一种能快速更换声学系统的旋转超声主轴的制作方法

本发明属于超声振动加工装置技术领域，具体涉及一种可快速更换声学系统的旋转超声主轴。

背景技术：

复合材料具有优越的物理性能、化学性能和机械性能，比如高比强度、高比刚度、高比模量、良好的绝缘、隔热、隔音性能，有足够的断裂韧性和耐介质腐蚀等其他性能，在航空、航天、导弹、电子、汽车和生物工程等领域正得到越来越广泛的应用，并且不断地向新的领域扩展。比如，空客A300的复合材料使用量从最初的不到5％，到A380的25％，再到A350XWB的50％以上，波音777的复合材料的使用量占总机身的10％，波音787则达到了50％。作为第四代战机的代表，F22的复合材料使用量高达40％，法国海豚直升机复合材料的覆盖面积占总机的84％。复合材料高强度、高硬度、优越的可设计性等特点为其应用带来了巨大的空间。

目前复合材料的加工大多采用传统的高速数控铣削的加工方法，这种加工方式是用铣刀将需要切除的材料打碎，会产生大量粉尘，造成环境污染，直接危害到工人的身体健康状况。如果加工工艺参数不合理，还会造成零件表面出现毛刺、分层、纤维拔出等，影响加工质量。超声加工是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工的方法，超声声学系统主要由换能器、变幅杆、刀具组成。超声波发生器将电源转换成超声频电振荡信号，换能器将电振荡信号转换成超声频机械振动，变幅杆将换能器的振动振幅进行放大，变幅杆连接刀具，使刀具振动进行加工。复合材料采用超声加工的方式，可以明显提高加工表面质量、加工精度和加工效率。超声切削主轴是超声加工机床的重要组成部分，用于产生超声频振动和刀具的旋转运动。主轴安装于数控机床上，主轴内部轴套产生旋转运动，安装于主轴内部的声学系统使刀具产生超声频振动，对工具进行振动加工。

中国发明专利CN101249620A“一种直螺纹于锥度复合定位的旋转超声主轴”公开了一种超声主轴，该主轴将换能器通过轴承支撑于外套上，可实现换能器及变幅杆的旋转运动，变幅杆与刀具之间通过直螺纹和锥度复合定位，使得压电晶片产生的超声振动传递至刀具，整个超声主轴结构紧凑。但这种主轴并不能根据使用需求快速更换换能器，而且变幅杆和刀具在加工过程中所受的负载全部作用于换能器，换能器作为电能和机械能的转换环节，其本身并不具备对加工受力负载的承载能力，主轴刚度较差，在加工过程中，加工受力负载将会对声学系统的稳定性造成影响。

中国发明专利CN101369757A“感应式超声电主轴”公开了一种超声主轴，主要由电主轴和超声振动系统组成，两部分之间通过屏蔽环隔离电磁场干扰，电主轴部分产生高速旋转，超声振动系统产生主轴轴向的超声频振动。超声发射器和超声接收器之间通过感应方式传输超声驱动信号，省去了电刷，避免电刷磨损并降低发热量，提高主轴转速。但这种主轴也不能根据使用需求快速更换换能器和变幅杆，而且一旦换能器与变幅杆之间的连接出现故障，不方便及时维修处理，影响生产任务。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种可快速更换声学系统的旋转超声主轴，用于复合材料加工，尤其适用于航空航天领域蜂窝材料加工。

为实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：

一种能快速更换声学系统的旋转超声主轴，包括内轴套(20)、外轴套(9)、轴承、伺服电机(1)、传动部件、声学系统信号传输部件、用于提供轴向超声频振动的声学系统和声学系统安装部件，所述内轴套(20)设于外轴套(9)内，所述内轴套(20)与外轴套(9)通过轴承连接，所述伺服电机(1)设于所述外轴套上方，所述伺服电机驱动连接传动部件，所述传动部件连接所述声学系统信号传输部件，所述声学系统信号传输部件连接所述声学系统，所述声学系统安装于所述声学系统安装部件，所述声学系统安装部件安装于内轴套(20)。

进一步的，所述内轴套(20)与外轴套(9)通过一对上下设置的圆锥滚子轴承(18)和一个轴向浮动轴承(12)连接，圆锥滚子轴承(18)之间设有轴承垫环(17)，下端的圆锥滚子轴承(18)通过轴承端盖(22)限位，上端的圆锥滚子轴承(18)通过锁紧螺母(15)压紧；轴向浮动轴承(12)下端采用轴承过渡套(26)限位，上端采用锁紧螺母(15)压紧；所述内轴套(20)设有两个对称的第一方孔(29)，所述外轴套(9)设有两个与第一方孔(29)对应的第二方孔(30)，外轴套(9)上半段设有第三方孔(31)。

