一种基于旋转式无线电能传输的超声振动气钻的制作方法

本发明涉及超声加工及气动技术领域，具体地说，涉及一种将超声振动切削和旋转式无线电能传输技术结合应用于普通气钻的新型手持制孔工具。

背景技术：

气钻是一种手持式气动工具，主要用于对金属构件的钻孔加工，尤其适用于薄壁壳体和铝镁等轻合金构件的制孔工作，广泛应用于航空航天制造、汽车、船舶制造、家电制造及维修行业，是飞机制造装配中的一种不可或缺的常用工具。气钻具有转速高、工作环境适应性好、清洁安全、低成本、易于维护的特点。但气钻的稳定性差、噪声大、加工质量低，不适用于难加工材料，如钛合金、碳纤维增强复合材料及碳纤维增强复合材料/合金叠层结构等构件的加工，极大地制约了气钻在现代飞机制造装配中的应用。

超声振动钻削是在切削过程中给刀具或工件施加高频微幅的超声振动，即以钻削为主、超声振动为辅的一种新的复合工艺方法。超声振动钻削改变了传统钻削的连续切削机理，能显著降低切削力和切削温度，增强断屑作用，改善切屑排出，降低加工硬化，从而改善切削条件，提高加工质量、材料去除率和刀具寿命等。

为了将超声振动钻削技术应用于气钻，必须解决做相对转动的两个机构间的电能传输。通常采用导电滑环实现做相对转动的两个机构间的电能传输，但导电滑环因采用电接触滑动电能传输方式，具有发热严重、电能传输不稳定、成本高、易损坏的缺点。为了避免其不足，将超声振动钻削技术应用于气钻，形成一种新的超声振动气钻，采用新的旋转式无线电能传输技术，显著提高了气钻的加工性能。

技术实现要素：

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于旋转式无线电能传输的超声振动气钻；通过将超声振动施加于传统钻削过程中，形成由超声振动和传统钻削运动耦合的复合加工方式。该复合加工方式能有效地改善加工质量、提高加工效率、降低加工噪声和改善操作人员作业状况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括旋转式无线输电组件、超声换能组件、变幅杆、弹簧夹头组件、连接组件,所述旋转式无线输电组件包括无线输电初级、无线输电次级，无线输电初级与无线输电次级为两个结构相同、中间有轴向孔的环槽形铁心，环槽内分别安装初级绕组和次级绕组，用来实现两个相对转动构件间的无线电能传输，无线输电次级安装在变幅杆上且与变幅杆过盈配合，并通过变幅杆上的小孔用导线与超声换能组件连接，无线输电初级通过紧定螺定紧固在前壳体上且与变幅杆间隙配合，无线输电初级通过气钻前壳体、后壳体上的小孔用导线与超声波发生器连接；

所述超声换能组件包括预紧压板、二个压电陶瓷片、二个厚电极、绝缘套,预紧压板安装在变幅杆上，二个压电陶瓷片和二个厚电极相互隔开套装在绝缘套上位于预紧压板的侧面，绝缘套套装在变幅杆上并随变幅杆一起旋转，压电陶瓷片为圆环形结构，厚电极为中间有圆孔的铜片，外径上有二个对称的矩形凸块用于焊接导线；

所述变幅杆为有轴向孔的台阶轴，变幅杆右端为螺孔与连接轴螺纹连接，变幅杆左端有一段外螺纹和锥形内孔，锥形内孔和外螺纹用于安装弹簧夹头和夹头螺母，变幅杆通过预紧压板将超声换能组件装配在一起构成超声换能器，变幅杆用于放大超声振动的振幅；

所述弹簧夹头组件包括弹簧夹头、夹头螺母，弹簧夹头位于变幅杆前端的锥形内孔中，且与变幅杆螺纹连接，弹簧夹头用于装夹刀具，夹头螺母用于将刀具和弹簧夹头紧固在变幅杆端部并旋紧；

