专利名称：超声振动钻孔的回转式换能器主轴装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种主轴装置，更特别地说，是指一种适用于超声振动钻孔用的主轴 装置，该主轴装置能够产生回转式超声振动，属于金属切削加工和金属切削设备部件。
背景技术：
现有技术条件下，在难加工材料(如玻璃、工程陶瓷、金属基复合材料等)的小 孔加工中应用最广泛、实用性最强的是普通钴孔工艺，伹釆用这种方法时，钴头易引 偏、定心差、排屑不畅、散热难、出口毛剌多，难以满足小孔精密和超精密加工需要。 而采用特种加工方法(电火花、激光、电子束、离子束、电解等)又存在孔圆度和孔 径精度差，表面粗糙度较差，设备昂贵，生产率低，孔壁有重铸层和微裂纹等缺陷， 严重影响产品性能。超声振动钴削具有利于排屑、降低出口毛剌、降低切削力、加工 效率高、加工精度高、表面质量好等优点，可全面提高孔的加工质量和刀具寿命，是 解决难加工材料中孔加工难题的有效技术手段。
超声振动钴削是通过超声换能器将超声发生器产生的高频电振荡(一般为16 25千赫)转换成超声频振动，超声振动通过变幅杆放大振幅，并驱动工具产生相应频 率的振动，使传统钴孔工艺的连续切削过程变成间断、瞬间和周期性的切削过程。
回转式超声加工是在传统超声加工的基础上发展起来的，其不同之处在于刀具 在作超声振动的同时附加了旋转运动，与传统超声加工相比具有加工效率高，加工表 面质量好，加工精度高，工具磨损小等优点。在已有的回转式超声加工设备的设计中， 为了避免振动对外围设备的影响，大都将换能器与回转主轴设计为两个部件，主轴中 空，换能器与回转主轴以薄法兰盘联接，这样在很大程度上增加了机构的复杂程度， 使主轴的回转精度难以保证。 发明 内容
本发明的目的是提供一种超声振动钴孔的回转式换能器主轴装置，该主轴装置通 过在主轴上安装从动轮、以及在主轴端部连接换能器，在加工时，主轴作回转运动的 同时能够产生主轴轴线方向上的超声振动。本发明设计的主轴装置将换能器与主轴接 合成一整体，减少了主轴装置的连接配合面，改善了主轴的回转精度。
本发明超声振动钻孔的回转式换能器主轴装置，由主轴组件、电机驱动组件、换
能器供电组件、売体组件组成；换能器供电组件的压紧螺钉连接在主轴组件的主轴的 螺纹孔内；电机驱动组件的从动带轮套接在主轴组件的主轴上，且主动带轮与从动带 轮通过传动带传动连接。其中，主轴组件(1)的主轴(103)上设有A外螺纹(134)、 B外螺纹(132)，主轴(103)的右端端部设有螺纹孔(131a),主轴(103)的右 端为锥形段(131); A外螺纹(134)上连接有锁紧螺母(105)， B外螺纹(132) 上连接有压紧螺母(113),螺纹孔(131a)内连接有压紧螺钉(510)，主轴(103) 的中间段(133)上安装有衬套(102)，锥形段(131)上安装有从动带轮(32); 主轴组件(1)的主轴(103)上从右至左顺次设有防尘盖(114)、压紧螺母(113)、 B角接触球轴承(112)、弹簧压套(lll)、弹簧组(110)、压片(109)、衬套(102)、 A角接触球轴承(108)、轴承盖(107)、锁紧螺母(105)，轴承盖(107)与套筒 (101)的左端连接，套筒(101)的右端螺纹孔内连接有防尘盖(114);刀具(104) 安装端夹持在弹簧夹头(106)上，弹簧夹头(106) —端穿过锁紧螺母(105)的 中心通孔，且锁紧螺母(105)安装在主轴(103)的A外螺纹(134)上，可以通 过锁紧螺母(105)将刀具(104)夹紧在在主轴(103)上；套筒(101)上设有 B主轴定位孔(101a)，装配时，通过在A主轴定位孔(4d)、 B主轴定位孔(101a) 中放入销钉来准确定位主轴组件(1)的轴向位置。
本发明超声振动钻孔的回转式换能器主轴装置的优点
(一) 主轴103设计成多段结构，在锥形段131上套接从动带轮32,在电机2的 驱动下能够使主轴103产生回转运动，在主轴103端部安装换能器(即压紧 螺钉510与主轴103连接)，在加载电压的条件下，使压电陶瓷堆509产生 超声振动，并传递给主轴103，从而实现主轴103在作回转运动的同时产生 超声振动。
