一种超声振动高速电主轴的制作方法

本发明涉及一种超声波电主轴技术，尤其涉及一种超声振动高速电主轴。

背景技术：

目前，超声波作为辅助能源应用于铣削和磨削过程，可以大幅度降低切削力，不会发生烧伤、变形、残余应力等缺陷，提高进给速度，从而提高产品质量。超声波加工精度高，速度快，加工材料适应范围广，特别适用于加工硬脆性材料或新型材料，如蓝宝石玻璃、陶瓷、半导体、石英等。

超声振动加工技术被认为是最适合加工硬脆复合材料的方法之一，在传统机械加工中工件与刀具相对运动的基础上，在工件或刀具上施加超声振动，以获得更好的加工性能的加工方法。

但是，现有的超声振动高速电主轴存在以下缺陷：

(1)超声振动电主轴的转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴温升，使电主轴的热态特性和动态特性变差，从而影响电主轴的正常工作。因此必须采取一定措施控制电主轴的温度，使其恒定在一定值内。目前一般采取强制循环油冷却的方式对电主轴的定子及主轴轴承进行冷却，即将经过油冷却装置的冷却油强制性地在主轴定子外和主轴轴承外循环，带走主轴高速旋转产生的热量。其虽然能实现一定程度的降温作用，但是构成复杂，维护成本高，并且冷却效果不是很理想。

(2)将机床主轴、主轴电机、超声波换能器、变幅杆等融为一体，并能实现超声波的良好加工效果，存在相当大的技术难题。高速旋转的超声波换能器必须获得稳定的高频电源才能使刀具高频振动，为此均是采用静止的碳刷接触高速旋转的铜银滑环，进而传导高频电源至换能器，此种导电方式称为接触导电，其缺点是静止碳刷在接触旋转滑环时产生摩擦磨损，工作一段时间后必须更换碳刷，而且碳刷接触容易不稳定，碳刷摩擦磨损产生会污染主轴内部的碳粉，故使用时极其不方便且造成一定的维护成本。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种中心冷却超声振动高速电主轴，能够提高冷却降温效率，而且能够避免换能器通过接触导电导致的碳粉污染，有助于降低维修成本。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种中心冷却超声振动高速电主轴，包括主轴外壳、轴芯、旋转接头、磁钢供电装置、换能器和刀具，所述轴芯枢接于主轴外壳内，所述旋转接头和换能器分别固定于轴芯的两端，所述磁钢供电装置通过导电组件与换能器连接，所述刀具安装于换能器上，所述刀具、换能器、轴芯和旋转接头均为中空结构且贯通形成中心冷却液输送通路，所述主轴外壳上形成冷却循环通路。

进一步地，所述主轴外壳设置有内腔，所述导电组件内置于内腔，所述轴芯插设于导电组件上，所述主轴外壳的两端分别安装有连接座和防尘盖，所述连接座套接于主轴外壳上，所述防尘盖套接于换能器上，所述换能器通过连接法兰与导电组件连接，所述导电组件上套接有上轴承座和下轴承座，所述上轴承座与导电组件之间设有上轴承喷油隔套，所述下轴承座与导电组件之间设有下轴承喷油隔套。

进一步地，所述轴芯包括拉杆、连接杆、滑动芯、拉爪、刀柄组件和夹头，所述连接杆插设于拉杆上，所述导电组件套接于拉杆上，所述滑动芯固定于拉杆上且与拉杆同步移动，所述拉爪上开设有用于供滑动芯穿过的滑动内腔，所述拉爪与滑动芯滑动接触，所述拉爪与换能器卡接，所述刀柄组件与拉爪卡接，所述夹头固定于刀柄组件上，所述刀具可拆卸地安装于夹头上。

进一步地，所述拉爪上设有第一配合部和第二配合部，所述换能器内设有第三配合部，所述刀柄组件上设有第四配合部，所述第一配合部与第三配合部卡接，所述第二配合部与第四配合部卡接。

