一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及机械领域，具体地涉及一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头，包括超声振动部分，还包括刀柄和刀杆，所述刀柄固连有内套，内套固连有变幅杆，变幅杆底端设有刀杆，刀杆上安装有电极，刀柄、变幅杆、刀杆的轴线重合，内套外部设有外套，外套延伸至变幅杆中段，外套与变幅杆之间形成有空腔Ⅲ，空腔Ⅲ的端部设有机械水封，变幅杆内部设有放电介质流通通道。本实用新型具有同轴度高、旋转速度高、结构简单的优点。
【专利说明】一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及机械领域，具体地涉及一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工 具头。
【背景技术】
[0002] 超声振动本质上是一种小位移、高频率，通常是几微米到几百微米、20KHz以上的 机械振动，因其具有空化、悬浮、反射、折射、传递能量与信号等特性受到广泛应用。在电火 花加工领域，给工件或者工具叠加超声振动进行电火花加工在微细电火花加工领域方面已 经取得了较好的效果，证明了超声振动，有助于提升微细电火花加工的放电频率，改善放电 条件，促进电蚀产物的排出，最终提升了加工效果与效率；在普通电火花加工方面，超声振 动由于位移较小，对充放电产生的拉弧作用不大，但在提升表面粗糙度、改善电蚀产物的排 出等方面具有积极的影响。
[0003] 另一方面，电火花铣削加工技术是20世纪90年代出现的新型成形电火花加工技 术。这一加工技术所使用的工具电极通常为简单棒状或管状，工具电极在控制系统的作用 下相对工件做成形运动，可以加工出所需形状的工件。电火花铣削加工技术可以实现传统 成形电火花加工的目的，节省了成形工具电极设计和制造的时间与成本，是一种加工柔性 极高的电火花加工技术。
[0004] 为了进一步提升电火花铣削加工技术的效果与速度，超声辅助电火花铣削加工技 术被提出和研究，但适宜超声辅助电火花铣削、带有内冲液功能的主轴头一直未能商品化。 山东大学苏树朋在其博士学位论文《基于气体介质的电火花铣削加工技术及机理研究》中 公开了一种超声辅助电火花铣削主轴头，如附图5所示，包括主轴支撑系统、工具电极旋转 系统、超声振动装置和介质输入系统，其中主轴支撑系统主要由内主轴17、外主轴18、角接 触轴承A12和角接触轴承B19组成；工具电极旋转系统主要由内主轴17经同步带轮20通 过同步带与直流调速电极连接，实现主轴的高速旋转；超声振动装置主要由压电陶瓷换能 器10、变幅杆5、前配块7和后配块11组成；介质输入系统主要由介质输入管1、管接头2、 套筒6和0形密封圈3组成。该超声辅助电火花铣削主轴头可以实现电极的通液、通气，但 是存在以下问题：一是，超声变幅杆仅依靠法兰盘定位，同轴度难以保证；二是，变幅杆侧 面与中心开孔，通过上下两个橡胶密封圈插入一个空腔，空腔静止而变幅杆转动，空腔中通 入压力气体或液体流经变幅杆的侧面与中心孔，最终从工具电极中流出，橡胶圈对变幅杆 的摩擦阻力大，导致整个系统转速较低；三是，工具电极通过螺纹连接在变幅杆底端，需要 专门制备工具电极。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的在于解决上述技术问题，提供一种同轴度高、旋转速度高、结构 简单的通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头。