(二) 从动带轮32作为扭矩的传递部件，同时也作为换能器的一部分传递超声振动 能量，从而实现了换能器与主轴103 —体的结构型式，避免了两者通过法兰 连接的结构，减少了配合面，简化了主轴系统的内部结构，利于保证主轴的回
转精度。
(三) 在主轴组件1中利用弹簧组110作为柔性元件对B角接触球轴承112的外圈 定压预紧，同时达到吸收振动能量的目的，在振动传递途径上将振源隔离。
(四) 该主轴装置结构简单，易装拆，可作为钴床结构附件独立使用。
图1是本发明超声振动钴孔的回转式换能器主轴装置的外部结构图。
图1A是未装配壳体组件的主轴装置结构图。 图2是本发明主轴组件的分解示图。
图3是本发明电机驱动组件与换能器供电组件的装配示图。 图4是本发明换能器供电组件的的分解示图。
图中l.主轴组件101.套筒lOla.B主轴定位孔102.衬套103.主轴131.锥形段131a.螺纹孔132.B外螺纹
133.中间段134.A外螺纹104.刀具105.锁紧螺母106.弹簧夹头
107.轴承盖108.A角接触球轴承109.压片IIO.弹簧组lll.弹簧压套
112.B角接触球轴承113.压紧螺母114.防尘盖2.电机
31.主动带轮31a.限位块3.传动带32.从动带轮4&.电机连接板
4b.下壳体4c.上売体4cLA主轴定位孔4e.换能器外盖
5.换能器供电组件 -501.电缆502.滑环衬套502a.滑环
503.上压块504.弹簧507.下压块508.后盖板509.压电陶瓷堆510.压紧螺钉
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图l、图1A、图3所示，本发明是一种超声振动钻孔的回转式换能器主轴 装置，该回转式换能器主轴装置由主轴组件1、电机驱动组件、换能器供电组件5、 壳体组件组成；换能器供电组件5的压紧螺钉510连接在主轴组件1的主轴103的 螺纹孔131a内；电机驱动组件的从动带轮32套接在主轴组件1的主轴103上， 且主动带轮31与从动带轮32通过传动带3传动连接。
参见图1所示，壳体组件包括电机连接板4a、上売体4c、下壳体4b、换能器 外盖4e;上壳体4c与下壳体4b之间放置有主轴组件1 ，且上壳体4c与下壳体4b 采用螺钉与螺纹孔(螺纹孔设置在下壳体4b上)的配合，将主轴组件l抱紧。电机 连接板4a的一侧安装有上壳体4c、下壳体4b，电机连接板4a的另一侧安装有电 机2、换能器外盖4e (换能器外盖4e内放置有换能器供电组件5);上壳体4c上设 有A主轴定位孔4d，装配时，通过在A主轴定位孔4d、 B主轴定位孔101a (设在 套筒101上)中放入销钉来准确定位主轴组件1的轴向位置。下壳体4b的底部设 有通孔，可与机床的机架相连。
参见图1、图1A、图3所示，电机驱动组件包括有电机2、主动带轮31、从动 带轮32、限位块31a、传动带3;电机2安装在电机连接板4a上，电机2的输出 轴上安装有主动带轮31，主动带轮31的端部安装有限位块31a，限位块31a用于 定位主动带轮31在电机2的输出轴上的轴向位置，主动带轮31与从动带轮32上 套接有传动带3，从动带轮32安装在主轴组件1的主轴103的右部，即锥形段131 上。电机2采用交流伺服电机，电机输出功率为750W。在电机2的驱动下能够使 主轴103产生回转运动。
参见图3、图4所示，换能器供电组件5包括有压电陶瓷堆509、压紧螺钉510、 后盖板508、上压块503、下压块507、弹簧504、滑环衬套502、滑环502a; 压紧螺钉510的螺纹端顺次穿过后盖板508的中心通孔、压电陶瓷堆509的中心通 孔后，连接在主轴103的锥形段131端部的螺纹孔131a内，由于从动带轮32套 接在主轴103的锥形段131上，故压电陶瓷堆509的一端面与从动带轮32的一端 面紧贴，下压块507连接在后盖板508上，弹簧504的一端套在下压块507的凸 台上，弹簧504的另一端套在上压块503上，滑环502a的一端套接在上压块503 的中心通孔内，滑环502a的另一端(接线柱端)套接在滑环衬套502的中心通孔 内，滑环衬套502安装在换能器外盖4e尾部，换能器外盖4e的前部安装在上壳体 4c、下壳体4b的端部。滑环502a的接线柱端与外部的电缆501连接；