进一步的，所述伺服电机(1)通过圆形法兰盘(2)安装于主轴外轴套(9)的端部，圆形法兰盘(2)端面设有凸台配合定位于外轴套(9)。

进一步的，所述传动部件包括联轴器(3)、中空传动轴(4)、胀紧联结套(11)和传动过渡套(10)，所述联轴器(3)上端与伺服电机(1)连接，下端与中空传动轴(4)连接，所述胀紧联结套(11)内侧连接中空传动轴(4)，外侧连接传动过渡套(10)，所述传动过渡套(10)与内轴套(20)之间采用螺栓连接，并嵌入内轴套(20)中。

进一步的，所述声学系统信号传输部件包括碳刷(28)、碳刷架(6)、碳刷架安装组件(7)、绝缘套(8)、电滑环(5)、电极(27)、电极座(14)和电极安装法兰(13)，所述碳刷架安装组件(7)设于内轴套(20)上方，包括上下两块圆形板(32)、第一侧板(33)、第二侧板(34)和第三侧板(35)；第一侧板(33)设于两块圆形板(32)之间，螺栓连接于外轴套(9)内壁；第二侧板(34)位于所述第三方孔(31)一侧，设有上下两个安装孔用于安装碳刷架(6)；第三侧板(35)螺栓固定碳刷架(6)；所述绝缘套(8)为三个，安装于中空传动轴(4)上，三个绝缘套(8)之间形成两个凹槽，设于绝缘套之间的凹槽上的电滑环(5)也相应设有两个，其中一个电滑环(5)通过导线穿过绝缘套(8)连接于中空传动轴(4)，另一个电滑环(5)通过导线穿过绝缘套(8)和中空传动轴(4)侧壁上的通孔连接于电极座(14)；电极座(14)安装于电极安装法兰(13)上，电极安装法兰(13)螺栓固定于传动过渡套(10)底部；电极座(14)上设有四个孔，每个孔内设有带弹簧伸缩的电极(27)，并通过螺栓固定电极(27)的伸缩。

进一步的，所述声学系统包括换能器(16)、第一级变幅杆(23)、第二级变幅杆(24)和刀具(25)，换能器(16)上端面中心设有球形电极(36)，球形电极(36)连接于声学系统信号传输部件的电极(27)；第一级变幅杆(23)上端与换能器(16)连接，下端与第二级变幅杆(24)连接，第一级变幅杆(23)中间位置设有法兰形的声学节点，第二级变幅杆(24)下端连接刀具(25)，刀具(25)选用匕首形直刃刀具(37)或圆盘形刀具(38)。

进一步的，所述换能器(16)通过弹性紧定螺钉(40)连接于内轴套(20)，弹性紧定螺钉(40)安装于内轴套(16)上的螺纹孔(39)，弹性紧定螺钉(40)为金属材料，与换能器(16)通电使其接地。

进一步的，所述声学系统安装部件包括锥形安装法兰(21)和环形压环(22)，锥形安装法兰(21)外锥面与内轴套(20)下端的内锥面配合，并用螺栓连接；锥形安装法兰(21)内壁平台与第一级变幅杆(23)的法兰形声学节点配合，并用环形压环(22)锁紧；所述环形压环(22)和声学系统节点通过螺栓安装在锥形安装法兰(21)上。

优选的是，所述锥形安装法兰(21)设有螺栓孔(42)，螺栓孔(42)由槽孔和圆孔组成，所述圆孔的直径大于槽孔的宽度，所述圆孔连通于槽孔。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

(1)该主轴将声学系统设于可快速拆卸的声学系统安装部件上，根据使用需求可快速更换声学系统，适应性好。

(2)该主轴结构紧凑，有利于提高主轴的刚度、提高加工精度、质量和效率，增强加工过程的稳定性等。

(3)该主轴设计巧妙，操作方便，适合大范围推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例的总体结构装配图。

图2是本发明实施例的内轴套与外轴套结构装配图。

图3是本发明实施例的传动部件与声学系统信号传输部件结构装配图。

图4是本发明实施例的携带匕首形直刃刀具的声学系统与声学系统安装部件结构装配图。

图5是本发明实施例的携带圆盘形刀具的声学系统与声学系统安装部件结构装配图。

图6是本发明实施例的内轴套剖视图。

图7是本发明实施例的锥形安装法兰结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1-7所示，本实施例的可快速更换声学系统的旋转超声主轴，包括内轴套20、外轴套9、轴承、用于提供主轴旋转动力的伺服电机1、传动部件、声学系统信号传输部件、用于提供轴向超声频振动的声学系统和可快速拆卸的声学系统安装部件。

内轴套20与外轴套9之间通过上下对应设置的一对圆锥滚子轴承18和一个轴向浮动轴承12连接，上下对应设置的一对圆锥滚子轴承18之间设有轴承垫环17，下端的圆锥滚子轴承18依靠轴承端盖19限位，上端的圆锥滚子轴承18依靠锁紧螺母15压紧；轴向浮动轴承12设于锁紧螺母15和轴承过渡套26之间，下端采用轴承过渡套26限位，上端依靠锁紧螺母15压紧；内轴套20上设有两个对称的第一方孔29用于观测声学系统信号接触，外轴套9下段设有两个与第一方孔29对应的第二方孔30，外轴套9上半段设有一个第三方孔31用于声学系统信号传输部件的调整和维护。