[0006] 本实用新型的技术方案是：一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头，包括 超声振动部分，还包括刀柄和刀杆，所述刀柄固连有内套，内套固连有变幅杆，变幅杆底端 设有刀杆，刀杆上安装有电极，刀柄、变幅杆、刀杆的轴线重合，内套外部设有外套，外套延 伸至变幅杆中段，外套与变幅杆之间形成有空腔III，空腔III的端部设有机械水封，变幅杆内 部设有放电介质流通通道。
[0007] 通过在变幅杆的前端设置刀柄和内套，在变幅杆的底端设置刀杆，并使刀柄、变幅 杆和刀杆的轴线重合，即使变幅杆的旋转中心与刀柄和刀杆的中心重合，同轴度高；在外 套与变幅杆之间设置空腔III并在空腔III的端部设置机械水封，能够降低对变幅杆的摩擦阻 力，提高变幅杆的旋转速度；同时，在变幅杆内部设置有放电介质流通通道，能够实现电极 的通液。
[0008] 优选地，所述刀杆上设有安装孔，安装孔内设有防漏橡胶圈，电极通过夹头和压帽 固定在安装孔内，变幅杆中段内部设有水平方向的通孔，通孔中部与延伸至安装孔的盲孔 相通，所述通孔和盲孔组成放电介质流通通道。
[0009] 优选地，所述机械水封是陶瓷石墨机械水封，陶瓷石墨机械水封包括设有橡胶内 套的石墨部分和设有碳化硅的陶瓷部分，石墨部分分别设在变幅杆顶部和变幅杆3/4超声 波波长位置处，陶瓷部分分别设在空腔III的上端部和下端部。
[0010] 优选地，所述超声振动部分包括后配块、换能器和变幅杆，后配块和换能器设在内 套内部的空腔内，后配块、换能器和变幅杆通过螺栓固连，内套外表面设有导电环，导电环 通过导线与换能器和变幅杆相连，外套上设有碳刷，碳刷与导电环相连。
[0011] 更进一步地，所述后配块的长度是超声波波长的1/4,变幅杆的长度是超声波半波 长的整数倍。
[0012] 优选地，所述外套外侧四个不同位置处分别设有碳刷，每个位置处设置碳刷的数 量是三组，碳刷与超声电路和电火花电路连接，碳刷内部设有高导电率石墨，碳刷外部设有 绝缘壳体。
[0013] 更进一步地，所述换能器是压电陶瓷换能器，压电陶瓷共有六片，其中四片通过导 线与导电环相连。
[0014] 优选地，所述内套由聚碳酸酯塑料制成，外套由铝合金制成，外套内部设有坚向阶 梯孔，阶梯孔上部与内套上部形成空腔I，空腔I内设有轴承，阶梯孔中部与内套下部及变 幅杆上部形成空腔II，阶梯孔下部与变幅杆中段形成空腔III，外套外侧设有快速接头，快速 接头连接有软管，放电介质通过软管进入空腔III。
[0015] 优选地，所述外套外侧设有连接孔，连接孔上设有固定板，固定板设在机床主轴 上。
[0016] 优选地，所述刀柄是莫氏刀柄BT40或BT50,刀杆是ER11、ER16、ER20、ER25*ER32 中的一种。
[0017] 本实用新型的有益效果是：通过使刀柄、变幅杆和刀杆的轴线重合，可使整个工具 头的同轴度高；通过在外套与变幅杆之间设置空腔III并在空腔III的端部设置机械水封，在 提高变幅杆旋转速度的同时，还能够减少对超声传递的影响；此外，本实用新型的通用型 超声辅助内冲液电火花铣削工具头可以通过通用夹具装夹在电火花加工机床主轴或一般 数控铣床主轴上，实现超声辅助下的内冲液式电火花放电铣削加工，具有通用性强、结构简 单，成本低廉的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本实用新型的外部结构示意图。
[0019] 图2是本实用新型的剖视结构示意图。
[0020] 图3是本实用新型的安装结构示意图。
[0021] 图4是本实用新型的安装局部放大示意图。
[0022] 图5是现有技术的结构示意图。
[0023] 图中，1、刀柄，2、内套，3、外套，4、碳刷，5、快速接头，6、机械水封，7、刀杆，8、轴承， 9、变幅杆，10、导电环，11、防漏橡胶圈，12、六角定位螺母，13、导线，14、固定板，15、电极， 16、空腔III，17、空腔II，18、空腔I，19、安装孔，20、换能器，21、后配块，22、放电介质流通通 道。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细描述。