压电陶瓷堆509由压电陶瓷片与电极叠加组成，叠加方式为每两个压电陶瓷片 夹着一个电极，电极可以是铜片；压电陶瓷堆509能够产生20000 50000他高 频振动。本发明所需压电陶瓷片为4个。
在本发明中，滑环502a通过弹簧504柔性连接，使主轴103回转产生的摆 动及压电陶瓷堆509产生的振动不会影响滑环502a的正常工作，保证供电的可
靠稳定。
参见图2所示，主轴组件1的主轴103上设有A外螺纹134、 B外螺纹132， 主轴103的右端端部设有螺纹孔131a，主轴103的右端为锥形段131; A外螺纹 134上连接有锁紧螺母105， B外螺纹132上连接有压紧螺母113，螺纹孔131a 内连接有压紧螺钉510，主轴103的中间段133上安装有衬套102，锥形段131 上安装有从动带轮32;主轴组件1的主轴103上从右至左顺次设有防尘盖114、压
紧螺母113、 B角接触球轴承112、弹簧压套lll、弹簧组IIO、压片109、衬套 102、 A角接触球轴承108、轴承盖107、锁紧螺母105，轴承盖107与套筒101
的左端连接，套筒101的右端螺纹孔内连接有防尘盖114;刀具104安装端夹持在 弹簧夹头106上，弹簧夹头106 —端穿过锁紧螺母105的中心通孔，且锁紧螺母 105安装在主轴103的A外螺纹134上，可以通过锁紧螺母105将刀具104夹紧 在在主轴103上；套筒101上设有B主轴定位孔101a，装配时，通过在A主轴定 位孔4d (A主轴定位孔4d设在上壳体4c上)、B主轴定位孔10 la中放入销钉来 准确定位主轴组件1的轴向位置。
在本发明中，主轴103设计成多段结构，在锥形段131上套接从动带轮32, 在电机2的驱动下能够使主轴103产生回转运动，在主轴103端部安装换能器(即 压紧螺钉510与主轴103连接)，在加载电压的条件下，使压电陶瓷堆509产生超 声振动，并传递给主轴103，从而实现主轴103在作回转运动的同时产生沿主轴轴 线方向的超声振动。
在本方明中，弹簧压套lll、弹簧组IIO、压片109形成定压预紧弹性件，该 定压预紧弹性件实现对B角接触球轴承112作定压预紧及吸收不良超声振动能量的 作用，减小超声振动对外围设备的影响，利于本发明回转式超声换能器主轴系统的工 作平稳。
本发明的回转式超声换能器主轴装置，可安装于台式钴床上，加入进给控制组件 即可对工件进行加工。使系统中的电机工作，利用滑环502a为超声换能器供电，实 现主轴103高速回转的同时产生主轴轴线方向超声振动，叠加得到回转超声振动的 复合运动。在主轴端部装夹钻头或铰刀，即可实现回转超声振动钻孔或铰孔。
8
权利要求
1、一种超声振动钻孔的回转式换能器主轴装置，其特征在于该回转式换能器主轴装置由主轴组件(1)、电机驱动组件、换能器供电组件(5)、壳体组件组成；换能器供电组件(5)的压紧螺钉(510)连接在主轴组件(1)的主轴(103)的螺纹孔(131a)内；电机驱动组件的从动带轮(32)套接在主轴组件(1)的主轴(103)上，且主动带轮(31)与从动带轮(32)通过传动带(3)传动连接；壳体组件包括电机连接板(4a)、上壳体(4c)、下壳体(4b)、换能器外盖(4e)；上壳体(4c)与下壳体(4b)之间放置有主轴组件(1)，且上壳体(4c)与下壳体(4b)采用螺钉与螺纹孔的配合，将主轴组件(1)抱紧；电机连接板(4a)的一侧安装有上壳体(4c)、下壳体(4b)，电机连接板(4a)的另一侧安装有电机(2)、换能器外盖(4e)；上壳体(4c)上设有A主轴定位孔(4d)，装配时，通过在A主轴定位孔(4d)、B主轴定位孔(101a)中放入销钉来准确定位主轴组件(1)的轴向位置；电机驱动组件包括有电机(2)、主动带轮(31)、从动带轮(32)、限位块(31a)、传动带(3)；电机(2)安装在电机连接板(4a)上，电机(2)的输出轴上安装有主动带轮(31)，主动带轮(31)的端部安装有限位块(31a)，主动带轮(31)与从动带轮(32)上套接有传动带(3)，从动带轮(32)安装在主轴组件(1)的主轴(103)的右部，即锥形段(131)上；在电机(2)的驱动下能够使主轴(103)产生回转运动；换能器供电组件(5)包括有压电陶瓷堆(509)、压紧螺钉(510