一种非接触感应供电的椭圆超声加工装置的制作方法

本发明涉及一种超声加工装置，具体涉及一种非接触感应供电的椭圆超声加工装置。属于超声加工技术领域。

背景技术：

超声加工技术是在传统切削加工的基础上，复合以超声频的振动实现去除材料的一种特种加工方法。与传统切削加工相比，超声加工能够降低切削力、切削温度，减小刀具磨损，提高表面精度。因而，适合各种难加工材料和难加工结构的加工，尤其适合陶瓷、玻璃等硬脆材料和碳纤维复合材料的精加工。

超声加工的振动形式有单相振动和椭圆振动两种。椭圆振动是通过对两组独立的压电陶瓷堆进行激振，从而在两个相互垂直的方向上产生振动，其构成的运动轨迹是一个椭圆。与单相振动相比，椭圆振动具有更低的切削力和更优的工艺效果。

公告号为cn103157593a，公告日期为2013.06.19的中国发明专利《一种超声椭圆振动铣削刀柄装置》，该刀柄末端是一个高精度加长杆，通过弹簧夹头与机床刀盘连接，并通过导电滑环对旋转的椭圆超声换能器供电。公告号为cn104624461a，公告日期为2015.05.20的中国发明专利《一种侧向激励式超声椭圆振动铣削刀柄》，采用标准的bt50刀柄与机床主轴连接，并通过导电滑环对旋转的椭圆超声换能器供电。

现有发明的椭圆超声加工装置，其供电方式均为机械接触式供电，机械触点在旋转过程中容易产生火花，转速受限，尤其是无法满足数控加工中心自动换刀的要求。

技术实现要素：

(一)发明目的：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种非接触感应供电的椭圆超声加工装置，以满足超声主轴高速旋转、供电稳定可靠、以及自动换刀的要求。尤其是，为了实现对椭圆超声加工装置的供电，需要两路独立的感应供电信号。

(二)技术方案：

为实现上述目的，本发明拟采用以下技术方案：

本发明是一种非接触感应供电的椭圆超声加工装置，其主要由感应供电装置(9)和椭圆超声刀柄(2)两部分组成；感应供电装置(9)的感应供电副边(92)固定到椭圆超声刀柄(2)的bt刀柄壳(6)上，感应供电原边(91)在椭圆超声刀柄(2)的外侧，为内外同心圆，两者保持较小的间隙，并通过支架(10)固定到数控加工中心机床主轴座(5)上保持静止不动；椭圆超声刀柄(2)通过锥柄(61)固定在数控加工中心机床主轴(4)上，随该主轴(4)高速旋转；

所述感应供电装置(9)是由两个独立的松耦合变压器组成，沿轴线方向上下排布，每个松耦合变压器由感应供电原边(91)和感应供电副边(92)组成；感应供电原边(91)通过支架(10)与数控加工中心机床主轴座(5)连接保持静止不动，感应供电副边(92)固定到bt刀柄壳(6)上随数控加工中心机床主轴座(5)中的数控加工中心机床主轴(4)高速旋转，两者保持较小的间隙；

该感应供电原边(91)是由原边磁芯座(911)、原边磁芯(912)、原边线圈(913)组成；原边线圈(913)缠绕在原边磁芯(912)的u型内圆槽内以及外圆面之上，并通过原边磁芯座(911)外部的穿线孔(9112)与外部的超声电源连接，原边磁芯(912)和原边线圈(913)，两者共同位于原边磁芯座(911)的内部；

该原边磁芯座(911)是周向为150°的不完整圆环结构，内部开有阶梯型u型槽用于放置原边磁芯(912)和原边线圈(913)，外部有和支架(10)连接的支架孔(9111)以及原边线圈(913)的穿线孔(9112)；

该原边磁芯(912)周向为120°的不完整圆环结构，内圆面开有u型槽；

该原边线圈(913)为多股漆包线，内部为铜线，外部有绝缘漆和尼龙套；

该感应供电副边(92)是由副边磁芯座(63)、副边磁芯(921)、副边线圈(922)组成；副边磁芯座(63)固定到椭圆超声刀柄(2)之上，副边磁芯(921)位于副边磁芯座(63)的u型槽的内部，副边线圈(922)缠绕在副边磁芯(921)的u型槽内部，并通过副边磁芯座(63)上的穿线孔(65)与bt刀柄壳(6)内部的椭圆超声换能器(7)连接；