[0025] 如图1至图4所示，本实用新型的一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头， 包括超声振动部分，还包括刀柄1和刀杆7,刀柄1固连有内套2,内套2固连有变幅杆9,变 幅杆9底端设有刀杆7,刀杆7上安装有电极15,刀柄1、变幅杆9、刀杆7的轴线重合，内套 2外部设有外套3,外套3延伸至变幅杆9中段，外套3与变幅杆9之间形成有空腔III16,空 腔III16的端部设有机械水封6,变幅杆9内部设有放电介质流通通道22。
[0026] 通过在变幅杆的前端设置刀柄和内套，在变幅杆的底端设置刀杆，并使刀柄、变幅 杆和刀杆的轴线重合，即使变幅杆的旋转中心与刀柄和刀杆的中心重合，同轴度高；在外 套与变幅杆之间设置空腔III并在空腔III的端部设置机械水封，能够降低对变幅杆的摩擦阻 力，提高变幅杆的旋转速度；同时，在变幅杆内部设置有放电介质流通通道，能够实现电极 的通液。
[0027] 本实用新型的实施例中，为了方便电极的安装，在刀杆7上设有安装孔19,并在安 装孔19内设有防漏橡胶圈11，电极15通过夹头和压帽固定在安装孔19内，安装方便可靠； 此外，变幅杆9中段内部水平方向加工有通孔，通孔中部有到安装孔19的盲孔，通孔和盲孔 组成了放电介质进出变幅杆9的通路。
[0028] 具体地，刀柄1为不锈钢制造，尺寸标准采用莫氏刀柄BT40或BT50,以获得最广泛 的应用范围，刀柄1通过底部法兰结构采用M4不锈钢螺丝与内套2紧固。
[0029] 内套2采用聚碳酸酯塑料（PC)制作，具有良好的机械性能与绝缘性能；内套2外 部过盈配合两个轴承8,轴承8采用哈尔滨轴承6814ZZ，具体参数是：铁封，内径70mm，外径 90mm，厚度10mm;内套2底部安装3个导电环10,导电环10材料为黄铜，通过导线13分别 与内部的压电陶瓷换能器20正极、压电陶瓷换能器20负极以及变幅杆9相连。
[0030]超声振动部分由顶部的304不锈钢后配块21、六片压电陶瓷换能器20、304不锈 钢变幅杆9组成，此外，变幅杆9的材料也可以采用钛合金，钛合金具有更好的声学特性，对 超声振动有更高的传导率，能够提升超声振动部分的稳定性、提高振幅。变幅杆9顶部是法 兰盘，通过M4不锈钢螺栓安装在内套2的底部；不锈钢后配块21高度为（nX1/2+1/4)超 声波波长，具体地，本实施例中选用1/4超声波波长，压电陶瓷换能器20采用上超生产的 743-Φ40XΦ15X5,谐振频率38. 7KHz，为了达到最好的谐振效果，变幅杆9长度取半超声 波波长的整数倍，本实施例中取整个波长，为129. 2mm。
[0031] 压电陶瓷换能器20共有六片，实际使用的是中间四片，这四片压电陶瓷通过导线 13分别与外部的两个导电环10相连，另外一个导电环10通过导线13与变幅杆9相连；电 火花放电电流依次经过导电环10、导线13、变幅杆9、ER11夹头导入电极15,实现电火花放 电；超声、电火花通过本实用新型隔离，且外套3不带电。
[0032] 超声电流、电火花电流通过外套3侧面安装的三组碳刷4倒入导电环10,碳刷4内 部是高电导率石墨，外部有绝缘壳体防止与外壳3短路。
[0033] 在电火花放电和超声振动需要更大功率、更大电流的情况下，将碳刷4分布于外 套3的四面，每个面放置三组碳刷4,这样相当于每个导电环10与四个碳刷4连接，承受的 电流可增强为原来的4倍。
[0034] 机械水封6为陶瓷石墨机械水封301-40,该部件是通过带有橡胶内套的石墨部分 固定在变幅杆9上，带有碳化硅陶瓷的部分固定在外部，利用碳化硅与石墨的摩擦起到变 幅杆9旋转的同时封闭液体的作用，具体地，变幅杆9的转速可达3000rpm;本实施例中石 墨部分分别安装在变幅杆9顶部紧贴法兰盘处与变幅杆9的3/4超声波波长处，这样设置 的原因在于这两处的振幅小，因而对机械水封6的损伤小，对超声振动的传递影响小；陶瓷 部分相应地分别设在空腔III16的上端部和下端部，以将放电介质封闭在空腔III16内防止 泄露。