进一步地，所述导电组件套接于拉杆上，所述拉杆上套接有蝶形弹簧，所述拉杆上具有用于将蝶形弹簧压缩或者拉伸的限位块，所述导电组件内设置有支撑部，所述蝶形弹簧的两端分别与限位块和支撑部固接，所述蝶形弹簧位于限位块与支撑部之间。

进一步地，所述旋转接头位于连接座的外侧，所述旋转接头上开设有用于与中心冷却液输送通路连通的中心冷却液入口，所述旋转接头与连接座之间设有安装座，所述安装座套接于拉杆上，所述安装座上固定有缸体，所述缸体上固定有油缸顶盖，所述旋转接头固定于油缸顶盖上，所述缸体内设有活塞，所述活塞与缸体内壁滑动接触，所述活塞套接于连接杆上。

进一步地，所述磁钢供电装置包括用于与电源设备电连接的磁钢静组件和用于与磁钢静组件磁性连接的磁钢动组件，所述磁钢静组件和磁钢动组件相隔设置，所述磁钢静组件和磁钢动组件上均设置有绕线圈，所述磁钢静组件固定于连接座上，所述磁钢动组件固定于导电组件上。

进一步地，所述冷却循环通路包括冷却液通路、上轴承油气冷却通路和下轴承油气冷却通路，所述连接座上设有循环冷却液入口和循环冷却液出口，所述循环冷却液入口、连接座、主轴外壳和循环冷却液出口之间连通形成冷却液通路，所述连接座上还设有第一上轴承油气入口、第二上轴承油气入口、第一下轴承油气入口和第二下轴承油气入口，所述第一上轴承油气入口、连接座、上轴承座、上轴承喷油隔套和第二上轴承油气入口之间连通形成上轴承油气冷却通路，所述第一下轴承油气入口、连接座、上轴承座、主轴外壳、下轴承座、下轴承喷油隔套和第二下轴承油气入口之间连通形成下轴承油气冷却通路。

进一步地，所述连接座上还设有密封气入口和油气出口，所述密封气入口用于通入空气以提高主轴外壳的密封性，所述密封气入口、连接座、上轴承座、主轴外壳和防尘盖之间连通，所述油气出口、上轴承喷油隔套、上轴承座、内腔、下轴承喷油隔套和下轴承座之间连通。

进一步地，所述油缸顶盖上设有卸刀液压油入口和油缸复位气入口，所述卸刀液压油入口用于通入液压油使活塞沿缸体向下移动，所述油缸复位气入口用于通入空气使活塞沿缸体向上移动，所述卸刀液压油入口、缸体和油缸复位气入口之间连通。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本实施例中的中心冷却超声振动高速电主轴包括主轴外壳、轴芯、旋转接头、磁钢供电装置、换能器和刀具，将轴芯枢接于主轴外壳内，使旋转接头和换能器分别固定安装于轴芯的两端，在换能器上安装有刀具，使刀具、换能器、轴芯和旋转接头均为中空结构，而且刀具、换能器、轴芯和旋转接头之间能够贯通形成中心冷却液输送通路，该中心冷却液输送通路能够在刀具、换能器、轴芯和旋转接头中心通入冷却液以到达冷却降温的目的，在主轴外壳上形成冷却循环通路，该冷却循环通路能够在主轴外壳上达到循环冷却的作用，有助于提高主轴的冷却降温效率。

(2)使磁钢供电装置能通过导电组件与换能器实现连接，进而磁钢供电装置能通过导电组件将高频电能输送至换能器，能够有效避免采用静止的碳刷接触高速旋转的铜银滑环传导高频电源至换能器而导致的碳粉污染，避免碳粉污染主轴的内部，有助于降低维修成本，而在换能器上安装有刀具，从而在换能器的作用下刀具能够实现高频振动。

