一种自动更换刀具的超声波主轴的制作方法

本申请涉及一种超声波主轴，尤其涉及一种内藏超声波并可自动更换刀具的主轴。

背景技术：

随着制造业的发展，很多高硬度材料应用到了很多产品上，加工高硬度材料一直是个难题，常规的切削加工有很多缺点：一般刀具的硬度无法达到要求，需要定制特殊高硬度刀具，且刀具寿命普遍很短；切削高硬度材料进给速度慢，切削力大，加工时容易导致工件开裂，不仅影响产能及效率，还很大程度降低了主轴轴承的寿命，提高了机床的故障率。

此外，目前市面上的机床常用超声波加工方案，超声波是指频率超过人所能听到的频率范围的声波，其频率大于20000hz，人们也把频率为0.5×10⁹hz以上的声波称为特超声波。超声波虽然人类无法听到，但是在现代生活中却启到了很大作用，被利用到了人类生活的方方面面。如轮船上用以捕鱼、探测时采用的声纳，北方使用的房间加湿器，工厂里使用的超声波探伤仪，食品生产加工中等。而超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工。常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光。

但是，绝大部分的超声波加工方案都将超声模块集成到主轴刀柄上，大大地增加了刀具的悬出距离，不仅减小了机床的有效加工行程，也增加了刀具的偏摆。这种外置的超声模块的走线、防护极其不便，也影响了机床的美观。这种方案需要每个刀柄都要集成超声的换能器模块，很难保证每个刀柄的统一性，不仅影响了工件加工的稳定性，还大大增加了生产成本。

技术实现要素：

基于上述目的，本申请提出了一种自动更换刀具的超声波主轴，包括：

机体；

轴芯，所述轴芯通过设置在所述机体上下端部的上轴承和下轴承枢接于所述机体的内部；

超声波模块，内置在所述上轴承和下轴承之间，用于产生超声波振动；

拉刀机构，装配于所述超声波模块中，用于刀具的锁紧和松放。

在一些实施例中，所述超声波模块包括信号发射器、换能器和变幅杆，所述信号发射器内置在所述上轴承和下轴承之间，所述换能器和变幅杆内置在所述轴芯中。

在一些实施例中，所述换能器固定连接在所述变幅杆的上方；所述变幅杆通过压套锁紧在所述轴芯中，所述压套内圆与所述变幅杆的外圆间形成一空间，以作为所述变幅杆的振幅空间。

在一些实施例中，所述信号发射器安装在下轴承座上，并与所述下轴承固定连接。

在一些实施例中，所述拉刀机构装配于所述变幅杆中，包括拉杆、弹性元件和弹性筒夹；其中，

所述拉杆设置于所述变幅杆的顶端部，所述弹性筒夹设置于所述变幅杆的底端部，两者通过所述弹性元件相连接；

所述弹性筒夹用于夹紧和松放刀具。

在一些实施例中，所述弹性元件的上端与所述拉杆法兰接触，其下端与所述轴芯接触，使得在所述弹性元件的弹力作用下，所述拉杆向上拉紧所述弹性筒夹。

在一些实施例中，所述弹性筒夹的外锥面与所述变幅杆下端的内锥面贴合，所述弹性筒夹在被所述拉杆向上拉紧时可锁紧刀具。

在一些实施例中，所述主轴还包括缸体，用于驱动所述拉杆向下推顶所述弹性筒夹，使得所述弹性筒夹张开，进而松放刀具。

在一些实施例中，所述轴芯的下端为内空设置，用于装配所述换能器和变幅杆。

在一些实施例中，所述信号发射器的引线通过所述机体和缸体内的通孔，并从上方引出。

本实施例公开的自动更换刀具的超声波主轴，包括机体，轴芯，所述轴芯通过设置在所述机体上下端部的上轴承和下轴承枢接于所述机体的内部；超声波模块，内置在所述上轴承和下轴承之间，用于产生超声波振动；拉刀机构，装配于所述超声波模块中，用于刀具的锁紧和松放。本方案不仅通过将超声模块的信号发射器装在轴承之间，换能器装在轴芯内部，有效利用了主轴的内部空间，大大减小了刀具的悬出距离，增强了整个装夹系统的刚性，也降低了刀具旋转的偏摆，提高了主轴的加工精度；而且通过去掉刀柄，仅将变幅杆内锥面与筒夹外锥面配合，大大提升了刀具的装夹精度，从而提高主轴的加工精度，也降低了客户在刀柄上的投入成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请实施例的自动更换刀具的超声波主轴的示意图；