[0035] 外套3为6061-T6铝合金机加工成型，外部有四个螺纹孔将外套3固定到机床主 轴上，内部为坚向阶梯孔，阶梯孔上部与内套2上部形成空腔I18,空腔I18内设有两个轴 承8,阶梯孔中部与内套2下部及变幅杆9上部形成空腔II17,阶梯孔下部与变幅杆9中段 形成空腔III16,空腔III16的上部与下部安装机械水封6的碳化硅部分，分别与变幅杆9上 机械水封6的石墨部分配合，空腔III16侧面有G1/8螺纹孔，用以安装快速接头5。
[0036] 快速接头5的型号为PC8-01，通过连接外部外径8mm的软管，软管与水泵相连， 水泵给空腔III16提供放电介质液体，空腔III16内的压力液体经变幅杆9内部的水平通孔 与到达安装孔19的盲孔给电极15供液，电极15 -般采用黄铜或紫铜管状电极，直径为 1-7mmη
[0037] 变幅杆9底部为3/4波长处安装机械水封6的石墨部分后，为保证石墨部分不滑 脱，通过六角定位螺母12与变幅杆9上的螺纹紧固；变幅杆下端是根据ER11刀杆尺寸加工 并加工有安装孔19,当然，为了增加可应用范围，刀杆也可为ER16、ER20、ER25或ER32中的 一种，安装孔19内部安装防漏橡胶圈11，安装电极15时电极15插入防漏橡胶圈11中间的 孔中，以使空腔III16中的液体最终通过电极15中间的孔流出，达到内冲液的目的。
[0038] 本实用新型在应用在数控铣床改造而成的电火花加工机床或电火花加工机床中， 除将刀柄1固定在主轴上，还可根据机床主轴尺寸制作固定板14,固定板14 一侧与外套3 侧面的螺纹孔连接，另一侧固定在机床主轴上，使外套3随主轴X、Y、Z方向运动，但不旋转； 碳刷4分别与超声电源的正负极、电火花加工的一极相连，被加工工件与电火花加工的另 一极相连。此外，本领域的技术人员根据本实用新型容易得知，本实用新型还可以应用于超 声辅助内冲液式电解铣削加工领域、超声辅助内冲液式电熔爆铣削加工领域、超声辅助内 冲液式短电弧加工领域。
[0039] 具体地，本实用新型的超声辅助内冲液电火花铣削工具头的制作与使用方法，包 括如下步骤：
[0040] 步骤一、将压电陶瓷片通过螺栓与加工好的后配块、仅加工好法兰盘的变幅杆连 接组成超声振动部分；
[0041] 步骤二、将超声振动部分通过法兰盘与M4不锈钢螺栓固定在内套2上，内套2通 过法兰盘与M4不锈钢螺栓固定在刀柄1上，同时安装好导线13 ;
[0042]步骤三、以刀柄1为基准，在车-钻复合机床上加工变幅杆，这样变幅杆的旋转中 心、ER11刀杆的中心重合，同轴度高；
[0043] 步骤四、在内套2外侧安装轴承8、导电环10,通过焊接连接导线13与导电环10 ;
[0044] 步骤五、逐次安装机械水封6、外套3,最后旋紧六角定位螺母12,安装完成；
[0045] 步骤六、使用时将刀柄1固定在机床主轴上，夕卜套3通过固定板14固定在机床主 轴侧面；
[0046] 步骤七、连接碳刷4与超声电路和电火花电路、连接快速接头5与液体循环系统；
[0047] 步骤八、在刀杆7的安装孔19内安装防漏橡胶圈11、通过ER11夹头、压帽固定电 极到变幅杆底端的ER11刀杆部分，即可实施加工。
[〇〇48] 虽然以上描述了本实用新型的【具体实施方式】，但是本领域的技术人员应当理解， 这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定。本领域的技术人员 在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改， 但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1. 一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头，包括超声振动部分，其特征在于： 还包括刀柄和刀杆，所述刀柄固连有内套，内套固连有变幅杆，变幅杆底端设有刀杆，刀杆 上安装有电极，刀柄、变幅杆、刀杆的轴线重合，内套外部设有外套，外套延伸至变幅杆中 段，外套与变幅杆之间形成有空腔III，空腔III的端部设有机械水封，变幅杆内部设有放电介 质流通通道。
