转一圈，其回转中心便产生微移，当主轴本体旋转若干圈后，回转中心的微移完成一次循环。主轴本体的回转中心的微移改变了工件与刀尖的相对位置，导致刀尖产生低频振动，从而影响了超声波主轴的加工精度。

在实用新型人上述发现的基础上，本实用新型提供一种超声波主轴，能够有效地提高超声加工的精度。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种超声波主轴，所述超声波主轴包括主轴轴套、可转动地安装在所述主轴轴套内的主轴本体、用于驱动所述主轴本体旋转的驱动件和安装在所述主轴本体端部的超声波刀具组件，所述主轴本体通过气浮结构可转动地安装在所述主轴轴套内。

优选地，所述气浮结构包括套装在所述主轴本体上的气浮轴套，所述气浮轴套与所述主轴轴套固定连接，所述气浮轴套的内壁与所述主轴本体的外壁之间形成封闭的环形空间，所述气浮轴套采用具有微孔的材料制作，所述气浮轴套上的微孔沿径向设置，在所述气浮轴套的外圆周面上开设有多个环形槽，所述主轴轴套上开设有进气孔和出气孔，所述进气孔与所述气浮轴套的外圆周面上的所述环形槽连通，所述出气孔与所述气浮轴套的外圆周面连接。

优选地，所述环形槽平行设置，并且所述环形槽之间通过横槽连接在一起，所述横槽开设在所述气浮轴套的外表面。

优选地，所述气浮轴套为石墨轴套。

优选地，所述主轴本体的外圆周面上还固定有轴向定位环，在所述主轴轴套上还固定安装有第一石墨定位环和第二石墨定位环，所述第一石墨定位环和第二石墨定位环的内壁与主轴本体之间存在间隙，所述轴向定位环位于所述第一石墨定位环和第二石墨定位环之间，并且所述轴向定位环的两个端面分别与第一石墨定位环和第二石墨定位环接触。

优选地，所述驱动件包括固定套装在所述主轴本体上的电机转子、与所述电机转子配合的电机定子、套装在所述电机定子上的主轴冷却套和套装在所述主轴冷却套上的电机冷却套，所述电机冷却套上开设有冷却液进孔和冷却液出孔，所述主轴冷却套的外表面开设有冷却槽，由所述冷却液进孔进入的冷却液能够流经所述冷却槽后从所述冷却液出孔流出。

优选地，所述冷却槽呈螺旋形设置，所述电机冷却套和主轴轴套通过环形隔板可拆卸地固定连接在一起。

优选地，所述主轴本体呈圆管状，在所述主轴本体内可滑动地安装有拉杆，所述拉杆与所述主轴本体同轴设置，所述拉杆的一端安装有拉爪，所述拉爪的另一端安装有拉钉，所述超声波刀具组件安装在拉钉上，所述拉杆上还设置有使得所述拉钉朝着所述拉杆方向移动的弹性件，所述拉杆的另一端伸出所述主轴本体外部，所述电机冷却套上还安装拉杆驱动件，所述拉杆驱动件能够推动所述拉杆克服所述弹性件的弹力朝着所述拉钉的方向移动，当所述主轴本体旋转时，所述拉杆驱动件的输出轴与所述拉杆分离。

优选地，所述拉杆的另一端固定安装有调整板，所述调整板位于所述主轴本体的外侧，在所述弹性件设置在所述调整板和主轴本体的端部之间，所述拉杆驱动件包括活塞缸体、安装在所述活塞缸体内的活塞和安装在所述活塞缸体上的活塞端盖，所述活塞缸体一端封闭、一端敞口，在所述活塞缸体的封闭端上开设有通孔，所述活塞端盖封闭所述活塞缸体的敞口端，所述活塞端盖上开设有气孔，所述活塞包括可滑动地安装在所述活塞缸体上的活塞本体和固定在活塞本体上的活塞杆，所述活塞杆能够穿过所述通孔并推动所述拉杆。

