一种非接触式超声加工装置及其加工工艺的制作方法

本发明涉及超声加工设备技术领域，具体而言，涉及一种非接触式超声加工装置及其加工工艺。

背景技术：

常见的超声加工装置通过位于驻波波节处的法兰将换能器组件连接在刀柄上。由于换能器组件跟随刀柄一同旋转，所以其与刀柄有同轴度精度要求。如果同轴度误差过大，那么超声加工装置在工作时产生的动不平衡便会加剧。这一问题在高转速工作时的影响更大，不能忽视。一般的换能器法兰侧面为圆柱面，装配时使用此圆柱面定位，而用于精确定位的圆柱面加工难度大，装配同轴度误差大，难以保证精度要求。因此，实际使用的换能器与刀柄的连接结构有改进的余地。

常见的非接触式超声加工装置使用一组磁芯线圈来传输电能，而磁芯的相对位置对电能传输效率有很大的影响。磁芯间的间隔应按照电磁匹配设计设置，磁芯间的错位、偏角等误差应该消除。在主轴上安装超声加工装置时难以保证磁芯间的相对位置，因此需要设计专门的定位与固定装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种非接触式超声加工装置及工艺，提高非接触式超声加工装置的换能器法兰与刀柄装配同轴度，解决非接触式超声加工装置的磁芯位置难以定位和固定的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种非接触式超声加工装置，包括刀柄组件、换能器组件、非接触式能量传输装置，所述刀柄组件包括与机床主轴相连的上轴以及内部中空的下轴，所述下轴末端内部设有内锥面，所述内锥面上部设有向内突出的内端面，所述内锥面小端指向刀柄下部内端面一侧方向，所述换能器组件包括上部的压电陶瓷堆及电极片、中部的节面法兰、下部的变幅杆以及变幅杆末端的刀具连接结构，所述节面法兰的外圆被加工成外锥面，锥面小端指向压电陶瓷堆一侧方向，所述刀柄组件下轴内锥面与所述节面法兰的外锥面配合，所述刀柄组件下轴内端面与所述节面法兰的外锥面顶端之间设有垫圈。

进一步，刀柄组件下轴内端面上有数个垂直于端面且关于刀柄组件中心轴轴对称的螺纹孔；垫圈上开有数个与刀柄组件螺纹孔相对应的通孔，装配在刀柄组件与换能器组件的螺栓连接之间，装配状态时应预施加压力将其压缩。

进一步，所述内锥面和外锥面的角度相同，锥度为5°-10°。

进一步，所述垫圈为非金属弹性垫圈。

进一步，所述非接触式能量传输装置包括电源组件、原边线圈组和副边线圈组，原边线圈和副边线圈组分别用铜漆包线缠绕在原边磁芯和副边磁芯上，所述原边磁芯和副边磁芯分别固定在原边磁芯固定环和副边磁芯固定环上，所述原边磁芯固定环通过调节组件与原边磁芯抱座固定连接，所述原边磁芯抱座固定在机床主轴上。

进一步，所述原边磁芯抱座包括两个固定半环，所述两个固定半环两端设有固定耳，所述固定耳上设有螺栓孔，两个固定半环抱合在所述机床主轴上，通过螺栓紧固固定。

进一步，所述调节组件包括固定在原边磁芯抱座底端的上连接件，固定在原边磁芯固定环上部的下连接件4.5和调节连柄，所述上连接件和下连接件4.5对称布置，所述上连接件和下连接件4.5上设有螺栓孔，调节连柄上设有长槽孔，螺栓穿过调节连柄上的长槽孔和上连接件以及下连接件4.5上的螺栓孔调节原边磁芯固定环和所述原边磁芯抱座之间的距离。

进一步，所述原边磁芯固定环四周设有贯通的螺纹孔，所述副边磁芯固定环上设有与所述原边磁芯固定环上螺纹孔相对应的盲孔定位槽，螺纹孔的位置和盲孔定位槽的位置关于两个固定环的轴线中心对称，距离调节螺栓穿过所述磁芯固定环上螺纹孔安装在所述盲孔定位槽中。

本发明还提供一种非接触式超声加工工艺，包括如下步骤：

步骤s1.提供权利要求1～8中任意一项所述的装置，并装配在机床主轴上；

步骤s2.设计原、副边磁芯间距，将原边磁芯固定环上的距离调节螺栓都拧出相应间距；

步骤s3.将原边磁芯通过固定装置安装在机床主轴上；

步骤s4.将将换能器各个紧定螺栓依次穿过换能器法兰和非金属弹性垫圈，然后对准刀柄对应的螺纹孔将其旋入但不拧紧，把非金属弹性垫圈压平。依次逐渐拧紧各个紧定螺栓，避免各紧定螺栓预紧力不均，将刀柄与换能器组件装配好，然后将它们安装到机床主轴上；

步骤s5.旋转主轴，让原边磁芯固定环上的距离调节螺栓顶部放入副边磁芯对应位置的定位槽内完成定心，然后控制距离调节螺栓拧出的长度来调节原、副边磁芯的间距，调节好后将原边磁芯固定部件的各个螺栓拧紧以固定，然后将距离调节螺栓全部取下，即完成原副边磁芯的相对位置调整和原边磁芯的固定；