附图说明

图1为本发明一种中心冷却超声振动高速电主轴一种状态的结构示意图；

图2为本发明一种中心冷却超声振动高速电主轴另一种状态的结构示意图；

图3为本发明一种中心冷却超声振动高速电主轴中上轴承油气冷却通路的结构示意图；

图4为本发明一种中心冷却超声振动高速电主轴中下轴承油气冷却通路的结构示意图；

图中：1、主轴外壳；2、轴芯；3、旋转接头；4、磁钢供电装置；5、换能器；6、刀具；11、导电组件；7、中心冷却液输送通路；8、冷却循环通路；12、内腔；13、连接座；14、防尘盖；15、上轴承座；16、上轴承喷油隔套；17、下轴承喷油隔套；21、拉杆；22、连接杆；23、滑动芯；24、拉爪；25、刀柄组件；26、夹头；241、第一配合部；242、第二配合部；51、第三配合部；251、第四配合部；27、蝶形弹簧；211、限位块；111、支撑部；31、中心冷却液入口；32、缸体；33、油缸顶盖；34、活塞；35、安装座；41、磁钢静组件；42、磁钢动组件；81、冷却液通路；82、上轴承油气冷却通路；83、下轴承油气冷却通路；131、循环冷却液入口；132、循环冷却液出口；133、第一上轴承油气入口；134、第二上轴承油气入口；135、第一下轴承油气入口；136、第二下轴承油气入口；137、密封气入口；138、油气出口；331、卸刀液压油入口；332、油缸复位气入口。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1、2所示的一种中心冷却超声振动高速电主轴，包括主轴外壳1、轴芯2、旋转接头3、磁钢供电装置4、换能器5和刀具6，轴芯2枢接于主轴外壳1内，旋转接头3和换能器5分别固定于轴芯2的两端，磁钢供电装置4通过导电组件11与换能器5连接，刀具6安装于换能器5上，刀具6、换能器5、轴芯2和旋转接头3均为中空结构且贯通形成中心冷却液输送通路7，主轴外壳1上形成冷却循环通路8。

如图1、2所示，本实施例中的中心冷却超声振动高速电主轴包括主轴外壳1、轴芯2、旋转接头3、磁钢供电装置4、换能器5和刀具6，将轴芯2枢接于主轴外壳1内，使旋转接头3和换能器5分别固定安装于轴芯2的两端，使得磁钢供电装置4能通过导电组件11与换能器5实现连接，进而磁钢供电装置4能通过导电组件11将高频电能输送至换能器5，能够有效避免采用静止的碳刷接触高速旋转的铜银滑环传导高频电源至换能器5而导致的碳粉污染，避免碳粉污染主轴的内部，有助于降低维修成本，而在换能器5上安装有刀具6，从而在换能器5的作用下刀具6能够实现高频振动。进一步地，使刀具6、换能器5、轴芯2和旋转接头3均为中空结构，而且刀具6、换能器5、轴芯2和旋转接头3之间能够贯通形成中心冷却液输送通路7，该中心冷却液输送通路7能够在刀具6、换能器5、轴芯2和旋转接头3中心通入冷却液以到达冷却降温的目的，在主轴外壳1上形成冷却循环通路8，该冷却循环通路8能够在主轴外壳1上达到循环冷却的作用，有助于提高主轴的冷却降温效率。

如图1、2所示，作为本实施例一种较佳的实施方式，在主轴外壳1上设置有内腔12，将导电组件11内置于内腔12中，进而将轴芯2插设于导电组件11上，使得主轴外壳1的两端分别安装有连接座13和防尘盖14，将连接座13套接于主轴外壳1上，防尘盖14套接于换能器5上，使得换能器5能够通过连接法兰与导电组件11连接，进一步地，在导电组件11上套接有上轴承座15和下轴承座，使上轴承座15与导电组件11之间安装有上轴承喷油隔套16，下轴承座与导电组件11之间安装有下轴承喷油隔套17。