优选地，所述主轴本体的端部还安装有圆光栅。

本实用新型与现有技术的不同之处在于，本实用新型提供的超声波主轴通过在主轴本体和主轴轴套之间设置气浮结构，气浮结构在主轴本体和主轴轴套之间形成一层具有一定承载力和刚度的润滑气膜，通过该气膜的支撑作用使主轴本体悬浮在主轴轴套中，由于润滑气膜的存在，使得主轴本体和主轴轴套不接触，从而主轴本体可以高速旋转，并且发热量小、磨损小，可以避免由于主轴本体的回转中心的微移而产生的低频振动，因此本实用新型提供的超声波主轴能够有效地提高超声加工的精度。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种实施方式的超声波主轴的结构示意图；

图2是图1中所示的超声波主轴的一个方式向的剖视图；

图3是图2中A处的放大视图；

图4是图2中B处的放大视图；

图5是图1中所示的超声波主轴的气浮轴套的结构示意图；

图6是图1中所示的超声波主轴的另一个方式向的剖视图；

附图标记说明：

1-主轴轴套；2-主轴本体；3-气浮轴套；4-环形槽；5-进气孔；6-出气孔；7-横槽；8-轴向定位环；9-第一石墨定位环；10-第二石墨定位环；13-电机转子；14-电机定子；15-主轴冷却套；16-电机冷却套；17-冷却液进孔；18-冷却液出孔；19-冷却槽；20-环形隔板；21-拉杆；22-拉爪；23-拉钉；24-弹性件；25-拉杆驱动件；26-调整板；27-活塞缸体；28-活塞；29-活塞端盖；30-气孔；31-圆光栅；32-定环；33-动环；34-环形凸台。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本实用新型，并非对本实用新型的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本实用新型的保护范围局限于此。

在本实用新型中限定了一些方位词，在未作出相反说明的情况下，所使用的方位词如“上、下、左、右”是指本实用新型提供的超声波主轴在正常使用情况下定义的，并与附图2中所示的上下左右方向一致。“内、外”是指相对于各零部件本身轮廓的内外，例如主轴轴套的内侧或外侧。这些方位词是为了便于理解而采用的，因而不构成对本实用新型保护范围的限制。

在本实用新型中，当零部件被称为“固定”在另一个零部件上，它可以直接在另一个零部件上，或者也可以存在居中的零部件。当一个零部件被认为是“连接”在另一个零部件上，它可以是直接连接到另一个零部件或者可能同时存在居中零部件。当一个零部件被认为是“安装”在另一个零部件上，它可以是直接安装在另一个零部件上或者可能同时存在居中零部件。

首先需要说明的是，为了解决上述技术问题，本实用新型提供的超声波主轴通过在主轴轴套与主轴本体之间设置气浮结构，使得主轴本体可以在主轴轴套上高速稳定旋转。在本技术构思范围内，本实用新型的保护范围并不局限于图1-图6所示的特定的具体细节结构，例如，所述气浮结构可以使用现有的各种适当的结构。

适当参考图1、图2所示，本实用新型提供的基本实施方式的超声波主轴可以包括主轴轴套1、可转动地安装在所述主轴轴套1内的主轴本体2、用于驱动所述主轴本体2旋转的驱动件和安装在所述主轴本体2端部的超声波刀具组件，所述主轴本体2通过气浮结构可转动地安装在所述主轴轴套1内。

上述基本实施方式提供的超声波主轴安装在车床上后，通过驱动件驱动主轴本体2旋转，由于在主轴本体2和主轴轴套1之间设置气浮结构，气浮结构可以在主轴本体2和主轴轴套1之间形成一层具有一定承载力和刚度的润滑气膜，通过该气膜的支撑作用使主轴本体2悬浮在主轴轴套1中，从而主轴本体2可以高速旋转，并且可以避免由于主轴本体2的回转中心的微移而产生的低频振动，同时安装在主轴本体2上的超声波刀具组件通过超声波发生器输出超声能量，并经换能器和变幅杆使得车刀产生高频振动，从而对工件进行切削。