该副边磁芯座(63)与bt刀柄壳(6)一体，有沿轴线方向排列的两个u型环槽组成，为整圆结构，u型环槽的宽度与副边磁芯(921)的宽度一致，u型环槽底部有并排的两个穿线孔(65)呈180°对称分布；

该副边磁芯(921)是由两个半圆环形的磁芯拼接而成，放置在副边磁芯座(63)内部，其外圆面开有u型槽，其材料为锰锌铁氧体；

该副边线圈(922)为多股漆包线，内部为铜线，外部有绝缘漆和尼龙套；

所述椭圆超声刀柄(2)是由bt刀柄壳(6)、椭圆超声换能器(7)、刀具(8)、拉钉(3)及螺栓(11)组成；刀具(8)通过热装头(81)与椭圆超声换能器(7)连接，椭圆超声换能器(7)通过螺栓(11)固定到bt刀柄壳(6)的内部，整个椭圆超声刀柄(2)通过拉钉(3)固定到数控加工中心机床主轴(4)之上随该主轴(4)高速旋转；

该bt刀柄壳(6)在标准bt刀柄基础上设计改造而成，包括锥柄(61)、环形凹槽(62)、副边磁芯座(63)、内腔(64)、螺栓孔(66)；锥柄(61)位于尾部，用于和数控加工中心机床主轴(4)连接，环形凹槽(62)位于bt刀柄壳(6)中部，副边磁芯座(63)位于bt刀柄壳(6)的头部，其u型槽底部开有穿线孔，bt刀柄壳(6)内部开有内腔；

该锥柄(61)与标准bt刀柄的锥柄一致，可以固定到数控加工中心机床主轴(4)上，随数控加工中心机床主轴(4)高速旋转；

该环形凹槽(62)与标准bt刀柄的环形凹槽一致，满足换刀机械手实现自动换刀；

该副边磁芯座(63)在介绍感应供电装置(9)时已经介绍，这里不再赘述。

该内腔(64)是阶梯型圆柱空腔结构，用于放置椭圆超声换能器(7)；

该螺栓孔(66)是m4*1的螺纹孔，用于椭圆超声换能器(7)法兰盘的固定；

该椭圆超声换能器(7)由变幅杆(71)、压电陶瓷堆(72)、后盖板(74)、铜电极(73)、绝缘套(75)组成；变幅杆(71)大端设有螺杆(711)，其外径套有绝缘套(75)，后盖板(74)内孔有螺纹通过一定的预紧力将压电陶瓷堆(72)压合在一起；

该变幅杆(71)是阶梯型圆柱结构，保证基准同轴，大端设有螺杆(711)，小端设有螺纹孔，用于热装头(81)的固定。该变幅杆(71)的中部设有法兰盘，用于固定到bt刀柄壳(6)的内腔；

该压电陶瓷堆(72)是由四组半圆型陶瓷片按照不同的极化方向排布组成；

该后盖板(74)是内部带有螺纹孔的圆柱型结构，与压电陶瓷堆(72)接触的表面光滑；

该铜电极(73)是圆环状结构，厚度为0.2mm，其外径和内径与压电陶瓷堆(72)保持一致；

该绝缘套(75)是圆管状结构，材料为绝缘材料，如四氟乙烯、尼龙等，套在变幅杆(71)设有的螺杆(711)之上，使铜电极(73)之间绝缘；

该刀具(8)根据加工类型的不同可以按照需要选择铣刀、钻头、金刚石套磨刀等；该刀具(8)通过热装的形式与热装头(81)之间紧配合，热装头(81)通过螺纹的形式固定到椭圆超声换能器(7)的变幅杆(71)前端。

(三)优点和功效

综合以上所述，可知本发明是利用双相非接触感应供电的椭圆超声加工装置。与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)所述感应供电原边与所述感应供电副边空间位置关系布置为内外同心圆式，该副边在内侧，减小了椭圆超声刀柄的回转半径，降低了其回转惯量，提升了椭圆超声刀柄的回转稳定性。

(2)所述感应供电原边结构是周向上只有大约150°圆周的不完整圆环柱状结构，可以避开换刀机械手的工作空间，且该原边与该副边相互之间不存在任何的机械连接，可在不对数控加工中心机床主轴结构进行改动的情况下，满足自动换刀条件。