2. 如权利要求1所述的一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头，其特征在于： 所述刀杆上设有安装孔，安装孔内设有防漏橡胶圈，电极通过夹头和压帽固定在安装孔内， 变幅杆中段内部设有水平方向的通孔，通孔中部与延伸至安装孔的盲孔相通，所述通孔和 盲孔组成放电介质流通通道。
3. 如权利要求1所述的一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头，其特征在于： 所述机械水封是陶瓷石墨机械水封，陶瓷石墨机械水封包括设有橡胶内套的石墨部分和设 有碳化硅的陶瓷部分，石墨部分分别设在变幅杆顶部和变幅杆3/4超声波波长位置处，陶 瓷部分分别设在空腔III的上端部和下端部。
4. 如权利要求1至3任一所述的一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头，其特 征在于：所述超声振动部分包括后配块、换能器和变幅杆，后配块和换能器设在内套内部的 空腔内，后配块、换能器和变幅杆通过螺栓固连，内套外表面设有导电环，导电环通过导线 与换能器和变幅杆相连，外套上设有碳刷，碳刷与导电环相连。
5. 如权利要求4所述的一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头，其特征在于： 所述后配块的长度是超声波波长的1/4,变幅杆的长度是超声波半波长的整数倍。
6. 如权利要求4所述的一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头，其特征在于： 所述外套外侧四个不同位置处分别设有碳刷，每个位置处设置碳刷的数量是三组，碳刷与 超声电路和电火花电路连接，碳刷内部设有高导电率石墨，碳刷外部设有绝缘壳体。
7. 如权利要求4所述的一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头，其特征在于： 所述换能器是压电陶瓷换能器，压电陶瓷共有六片，其中四片通过导线与导电环相连。
8. 如权利要求1所述的一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头，其特征在于： 所述内套由聚碳酸酯塑料制成，外套由铝合金制成，外套内部设有坚向阶梯孔，阶梯孔上部 与内套上部形成空腔I，空腔I内设有轴承，阶梯孔中部与内套下部及变幅杆上部形成空 腔II，阶梯孔下部与变幅杆中段形成空腔III，外套外侧设有快速接头，快速接头连接有软 管，放电介质通过软管进入空腔III。
9. 如权利要求1所述的一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头，其特征在于： 所述外套外侧设有连接孔，连接孔上设有固定板，固定板设在机床主轴上。
10. 如权利要求1所述的一种通用型超声辅助内冲液电火花铣削工具头，其特征在于： 所述刀柄是莫氏刀柄BT40或BT50，刀杆是ER11、ER16、ER20、ER25或ER32中的一种。
【文档编号】B23H7/38GK203863168SQ201420225444
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】张敏, 张勤河 申请人:山东大学