在本实用新型中，所述的气浮结构可以采用现有的各种适当结构，例如，可以采用专利文献CN204387109U所公开的气浮轴承。

在本实用新型的一个优选实施方式中，如图2、图3所示，所述气浮结构包括套装在所述主轴本体2上的气浮轴套3，所述气浮轴套3与所述主轴轴套1固定连接，所述气浮轴套3的内壁与所述主轴本体2的外壁之间形成封闭的环形空间，所述气浮轴套3采用具有微孔的材料制作，所述气浮轴套3上的微孔沿径向(垂直于主轴本体轴线的方向)设置，在所述气浮轴套3的外圆周面上开设有多个环形槽4，所述主轴轴套1上开设有进气孔5和出气孔6，所述进气孔5与所述气浮轴套3的外圆周面上的所述环形槽4连通，所述出气孔6与所述气浮轴套3的外圆周面连接。

其中，所述具有微孔的材料可以使用多孔石墨、多孔青铜或者多孔陶瓷等材料，本实用新型中，所述气浮轴套3优选使用由多孔石墨制作的石墨轴套。

上述结构的气浮结构相对于现有的气浮结构，通过在气浮轴套3的外圆周面上开设环形槽4，并使进气口与环形槽4连通，出气孔6与气浮轴套3的外圆周面连接，可以使得由进气孔5进入的高压空气通过环形槽4槽底上的微孔进入到气浮轴套3与主轴本体2之间的环形空间内，并经由气浮轴套3上的微孔，进入与气浮轴套3外圆周面连接的出气孔6中，并由出气孔6排出超声波主轴外。由于气浮轴套3上的微孔分布均匀，因此可以在环形空间内形成均匀的气膜，并且由于气浮轴套3的用于出气的微孔的长度比用于进气的微孔的长度要长，因此出气阻力要大于进气阻力，由此可以在环形空间内形成具有一定承载力和刚度的润滑气膜。同时由于环形空间内的空气是流动的，流动的气体可以带走由于主轴本体2旋转而产生的热量，因此可以保证主轴本体2稳定旋转。

进一步地，为了使得环形空间内分布的气体更加均匀并且保证气浮轴套3的强度，参考图5所示，所述环形槽4平行设置，并且所述环形槽4之间通过横槽7连接在一起，所述横槽7开设在所述气浮轴套3的外表面。

在本实用新型中，由于气浮轴套3的外圆周面上开设有多个环形槽4，因此减少了气浮轴套3与主轴轴套1的接触面积，同时由于需要保持气浮轴套3上的微孔的通透性，因此气浮轴套3与主轴轴套1之间不能采用胶粘的固定形式，为了牢固地将气浮轴套3固定在主轴轴套上，优选地，所述主轴轴套1的内孔和所述气浮轴套3的外圆周面为圆锥面，通过设置为圆锥形结构的主轴轴套1和气浮轴套3，可以在安装时，使主轴轴套1与气浮轴套3紧密配合，从而保证二者连接的牢固性。

在本实用新型中，所述主轴本体2的轴向定位可以通过驱动件(如电机)来实现。

所述主轴本体2径向通过气膜实现定位，其轴向可以通过驱动件来实现定位。

为了更好地保证主轴本体2轴向定位，提高超声波主轴的稳定性，在本实用新型的优选实施例中，如图2、图3所示，所述主轴本体2的外圆周面上还固定有轴向定位环8，在所述主轴轴套1上还固定安装有第一石墨定位环9和第二石墨定位环10，所述第一石墨定位环9和第二石墨定位环10的内壁与主轴本体2之间存在间隙，所述轴向定位环8位于所述第一石墨定位环9和第二石墨定位环10之间，并且所述轴向定位环8的两个端面分别与第一石墨定位环9和第二石墨定位环10接触。