)、后盖板(508)、上压块(503)、下压块(507)、弹簧(504)、滑环衬套(502)、滑环(502a)；压紧螺钉(510)的螺纹端顺次穿过后盖板(508)的中心通孔、压电陶瓷堆(509)的中心通孔后，连接在主轴(103)的锥形段(131)端部的螺纹孔(131a)内，下压块(507)连接在后盖板(508)上，弹簧(504)的一端套在下压块(507)的凸台上，弹簧(504)的另一端套在上压块(503)上，滑环(502a)的一端套接在上压块(503)的中心通孔内，滑环(502a)的另一端套接在滑环衬套(502)的中心通孔内，滑环衬套(502)安装在换能器外盖(4e)尾部，滑环(502a)的接线柱端与外部的电缆(501)连接；压电陶瓷堆(509)由压电陶瓷片与电极叠加组成，叠加方式为每两个压电陶瓷片夹着一个电极，电极可以是铜片；主轴组件(1)的主轴(103)上设有A外螺纹(134)、B外螺纹(132)，主轴(103)的右端端部设有螺纹孔(131a)，主轴(103)的右端为锥形段(131)；A外螺纹(134)上连接有锁紧螺母(105)，B外螺纹(132)上连接有压紧螺母(113)，螺纹孔(131a)内连接有压紧螺钉(510)，主轴(103)的中间段(133)上安装有衬套(102)，锥形段(131)上安装有从动带轮(32)；主轴组件(1)的主轴(103)上从右至左顺次设有防尘盖(114)、压紧螺母(113)、B角接触球轴承(112)、弹簧压套(111)、弹簧组(110)、压片(109)、衬套(102)、A角接触球轴承(108)、轴承盖(107)、锁紧螺母(105)，轴承盖(107)与套筒(101)的左端连接，套筒(101)的右端螺纹孔内连接有防尘盖(114)；刀具(104)安装端夹持在弹簧夹头(106)上，弹簧夹头(106)一端穿过锁紧螺母(105)的中心通孔，且锁紧螺母(105)安装在主轴(103)的A外螺纹(134)上，可以通过锁紧螺母(105)将刀具(104)夹紧在在主轴(103)上；套筒(101)上设有B主轴定位孔(101a)，装配时，通过在A主轴定位孔(4d)、B主轴定位孔(101a)中放入销钉来准确定位主轴组件(1)的轴向位置。
2、 根据权利要求1所述的超声振动钴孔的回转式换能器主轴装置，其特征在于电 机(2)采用交流伺服电机，电机1T出功率为750W。
3、 根据权利要求l所述的超声振动钴孔的回转式换能器主轴装置，其特征在于由 于从动带轮(32)套接在主轴(103)的锥形段(131)上，故压电陶瓷堆(509) 的一端面与从动带轮(32)的一端面紧贴。
4、 根据权利要求1所述的超声振动钴孔的回转式换能器主轴装置，其特征在于压 电陶瓷堆(509)能够产生20000 50000/fe高频矛辰动。
5、 根据权利要求1所述的超声振动钴孔的回转式换能器主轴装置，其特征在于压 电陶瓷堆(509)中压电陶瓷片为4个。
6、 根据权利要求1所述的超声振动钴孔的回转式换能器主轴装置，其特征在于滑 环(502a)通过弹簧(504)柔性连接，使主轴(103)回转产生的摆动及压电 陶瓷堆(509)产生的振动不会影响滑环(502a)的正常工作，保证供电的可靠稳定。
全文摘要
本发明公开了一种超声振动钻孔的回转式换能器主轴装置，该回转式换能器主轴装置由主轴组件(1)、电机驱动组件、换能器供电组件(5)、壳体组件组成；换能器供电组件(5)的压紧螺钉(510)连接在主轴组件(1)的主轴(103)的螺纹孔(131a)内；电机驱动组件的从动带轮(32)套接在主轴组件(1)的主轴(103)上，且主动带轮(31)与从动带轮(32)通过传动带(3)传动连接。本发明回转式超声换能器主轴装置，可安装于台式钻床上，加入进给控制组件即可对工件进行加工。使系统中的电机工作，利用滑环(502a)为超声换能器供电，实现主轴(103)高速回转的同时产生主轴轴线方向超声振动，叠加得到回转超声振动的复合运动。在主轴端部装夹钻头或铰刀，即可实现回转超声振动钻孔或铰孔。
文档编号B06B1/06GK101376175SQ20081022354
公开日2009年3月4日 申请日期2008年10月7日 优先权日2008年10月7日
发明者张德远, 马晓杰, 高正博 申请人:北京航空航天大学