(3)所述感应供电装置的两个独立的松耦合变压器沿主轴轴线方向上下排布，二者结构相同，且互不干涉，满足所述椭圆超声刀柄两相供电的需求。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图。

图2是本发明的感应供电原边组成结构示意图。

图3是本发明的bt刀柄壳外形示意图。

图4是本发明的椭圆超声换能器组成结构爆炸图。

图中序号说明如下：

具体实施方式

本发明的优选实施例如附图1所示，包括椭圆超声电源1，感应供电装置9，椭圆超声刀柄2，数控加工中心主轴4。下面结合附图1、2、3、4对本发明进行进一步描述。

本发明一种非接触感应供电的椭圆超声加工装置，见图1所示，其主要由感应供电装置9和椭圆超声刀柄2两部分组成；感应供电装置9的感应供电副边92固定到椭圆超声刀柄2的bt刀柄壳6上，感应供电原边91在椭圆超声刀柄2的外侧，为内外同心圆，两者保持较小的间隙，并通过支架10固定到数控加工中心机床主轴座5上保持静止不动；椭圆超声刀柄2通过锥柄61固定在数控加工中心机床主轴4上，随该主轴4高速旋转；椭圆超声电源1独立于数控加工中心之外静止不动。在具体加工过程中，由椭圆超声电源1提供激励信号，经过感应供电装置9实现椭圆超声刀柄2供电。

所述椭圆超声电源1输出信号频率范围为15khz～40khz，频率分辨率为1hz。

所述感应供电装置9是由两个独立的松耦合变压器组成，沿轴线方向上下排布，每个松耦合变压器由感应供电原边91和感应供电副边92组成；感应供电原边91通过支架10与数控加工中心机床主轴座5连接保持静止不动，感应供电副边92固定到bt刀柄壳6上随数控加工中心机床主轴座5中的数控加工中心机床主轴4高速旋转，两者保持较小的间隙。

该感应供电原边91是由原边磁芯座911、原边磁芯912、原边线圈913组成；原边线圈913缠绕在原边磁芯912的u型内圆槽内以及外圆面之上，并通过原边磁芯座911外部的穿线孔9112与外部的椭圆超声电源1连接，原边磁芯912和原边线圈913共同位于原边磁芯座911的内部并用环氧树脂胶密封，见图2所示。

该原边磁芯座911是周向为150°的不完整圆环结构，以满足自动换刀，内部开有阶梯型u型槽用于放置原边磁芯912和原边线圈913，外部有和支架10连接的支架孔9111以及原边线圈913的穿线孔9112。

该原边磁芯912周向为120°的不完整圆环结构，内圆面开有u型槽，其材料选用锰锌铁氧体，用以提高能量转换效率。

该原边线圈913为0.1*50芯漆包线，内部为铜线，外部有绝缘漆和尼龙套，匝数一般为40-60匝。

该感应供电副边92是由副边磁芯座63、副边磁芯921、副边线圈922组成；副边磁芯座63固定到椭圆超声刀柄2之上，副边磁芯921位于副边磁芯座63的u型槽的内部，副边线圈922缠绕在副边磁芯921的u型槽内部，并通过副边磁芯座63上的穿线孔65与bt刀柄壳6内部的椭圆超声换能器7上的铜电极73连接，具体匝数根据椭圆超声换能器7所匹配的电感来决定，副边线圈922缠绕在副边磁芯921内部并用环氧树脂胶密封。

该副边磁芯座63与bt刀柄壳6一体，见图3所示，有沿轴线方向排列的两个u型环槽组成，为整圆结构，u型环槽的宽度与副边磁芯921的宽度一致，两者为松配合关系，u型槽的内径与副边磁芯921的内径一致，u型槽的外径与副边磁芯921的外径一致，u型环槽底部有并排的两个穿线孔65呈180°对称分布，使副边线圈922得以穿过。

该副边磁芯921是由两个半圆环形的磁芯拼接而成，放置在副边磁芯座63内部，其外圆面开有u型槽，其材料为锰锌铁氧体。

该副边线圈922为多股漆包线，内部为铜线，外部保有绝缘漆和尼龙套。

所述椭圆超声刀柄2是由bt刀柄壳6、椭圆超声换能器7、刀具8、拉钉3及螺栓11组成；刀具8通过热装头81与椭圆超声换能器7连接，椭圆超声换能器7通过螺栓11固定到bt刀柄壳6的内部，整个椭圆超声刀柄2通过拉钉3固定到数控加工中心机床主轴4之上随该主轴高速旋转。