如图1、2所示，具体地，轴芯2包括拉杆21、连接杆22、滑动芯23、拉爪24、刀柄组件25和夹头26，将连接杆22插设于拉杆21上，连接杆22和拉杆21可以通过螺纹连接装配，使连接座13、导电组件11均套接于拉杆21上，使得滑动芯23固定安装于拉杆21上，进而滑动芯23能随拉杆21同步移动，在拉爪24上开设有滑动内腔12，该滑动内腔12能够供滑动芯23穿过，使得拉爪24与滑动芯23实现滑动接触，更具体地，在拉爪24上设有第一配合部241和第二配合部242，使换能器5内设有第三配合部51，刀柄组件25上设有第四配合部251，使得第一配合部241与第三配合部51之间以卡接的方式实现连接，第二配合部242与第四配合部251之间以卡接的方式实现连接，拉爪24与换能器5之间以卡接的方式实现连接，刀柄组件25与拉爪24之间以卡接的方式实现连接，而在刀柄组件25上固定安装有夹头26，将刀具6以可拆卸的方式安装于夹头26上，有助于实现刀具6的更换。

如图1、2所示，更具体地，将导电组件11套接于拉杆21上，使拉杆21上套接有蝶形弹簧27，在拉杆21上具有限位块211，该限位块211能够随拉杆21同步移动，以达到压缩或者拉伸蝶形弹簧27的目的，在导电组件11内设置有支撑部111，使得蝶形弹簧27的两端分别与限位块211和支撑部111实现固定连接，使得蝶形弹簧27安装于限位块211与支撑部111之间。

如图1、2所示，本实施例中的旋转接头3位于连接座13的外侧，在旋转接头3上开设有用于与中心冷却液输送通路7连通的中心冷却液入口31，将高压冷却液通入中心冷却液入口31后进入中心冷却液输送通路7，使高压冷却液依次通过旋转接头3、连接杆22、拉杆21、滑动芯23、刀柄组件25、夹头26和刀具6，高压冷却液从刀具6的刀尖处高压喷出，能够实现中心冷却的目的，同时也有助于将主轴内部的废屑排出。进一步地，在旋转接头3与连接座13之间设有安装座35，该安装座35套接于拉杆21上，在安装座35上固定安装有缸体32，在缸体32的顶部固定安装有油缸顶盖33，将旋转接头3固定安装于油缸顶盖33上，在缸体32内设有活塞34，使得活塞34与缸体32内壁滑动接触，该活塞34套接于连接杆22上。

如图1所示，作为本实施例一种较佳的实施方式，在油缸顶盖33上设有卸刀液压油入口331和油缸复位气入口332，该卸刀液压油入口331用于通入液压油使活塞34沿缸体32向下移动，油缸复位气入口332用于通入空气使活塞34沿缸体32向上移动，卸刀液压油入口331、缸体32和油缸复位气入口332之间连通。当需要进行刀具6更换时，在卸刀液压油入口331通入液压油，液压油经过油缸顶盖33的通道进入油缸顶盖33与活塞34之间的空隙，在液压油作用下，活塞34向下移动，其下端面接触拉杆21施加推力，推动拉杆21向下移动，同时拉杆21逐渐压缩碟形弹簧，使得拉杆21下端连接的滑动芯23在滑动内腔12内向下滑动一定距离，迫使拉爪24向内滑动收缩，第一配合部241与第三配合部51实现分离，第二配合部242与第四配合部251实现分离，即使拉爪24与换能器5之间实现分离，刀柄组件25与拉爪24之间实现分离，使得刀柄组件25可以松脱以进行更换刀具6的操作。当需要拉刀时，卸刀液压油入口331停止通油，在油缸复位气入口332通入一定压力的空气，空气依次经过油缸顶盖33和缸体32的通道进入缸体32与活塞34之间的空隙，在空气的作用下，活塞34向上移动复位，施加在拉杆21上的推力消失，同时被压缩的碟形弹簧拉伸复位，使拉杆21和滑动芯23向上移动，拉爪24在滑动芯23的作用下张开，第一配合部241与第三配合部51实现卡接，第二配合部242与第四配合部251实现卡接，即使拉爪24与换能器5之间实现卡接，刀柄组件25与拉爪24之间实现卡接，从而能够将刀柄组件25拉紧，完成更换刀具6的操作。