传动部件包括联轴器3、中空传动轴4、胀紧联结套11和传动过渡套10，联轴器3上端固定连接伺服电机1的电机轴，联轴器3下端连接中空传动轴4，胀紧联结套11内侧螺栓连接中空传动轴4，胀紧联结套11外侧螺栓连接传动过渡套10，通过螺栓预紧力使胀紧联结套11与中空传动轴4和传动过渡套10固定连接；传动过渡套10为法兰型，与内轴套20之间采用螺栓连接并嵌入内轴套20。

声学系统信号传输部件包括碳刷28、碳刷架6、碳刷架安装组件7、绝缘套8、电滑环5、电极27、电极座14和电极安装法兰13。其中碳刷架安装组件7由夹布胶木搭建而成，设于内轴套20的上方，并用两个螺栓固定安装于外轴套9的内壁，可实现轴向位置调节；碳刷架安装组件7包括上下两块圆形板32、与外轴套9螺栓连接的侧板33、用于安装碳刷架6的侧板34和用于压紧碳刷架6的侧板35；用于安装碳刷架6的侧板34位于外轴套9上段的第三方孔31一侧，侧板34中央设有上下两个安装孔，用于安装碳刷架6；用于压紧碳刷架6的侧板35位于碳刷架6后方，采用螺栓固定并压住碳刷架6。三个绝缘套8安装于中空传动轴4上，其中两个绝缘套8为法兰环型，另外一个绝缘套8为圆环型，三个绝缘套8之间形成两个凹槽用于安装两个电滑环5，电滑环5为铜制圆环。电滑环5内壁分别连接有导线，其中下方电滑环5的导线穿过绝缘套8后与中空传动轴4连接，上方电滑环5的导线穿过绝缘套8和中空传动轴4侧壁上的通孔进入中空传动轴4内部，并与电极座14连接。电极座14外壁为螺纹，安装在电极安装法兰13上，电极安装法兰13由夹布胶木制成，用螺栓安装于传动过渡套10的底部。电极座14上设有四个孔，每个孔上装有带弹簧伸缩的电极27，四个孔上端带有螺纹，可用螺栓将电极27压住并调整电极27伸出长度。

声学系统包括换能器16、第一级变幅杆23、第二级变幅杆24和刀具25。内轴套20上有数个螺纹孔39用于安装弹性紧定螺钉40，换能器16依靠弹性紧定螺钉40定位，并保证与内轴套20之间的同轴度，同时弹性紧定螺钉(40)为金属材料，可与换能器(16)通电使其接地。换能器16为圆柱形结构，上端面中心有球形电极36，球形电极36与声学系统信号传输部件的电极27接触，使换能器16能连接超声频电信号并产生振动。第一级变幅杆23上端与换能器16连接，下端与第二级变幅杆24连接，第一级变幅杆23中间位置有法兰形的声学节点，用于声学系统的安装固定；第二级变幅杆24下端连接匕首形直刃刀具37或圆盘形刀具38，用于复合材料的两种不同加工方式。

声学系统安装部件包括锥形安装法兰21和环形压环22，锥形安装法兰21外锥面与内轴套20下段的内锥面采用螺栓连接，锥形安装法兰21内壁与第一级变幅杆23的法兰形声学节点配合，并用环形压环22锁紧；环形压环22和法兰形声学节点通过螺栓安装在锥形安装法兰21上。锥形安装法兰21的快拆螺栓孔42为槽孔和圆孔组成，圆孔的直径大于槽孔的宽度，圆孔连通于槽孔。安装螺栓不需要完全卸下即可更换声学系统和锥形安装法兰21。

本实施例的可快速更换声学系统的旋转超声主轴的具体操作流程如下：

步骤一：旋转超声主轴装入携带匕首形直刃刀具37的声学系统；

步骤二：通入超声频电信号，声学系统产生振动；

步骤三：伺服电机1进行精确的角度控制，调整匕首形直刃刀具37的刀刃方向，主轴依靠五轴机床运动，沿刀刃方向运动进行复合材料的切削加工。本实施例中，加工材料为Nomex蜂窝材料，使用匕首形直刃刀具37将蜂窝材料需要大量去除的部分切成V形状；

步骤四：匕首形直刃刀具37加工结束，伺服电机1停止运动，超声频电信号断开，声学系统停止振动；

步骤五：旋转超声主轴卸下携带匕首形直刃刀具37的声学系统，装入携带圆盘形刀具38的声学系统；

步骤六：通入超声频电信号，声学系统产生振动；

步骤七：伺服电机1进行转速控制，带动圆盘形刀具38旋转，主轴依靠五轴机床运动，进行复合材料的切削加工，使用圆盘形刀具38将蜂窝材料已经被切成V形状的部分去除，并对表面进行精加工；

步骤八：圆盘形刀具38加工结束，伺服电机1停止运动，超声频电信号断开，声学系统停止振动。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。