该bt刀柄壳6在标准bt刀柄基础上设计改造而成，包括锥柄61、环形凹槽62、副边磁芯座63、内腔64、螺栓孔66；锥柄61位于尾部，环形凹槽62位于bt刀柄壳6中部，副边磁芯座63位于bt刀柄壳6的头部，其u型槽底部开有穿线孔，bt刀柄壳6内部开有内腔，见图3所示。

该锥柄61与标准bt刀柄的锥柄一致，可以固定到数控加工中心机床主轴4上。

该环形凹槽62与标准bt刀柄的环形凹槽一致，满足换刀机械手实现自动换刀。

该副边磁芯座63在介绍感应供电装置9时已经介绍，这里不再赘述。

该内腔64是同心圆柱空腔，一是可以放置椭圆超声换能器7，二是用来通气实现气冷；。

该螺栓孔66是m4*1的螺纹孔，用于椭圆超声换能器7法兰盘的固定。

该椭圆超声换能器7由变幅杆71、压电陶瓷堆72、后盖板74、铜电极73、绝缘套75组成；变幅杆71大端设有螺杆711，其外径套有绝缘套75，后盖板74内孔有螺纹通过一定的预紧力将压电陶瓷堆72压合在一起，保证基准同轴，压电陶瓷堆72通过铜电极73与副边线圈922实现电气连接，见图4所示。

该变幅杆71是阶梯型圆柱结构，保证基准同轴，材料为不锈钢，大端设有螺杆711，小端设有螺纹孔，用于热装头81的固定。该变幅杆71的中部设有法兰盘，用于固定到bt刀柄壳6的内腔。

该压电陶瓷堆72是由四组半圆型陶瓷片按照不同的极化方向排布组成，材料为pzt-8。

该后盖板74是内部带有螺纹孔的圆柱型结构，材料为不锈钢，与压电陶瓷堆72接触的表面要光滑。

该铜电极73是圆环状结构，厚度为0.2mm，其外径和内径与压电陶瓷堆72保持一致。

该绝缘套75是圆管状结构，材料为绝缘材料，如四氟乙烯、尼龙等，套在变幅杆71设有的螺杆711之上，使铜电极73正负极之间绝缘。

该刀具8为四刃标准铣刀。该刀具8通过热装的形式与热装头81之间紧配合，热装头81通过螺纹的形式固定到椭圆超声换能器7的变幅杆71前端。

综上所述，可知本发明是一种非接触感应供电的椭圆超声加工装置，用于超声加工。本发明所用的感应供电装置9由于所述感应供电原边91和所述感应供电副边92之间是分开的，造成该原边91与该副边92之间存在不可忽略的漏感，在该原边91的回路与该副边92的回路中引起较大的无功功率消耗，造成所述感应供电装置9传输能力的降低，因此需要在所述感应供电装置9的回路上增加容性补偿元件，以消除漏感对所述感应供电装置9的传输能力造成的不利影响。本加工装置是利用所述椭圆超声换能器7的容抗和所述感应供电副边92的漏感直接进行阻抗匹配，这样就在不增加任何补偿元件的情况下，既保证了椭圆超声换能器7的阻抗匹配，又补偿了所述感应供电装置9因漏感而产生的无功能量损失。这种措施，既保证了椭圆超声换能器7具有优良的振动效果，并且结构紧凑，转动惯量小，回转稳定。

本发明的工作过程：椭圆超声刀柄2随数控加工中心机床主轴4高速旋转，椭圆超声电源1输出两路频率相同、具有一定相位差的超声频电压信号，通过导线传输到原边线圈913上，感应供电原边91产生两路交变磁通并感应到两个感应供电副边92，根据楞次定律使感应供电副边92产生电流，通过副边线圈922实现椭圆超声换能器7的两相供电。利用压电陶瓷堆72的逆压电效应，椭圆超声换能器7在两个相互垂直的方向上产生振动，驱动刀具8产生椭圆振动，对工件进行超声铣削加工，大幅提高切削效率和工艺效果。加工过程中换刀机械手可以自动换刀，并且可以在切削液环境下切削。

以上所述，仅为本发明部分具体实例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员，在本发明揭露的技术范围内，轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。