所述连接组件包括前壳体、连接轴、轴承、滚珠轴承、垫片、端盖，前壳体为圆筒形结构，前壳体一端部有外螺纹与气钻后端壳体螺纹连接，前壳体另一端与端盖连接，端盖内侧与滚珠轴承之间加装垫片,滚珠轴承位于无线输电初级一侧，轴承位于预紧压板一侧，连接轴一端与变幅杆螺纹连接，连接轴另一端与气钻后端动力总成连接，并通过导线与超声波发生器连接，组成超声振动气钻。

所述连接轴与变幅杆、弹簧夹头同轴安装。

有益效果

本发明提出的一种基于旋转式无线电能传输的超声振动气钻，通过将超声振动施加于传统钻削过程中，形成由超声振动和传统钻削运动耦合的复合加工方式。该复合加工方式能有效地改善加工质量、提高加工效率、降低加工噪声和改善操作人圆作业状况。

本发明基于旋转式无线电能传输的超声振动气钻，是将超声振动切削和旋转式无线电能传输技术应用于普通气钻的新型手持制孔工具，以普通气钻为基础，以超声振动钻削装置取代普通气钻的卡盘，超声波发生器用于产生超声频电信号，驱动超声振动钻削装置工作，使超声频电信号转换为超声频机械振动；实现气钻的超声振动钻削。

超声振动钻削是以钻削为主、超声振动为辅的复合工艺，改变了传统钻削的连续切削机理。与现有技术相比其性能优势在于:在加工过程中,显著降低切削力和切削温度；增强断屑作用，改善切屑排出，降低加工硬化，从而改善切削条件；提高加工质量，尤其提高钻孔尺寸精度和形位精度、降低孔壁表面粗糙度、减少或消除出口毛刺；减轻刀具磨损，延长刀具寿命；提高材料去除率；适用于钛合金、铝合金、镍铬高温合金、碳纤维增强复合材料等难加工材料的切削加工。大幅度降低钻削加工噪音，改善操作人员作业环境，钻削力减小使手持气钻钻孔更加舒适；产品成本低，使用寿命长。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于旋转式无线电能传输的超声振动气钻作进一步详细说明。

图1为本发明基于旋转式无线电能传输的超声振动气钻示意图。

图2a为本发明超声振动气钻的钻削装置示意图。

图2b为本发明超声振动气钻的钻削装置装配示意图。

图3a、图3b为本发明超声振动气钻的旋转式无线输电组件示意图。

图4a、图4b、图4c、图4d为本发明超声振动气钻的变幅杆示意图。

图5a、图5b、图5c、图5d为超声振动气钻的前壳体示意图。

图6a、图6b为超声振动气钻的钻削装置连接轴示意图。

图7为超声振动气钻的厚电极示意图。

图中:

1.连接轴 2.前壳体 3.轴承 4.预紧压板 5.压电陶瓷片 6.厚电极 7.无线输电次级 8.无线输电初级 9.滚珠轴承 10.端盖 11.夹头螺母 12.弹簧夹头 13.刀具 14.变幅杆 15.垫片 16.紧定螺钉 17.绝缘套

具体实施方式

本实施例是一种基于旋转式无线电能传输的超声振动气钻。

参见图1～图7，本实施例基于旋转式无线电能传输的超声振动气钻，由旋转式无线输电组件、超声换能组件、变幅杆、弹簧夹头组件和连接组件组成。旋转式无线输电组件用于实现无线电能传输；超声换能组件用于将超声频电信号转换为超声频机械振动；变幅杆用于将小振幅机械振动放大为大振幅机械振动，以达到超声振动钻削加工的要求；弹簧夹头组件用于装夹刀具；连接组件用于与气钻后端连接在一起。

本实施例中,旋转式无线输电组件由无线输电初级8和无线输电次级7组成。无线输电初级8和无线输电次级7为环槽形结构，端面有导线引入或引出。根据电磁感应原理，无线输电初级8和无线输电次级7为两个形状、大小相同的带轴向孔的环槽形铁心，两个环槽形铁心可相对转动，环槽内分别安装初级绕组和次级绕组。在超声振动气钻工作过程中，无线输电初级8不转动，无线输电次级7随变幅杆14一起转动，用来实现两个相对转动构件间的无线电能传输。因此，将无线输电次级7通过过盈配合安装在变幅杆14上，并通过变幅杆14上的小孔用导线与超声换能组件连接，使其随变幅杆14和超声换能组件一起旋转，同时向超声换能组件传输电能。无线输电初级8通过紧定螺钉16紧固在前壳体2上，与变幅杆14之间为间隙配合，即不随变幅杆14旋转。无线输电初级8通过气钻前壳体、后壳体上的小孔用导线与超声波发生器连接。