其中所述轴向定位环8可以与所述主轴本体2为一体结构，通过对主轴本体2进行机加工形成，也可以通过焊接等方式将轴向定位环8固定在主轴本体2上。为了便于所述第一石墨定位环9和第二石墨定位环10在所述主轴轴套1上的固定，所述轴向定位环8位于所述气浮轴套3的一侧，在本实施方式中，所述轴向定位环8位于所述气浮轴套3的左侧。

通过第一石墨定位环9和第二石墨定位环10分别与轴向定位环8的左右两端面接触，可以实现主轴本体2的轴向固定，提高超声波主轴工作的稳定性。同时由于第一石墨定位环9和第二石墨定位环10均采用石墨制作，其具有自润滑性能，因此可以减小主轴本体2转动时第一石墨定位环9和第二石墨定位环10与轴向定位环8之间的摩擦力。

在本实用新型中，所述驱动件是用于驱动主轴本体2旋转的，因此可以采用各种能够输出旋转运动的驱动结构。

为了使得本实用新型提供的超声波主轴的结构简单、紧凑，工作稳定，优选地，参考图2、图4、图5所示，所述驱动件包括固定套装在所述主轴本体2上的电机转子13、与所述电机转子13配合的电机定子14、套装在所述电机定子14上的主轴冷却套15和套装在所述主轴冷却套15上的电机冷却套16，参考图6所示，所述电机冷却套16上开设有冷却液进孔17和冷却液出孔18，所述主轴冷却套15的外表面开设有冷却槽19，由所述冷却液进孔17进入的冷却液能够流经所述冷却槽19后从所述冷却液出孔18流出。

在上述结构中，通过将电机转子13直接固定在主轴本体2上，可以通过电机转子13直接带动主轴本体2旋转，因此能够有效地节省电机所占用的空间。

具体地，如图2所示，电机转子13通过键连接等方式固定地套装在主轴本体2的右侧，主轴冷却套15通过螺钉固定在环形隔板20上，所述主轴轴套1也通过螺钉固定在环形隔板20上，从而使得电机冷却套16和主轴轴套1连接成一个整体，所述主轴冷却套15通过紧配合等方式固定地插入电机冷却套16内，所述电机定子14固定在电机冷却套16内，使得电机转子13和电机定子14形成稳定地电机结构。

电机转子13和电机定子14形成的内置电机结构在工作时，会产生较多的热量，为了实现内置电机的冷却，在所述主轴冷却套15采用导热性好的材料制作，并在主轴冷却套15上设置冷却槽19，所述冷却槽19可以采用各种适当的形式，例如所述冷却槽19呈螺旋形设置，冷却液(例如冷却水)通过所述冷却液进孔17进入所述冷却槽19，带走内置电机结构产生的热量，然后从所述冷却液出孔18流出，所述冷却液可以采用循环流动的形式，即所述冷却液进孔17和冷却液出孔18均通过快插结构连接水冷机，从而可以实现循环制冷效果。

如图1所示，所述电机冷却套16和主轴轴套1通过环形隔板20可拆卸地固定连接在一起，这样不仅方便组装人员安装，而且也方便维修，处处体现人性化的设计理念与需要。该超声波主轴从外部来看，机构简单漂亮，结构十分鲜明，在实现功能和技术指标的前提下，做到了产品的美观化，更能为产品增加优势。

在本实用新型中的一个实施方式中，所述主轴本体2呈圆管状，在所述主轴本体2内可滑动地安装有拉杆21，所述拉杆21与所述主轴本体2同轴设置，所述拉杆21的一端安装有拉爪22，所述拉爪22的另一端安装有拉钉23，所述超声波刀具组件安装在拉钉23上，所述拉杆21上还设置有使得所述拉钉23朝着所述拉杆21方向移动的弹性件24，所述拉杆21的另一端伸出所述主轴本体2外部，所述电机冷却套16上还安装拉杆驱动件25，所述拉杆驱动件25能够推动所述拉杆21克服所述弹性件24的弹力朝着所述拉钉23的方向移动，当所述主轴本体2旋转时，所述拉杆驱动件25的输出轴与所述拉杆21分离。