如图1、2所示，值得一提的是，磁钢供电装置4包括磁钢静组件41和磁钢动组件42，磁钢静组件41与电源设备电连接，而且磁钢静组件41和磁钢动组件42上均设置有绕线圈，磁钢动组件42与磁钢静组件41之间通过磁性连接，将磁钢静组件41和磁钢动组件42相隔设置，即将磁钢静组件41固定安装于连接座13上，使磁钢动组件42固定安装于导电组件11上，高频电流从电源设备的导线进入磁钢静组件41中的绕线圈，电流在磁钢静组件41中的绕线圈中产生磁场，磁钢静组件41与磁钢动组件42之间形成闭合磁场回路，电能转换为磁场能，而磁钢动组件42中的绕线圈受闭合磁场的激励产生电流，使磁场能转换为电能，进而电流经导电组件11进入换能器5，使换能器5得电工作。从而能够实现非接触式供电，使磁钢静组件41和磁钢动组件42之间不存在任何的接触摩擦，能够有效避免磨损和损坏，达到降低维修成本的目的，使用极其方便和可靠。

如图1-4所示，更具体地，使冷却循环通路8包括冷却液通路81、上轴承油气冷却通路82和下轴承油气冷却通路83，在连接座13上设有循环冷却液入口131和循环冷却液出口132，往循环冷却液入口131中通入冷却液，循环冷却液入口131、连接座13、主轴外壳1和循环冷却液出口132之间连通形成循环的冷却液通路81，使得冷却液依次经过循环冷却液入口131、连接座13、主轴外壳1，冷却液从循环冷却液出口132排出，有效的、全方位的对主轴内的部件进行冷却降温。在连接座13上还设有第一上轴承油气入口133、第二上轴承油气入口134、第一下轴承油气入口135和第二下轴承油气入口136，将油气混合气体分别通入第一上轴承油气入口133、第二上轴承油气入口134、第一下轴承油气入口135和第二下轴承油气入口136，因第一上轴承油连通气入口、连接座13、上轴承座15、上轴承喷油隔套16和第二上轴承油气入口134之间连通形成循环的上轴承油气冷却通路82，进入上轴承油气冷却通路82的油气混合气体依次经过连接座13、上轴承座15、上轴承喷油隔套16，且第一下轴承油气入口135、连接座13、上轴承座15、主轴外壳1、下轴承座、下轴承喷油隔套17和第二下轴承油气入口136之间连通形成下轴承油气冷却通路83，进入下轴承油气冷却通路83的油气混合气体依次经过连接座13、上轴承座15、主轴外壳1、下轴承座、下轴承喷油隔套17，从而能够对上轴承、下轴承实现润滑、冷却降温的作用。

如图1、2所示，更具体地，在连接座13上还设有密封气入口137和油气出口138，往密封气入口137通入一定压力的空气，使密封气入口137、连接座13、上轴承座15、主轴外壳1和防尘盖14之间连通，空气依次通过密封气入口137、连接座13、上轴承座15、主轴外壳1和防尘盖14，该空气从防尘盖14与换能器5的间隙排出，能有效阻止污水、切屑、污浊气体等进入主轴，也能够将主轴前端的粉尘清除。而油气出口138、上轴承喷油隔套16、上轴承座15、内腔12、下轴承喷油隔套17和下轴承座之间连通，从而使得主轴外壳1内部的油气混合气体能够通过油气出口138排放。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。