超声换能组件包括预紧压板4、二个压电陶瓷片5、二个厚电极6、绝缘套17,预紧压板4为带有螺纹通孔的环形结构，用于将超声换能组件的各个零件固定在一起；二个压电陶瓷片5为带有圆形通孔的环形结构；二个厚电极6为中间有圆孔的铜片，外径上有二个对称的矩形凸块，用于焊接导线。绝缘套17为薄壁圆筒结构，套装在变幅杆14上用于绝缘。二个压电陶瓷片5与二个厚电极相互隔开套装在绝缘套17上。安装时，首先将绝缘套17套装在变幅杆14上，并依次装入厚电极6、压电陶瓷片5、厚电极6、压电陶瓷片5，然后通过预紧压板4将各个零件与变幅杆14紧固在一起，使其随变幅杆14一起旋转。

变幅杆14与超声换能组件构成超声换能器；变幅杆14的作用是放大超声换能器的振幅、提高振速比、聚能以及调整换能器与刀具之间的负载匹配，以满足超声振动加工的要求。变幅杆14为有轴向孔的台阶形细长圆柱体结构，用于放大超声振动的振幅。变幅杆14右端为螺孔与连接轴1螺纹连接，并由连接轴1驱动旋转。变幅杆14左端一段有外螺纹和锥形内孔，锥形内孔和外螺纹用于安装弹簧夹头12和夹头螺母11。变幅杆14通过预紧压板4将超声换能组件装配在一起构成超声换能器。在超声振动气钻工作时，变幅杆不仅驱动刀具13旋转，而且起放大刀具顶端机械振幅的作用。

弹簧夹头组件与变幅杆左端的螺纹连接，用于装夹刀具。弹簧夹头组件包括弹簧夹头12、夹头螺母11。弹簧夹头根据加工孔径选取；夹头螺母根据设计要求选取。安装时，先将弹簧夹头12装入夹头螺母11，然后将二者整体旋入变幅杆14左端，放入刀具13后再将夹头螺母11旋紧，弹簧夹头安装在超声变幅机构前端锥形孔中，用于安装刀具；夹头螺母用于将刀具和弹簧夹头紧固于超声变幅杆左端。

连接组件由前壳体2、连接轴1、轴承3和导线孔、导线组成。前壳体2为圆筒形结构，右端设有外螺纹用于与气钻后端壳体螺纹连接。连接轴1一端与气钻后端动力总成连接，连接轴另一端与变幅杆14螺纹连接，从而驱动变幅杆14旋转。导线孔和导线用于将超声振动钻削组件与超声波发生器连接。连接组件将超声振动钻削组件与气钻后端连接，实现动力传送和电能传输，从而构成超声振动气钻。

本实施例超声振动气钻的电路连接:

通过导线将220V、50Hz电源输入超声波发生器，低频电信号经过超声波发生器转化为超声频电信号，超声频电信号通过导线被传送到无线输电初级，然后，通过电磁感应方式将电能传送到无线输电次级，再通过导引孔将无线输电次级的引出导线与超声换能器的厚电极的两个矩形凸块焊接在一起，并将超声频电信号传递到超声换能器。

超声波发生器的作用是把市电转换成与超声换能器相匹配的超声频交流电信号，驱动超声换能器工作。超声波发生器的选择则根据加工材料和加工要求选择其工作频率和输出功率，综合考虑加工材料的特性和加工质量诸多因素，选择出最适用的超声波发生器。并通过导线将其连接到旋转式无线输电组件的无线输电初级上，给超声换能器提供超声频电信号。超声波发生器的输入采用220V、50Hz电源。

超声振动钻削组件整体装配好以后，通过前壳体螺纹和连接轴连接到气钻后端，然后套上气钻的橡胶保护套，构成完整的基于旋转式无线电能传输的超声振动气钻。