图中：1-压套；2-下轴承；3-下轴承座；4-变幅杆；5-信号发射器；6-换能器；7-轴芯；8-机体；9-上轴承；10-缸体；11-活塞；12-拉杆；13-弹性元件；14-弹性筒夹；15-刀具。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供了一种自动更换刀具的超声波主轴，包括机体，轴芯，所述轴芯通过设置在所述机体上下端部的上轴承和下轴承枢接于所述机体的内部；超声波模块，内置在所述上轴承和下轴承之间，用于产生超声波振动；拉刀机构，装配于所述超声波模块中，用于刀具的锁紧和松放。本方案通过将超声模块的信号发射器装在轴承之间，换能器装在轴芯内部，有效利用了主轴的内部空间，大大减小了刀具的悬出距离，增强了整个装夹系统的刚性，也降低了刀具旋转的偏摆，提高了主轴的加工精度。

如图1所示，所述主轴包括机体8、轴芯7、超声波模块和拉刀机构。其中，所述轴芯7通过设置在所述机体8的上下端部的上轴承9和下轴承2枢接于所述机体8的内部；所述超声波模块，内置在所述上轴承9和下轴承2之间，用于产生超声波振动；所述拉刀机构，装配于所述超声波模块中，用于刀具的锁紧和松放。本实施例公开的主轴与常规主轴下端增加超声模块的方案相比，由于超声模块的信号发射器装在轴承之间，换能器装在轴芯内部，有效利用了主轴的内部空间，大大减小了刀具的悬出距离，增强了整个装夹系统的刚性，也降低了刀具旋转的偏摆，提高了主轴的加工精度。

所述超声波模块包括信号发射器5、换能器6和变幅杆4，由于在实际的应用中，换能器的输出振幅很难满足要求，所以一般需要将其振幅进行放大。增大换能器的输入电功率在一定程度上可以提高换能器的输出振幅，但是由于振比恒定不变，采用这种方法造成巨大的能量的浪费，同时会产生大量的热，破坏换能器的性能。通过大量的实验研究和生产实践证明，在换能器的输出端增加一个变幅杆能很好的解决输出振幅过低和能量浪费的问题，应用的频率范围越高，变幅杆的优势越明显。

具体地，所述信号发射器5内置在所述上轴承9和下轴承2之间，具体地，在应用例中，可将所述信号发射器安装在下轴承座上，并与所述下轴承固定连接。所述换能器6和变幅杆4内置在所述轴芯7中，具体地，所述轴芯的下端为内空的，可用于装配所述换能器和变幅杆。所述拉刀机构装配于所述变幅杆4中，用于对刀具15的锁紧和松放，进而实现主轴的拉刀和换刀功能。与超声波刀柄方案超声加工方案相比，每个超声波刀柄都需要一套换能器和变幅杆，成本非常高，很难普及，性能的同一性也很差，而该主轴只需要一套换能器和变幅杆，大大降低了成本，加工的稳定性也更好。

在应用例中，所述换能器固定连接在所述变幅杆的上方；所述变幅杆4通过压套1锁紧在所述轴芯7中，所述压套1的内圆与所述变幅杆4的外圆间形成一空间，以为所述变幅杆4的振动提供空间。

所述拉刀机构装配于所述变幅杆4中，包括拉杆12、弹性元件13和弹性筒夹14；其中，所述弹性筒夹14用于夹紧和松放刀具15；所述拉杆12设置于所述变幅杆4的顶端部，所述弹性筒夹14设置于所述变幅杆4的底端部，两者通过所述弹性元件13相连接。具体地，所述弹性元件13的上端与所述拉杆12法兰接触，其下端与所述轴芯7接触，使得在所述弹性元件13的弹力作用下，所述拉杆12向上拉紧所述弹性筒夹14，进而实现了主轴的拉刀功能。