其中所述超声刀具组件可以包括超声波发生器、刀柄、安装在刀柄上的换能器和变幅杆、以及与变幅杆连接的车刀，其中超声波发生器可以为安装在主轴左端的动环33和与所述动环33配合的安装在主轴轴套1的定环32，所述动环33或定环32上安装有磁板。所述刀柄可以选用BT30特质刀柄，与刀柄配合的拉钉23也选用BT30拉钉。

当需要更换刀柄时，拉杆驱动件25的输出轴推动拉杆21克服弹性件24的弹力向左移动，使得刀柄的锥形的外圆周面与主轴本体2左端的锥孔孔壁脱离，然后旋转刀柄，即可将刀柄从拉钉23上卸下，再安装上需要的刀柄，当安装好刀柄后，拉杆驱动件25的输出轴缩回，在弹性件24弹力的作用下，所述拉杆21向右移动，从而带动拉爪22、拉钉23和刀柄向右移动，使得刀柄的紧固。

在本实用新型中，所述弹性件24可以采用压缩弹簧、拉伸弹簧等能够提供弹力的弹性件，其设置位置也可以根据需要确定。

为了使得本实用新型提供的超声波主轴结构更加合理、组装方便，优选地，所述拉杆21的另一端固定安装有调整板26，所述调整板26位于所述主轴本体2的外侧，在所述弹性件24设置在所述调整板26和主轴本体2的端部之间。

具体地，如图4所示，在拉杆21的右端固定安装有调整板26，所述调整板26通过螺母紧固，压缩弹簧套装在拉杆21伸出主轴本体2右侧的部分上，并且压缩弹簧的两端分别压在主轴本体2的右端面和调整板26的左端面上。图4中，在主轴本体2的右端还装有圆光栅31，以检测主轴本体2的旋转，由于圆光栅31相对主轴本体2固定不动，因此，在图4中，所述压缩弹簧的左端可以压在圆光栅31上。

为了进一步保证当所述主轴本体2旋转时，所述拉杆21的右端能够与拉杆驱动件25的输出轴分离，如图6所示，在拉杆21上固定有环形凸台34，并且安装拉杆21的所述主轴本体2的内孔为左大右小的阶梯孔，随着拉杆驱动件25的输出轴向右缩回，所述环形凸台34可以压在阶梯孔的台阶上，阻止拉杆21继续向右移动，从而可以使得拉杆21与拉杆驱动件25保持一定的间距。

在本实用新型中，所述拉杆驱动件25可以采用任何能够输出直线运动的驱动装置。

在本实用新型的一个优选实施例中，参考图2、图4所示，所述拉杆驱动件25包括活塞缸体27、安装在所述活塞缸体27内的活塞28和安装在所述活塞缸体27上的活塞端盖29，所述活塞缸体27一端封闭、一端敞口，在所述活塞缸体27的封闭端上开设有通孔，所述活塞端盖29封闭所述活塞缸体27的敞口端，所述活塞端盖29上开设有气孔30，所述活塞28包括可滑动地安装在所述活塞缸体27上的活塞本体和固定在活塞本体上的活塞杆，所述活塞杆能够穿过所述通孔并推动所述拉杆21。

如图1所示，通过使用上述结构的拉杆驱动件25，可以使得本实用新型提供的超声波主轴结构简单、体积更小。

本实用新型提供的新型超声波主轴不仅能够有效提高产品的加工精度，同时也减少了污染和噪声。其有着体积小，转速高，稳定性高的技术优势，能够广泛应用于超声波加工领域。该超声波主轴可以用于高精密数控机床及小型钻铣加工中心上，不仅可以提高产品的品质，而且还能延长刀具的寿命，保障机床稳定高效率的工作。

以上实施方式的先后顺序仅为便于描述，不代表实施方式的优劣。

最后应说明的是：以上实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施方式技术方案的精神和范围。