所述弹性筒夹14的外锥面与所述变幅杆4下端的内锥面贴合，所述弹性筒夹14在被所述拉杆12向上拉紧时可锁紧刀具。

在应用例中，所述主轴还包括缸体10，用于驱动所述拉杆12向下推顶所述弹性筒夹14，使得所述弹性筒夹张开。具体地，在应用例中，所述缸体为打刀缸，并通过活塞来推动所述拉杆12，促使所述12将所述弹性筒夹14往下顶，导致所述弹性筒夹的外锥面与所述变幅杆下端的内锥面开始分离，进而实现刀具的更换。与常规机床主轴相比，常规主轴通常通过更换刀柄来实现换刀，使得机床的刀库的质量偏重、结构复杂、成本高，而且一般的刀柄外锥面与轴芯配合，内锥面与弹性筒夹配合，该方案不需要刀柄，只有变幅杆内锥面与筒夹外锥面配合，少了一层配合，大大提升了刀具的装夹精度，从而提高主轴的加工精度，也降低了客户在刀柄上的投入成本

在具体的应用例中，为了主轴安装方便，所有的引线和油气路统一从主轴上方引出，所述信号发射器5的引线穿过所述机体8和所述缸体10内的通孔，从上方引出。

本实施例公开的自动更换刀具的超声波主轴还有利于降低刀库的质量、简化刀库结构、降低机床的设计及制造成本；和主轴下端增加超声模块的方案对比，由于超声模块的信号发射器装在轴承之间，换能器装在轴芯内部，有效利用了主轴的内部空间，大大减小了刀具的悬出距离，增强了整个装夹系统的刚性，也降低了刀具旋转的偏摆，提高了主轴的加工精度。

此外，在超声波刀柄方案超声加工方案中，每个超声波刀柄都需要一套换能器和变幅杆，成本非常高，很难普及，性能的同一性也很差。而本实施例公开的自动更换刀具的超声波主轴，只需要一套换能器和变幅杆，大大降低了成本，加工的稳定性也更好；与常规机床主轴相比，常规主轴通常通过更换刀柄来实现换刀，使得机床的刀库的质量偏重、结构复杂、成本高，而且一般的刀柄外锥面与轴芯配合，内锥面与弹性筒夹配合，该方案不需要刀柄，只有变幅杆内锥面与筒夹外锥面配合，少了一层配合，大大提升了刀具的装夹精度，从而提高主轴的加工精度，也降低了客户在刀柄上的投入成本。

在具体的操作过程中，换能器将超声波信号发射器产生的高频电信号转换为机械振动，完成能量的转换，并由变幅杆的传输和放大作用将所述超声波振动传递给刀具，使得所述刀具带有超声频的振动。由于拉杆与弹性筒夹相连接，当工作时，所述弹性筒夹14在所述拉杆12向上拉紧的作用下可锁紧刀具15，在超声波模块的作用下，所述刀具15带有超声频的振动，以完成切割、打眼等工作。当需要更换刀具时，在所述缸体10的活塞11的推动下，所述拉杆12将所述弹性筒夹14往下顶，使得所述弹性筒夹14的外锥面与所述变幅杆4下端的内锥面从贴合变为分离，所述弹性筒夹14张开，刀具松动并可取出，完成了刀具的更换。

在实际应用中，轴承也是主轴的重要部件，不仅要满足其精度要求，足够的刚度以及一定的受力能力等要求之外，最主要的还要充分满足主轴转速的要求。不同类型的轴承适用的场合有着很大的不同，要充分考虑使用的环境以及轴承自身的特点。

比如，轴承的分类方式有很多，根据滚动体的不同轴承可以分为球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承四大类。每一类轴承所运用的场合不一，球轴承适用于有较小的轴向载荷和径向载荷的场合；圆柱滚子和滚针轴承则不能承受径向载荷，因此不适于有径向力的场合；圆锥滚子轴承能够承受较大的轴向载荷和径向载荷，因此一般用于轴向力和径向力较大的场合。根据滚动轴承的结构类型的不同，轴承可以分为向心轴承和推力轴承两大类，其中推力轴承可以细分为轴向接触轴承和推力角接触轴承，轴向接触轴承能承受轴心载荷，而推力角接触轴承不仅能够承受轴向载荷也能承受较小的径向载荷。因此，在具体的实施例中，所述上轴承9和所述下轴承2可以依据不同的使用场景来进行选择不同的种类。

以上描述仅为本申请的较佳实施例及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。