步骤s6.打开超声电源，调节换能器至谐振状态；

步骤s7.启动机床。

与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：

1.本发明使用了距离调节螺栓和副边磁芯固定环的凹槽来调节原副边磁芯的对心和间距。当距离调节螺栓顶部放入副边磁芯固定环上的对应凹槽时，即完成上下磁芯的对心，方便快捷；使用距离调节螺栓确定原边磁芯固定环的位置，快捷、准确；使用可以活动的连柄来固定原边磁芯固定环，方便快捷；

2.本发明采用锥面连接和非金属弹性垫圈补偿平面度的方法辅助换能器与刀柄的装配，提高了装配同轴度，使加工装置可以适合高转速场合下的使用。对于换能器法兰与刀柄连接处这样具有高同轴度要求的装配结构，将法兰外圆柱面改为锥面是有效的装配定位方法；而在此处结构中，换能器法兰厚度较薄且需要使用螺栓拉紧，若仅使用锥面结构锁紧则结构刚度不足，若让法兰端面接触刀柄端面则会产生过定位——端面定位和锥面定位会互相干扰。因此本发明在法兰端面与刀柄端面间增设一个非金属弹性垫圈，其可以在不影响锥面定位的前提下增加结构刚度，且在一定程度上补偿法兰端面平面度误差，增强定位效果；

3.本发明采用非接触式供电方法，没有滑环因与碳刷摩擦而导致的磨损，也减少了能量在传输过程中的损耗。

附图说明

图1为整体装置爆炸图，

图2为本发明刀柄侧视图，

图3为本发明图2中剖视图，

图4为图3中的局部放大视图，

图5为刀柄的结构示意图，

图6为换能器组件的结构示意图，

图7为原边磁芯固定装置的爆炸视图，

图8为磁芯原、副边固定环的装配示意图。

其中：1-刀柄组件，1.1-上轴，1.2-下轴，1.3-内锥面，1.4-内端面，2-垫圈，3-换能器组件，3.1-紧定螺栓，3.2-后盖板，3.3-电极片，3.4-压电陶瓷堆，3.5-绝缘套，3.6-节面法兰，3.7-法兰通孔，3.8-法兰外锥面，3.9-变幅杆，4-非接触式能量传输装置，4.1-原边磁芯固定环，4.2-副边磁芯固定环，4.3-原边磁芯抱座，4.4-上连接件，4.5-下连接件，4.6-调节连柄，4.7-距离调节螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，并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“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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申请中的具体含义。

如图1-8所示，本申请提供一种非接触式超声加工装置，包括刀柄组件1、换能器组件3、非接触式能量传输装置4，所述刀柄组件1包括与机床主轴相连的上轴1.1以及内部中空的下轴1.2，所述下轴1.2末端内部设有内锥面1.3，所述内锥面1.3上部设有向内突出的内端面1.4，所述内锥面1.3小端指向刀柄下部内端面1.4一侧方向，所述换能器组件3包括上部的压电陶瓷堆3.4及电极片3.3、中部的节面法兰3.6、下部的变幅杆3.9以及变幅杆3.9末端的刀具连接结构，所述节面法兰3.6的外圆被加工成外锥面3.8，锥面小端指向压电陶瓷堆3.4一侧方向，所述刀柄组件1的下轴1.2的内锥面1.3与所述节面法兰3.6的外锥面3.8配合，所述刀柄组件1的下轴1.2的内端面1.4与所述节面法兰3.6的外锥面3.8顶端之间设有垫圈2。

在上述实施例中，将法兰外圆柱面改为锥面是有效的装配定位方法；而在此处结构中，换能器法兰厚度较薄且需要使用螺栓拉紧，若仅使用锥面结构锁紧则结构刚度不足，若让法兰端面接触刀柄端面则会产生过定位——端面定位和锥面定位会互相干扰。因此本发明在法兰端面与刀柄端面间增设一个非金属弹性垫圈2，其可以在不影响锥面定位的前提下增加结构刚度，且在一定程度上补偿法兰端面平面度误差，增强定位效果。在上述实施例中，所述压电陶瓷堆3.4的紧定螺栓3.1上套有绝缘套3.5，该紧定螺栓3.1将后盖板3.2、陶瓷堆、电极片3.3紧定在变幅杆3.9上并施加一定的预紧力。紧定螺栓3.1穿过法兰通孔3.7与刀柄组件连接。

进一步优选的实施例中，刀柄组件1的下轴1.2内端面1.4上有数个垂直于端面且关于刀柄组件1中心轴轴对称的螺纹孔；垫圈2上开有数个与刀柄组件1螺纹孔相对应的通孔，装配在刀柄组件1与换能器组件3的螺栓连接之间，装配状态时应预施加压力将其压缩。

在上述实施例中，换能器组件3法兰和刀柄下轴1.2之间通过锥度配合，垫圈2被装配在刀柄组件1的下轴1.2的内端面1.4与所述节面法兰3.6的外锥面3.8顶端之间通过螺栓连接固定，用于补偿法兰端面平面度误差。

进一步优选的实施例中，内锥面1.3和外锥面3.8的锥度为5-10°,上述锥度为单边角度θ。

在上述实施例中，垫圈2为非金属垫圈，非金属垫圈具有弹性，装配在换能器法兰和刀柄的间隙之间时可以被压缩。

进一步优选的实施例中，非接触式能量传输装置4包括电源组件、原边线圈组和副边线圈组，原边线圈和副边线圈组分别用铜漆包线缠绕在原边磁芯和副边磁芯上，所述原边磁芯和副边磁芯分别固定在原边磁芯固定环4.1和副边磁芯固定环4.2上，所述原边磁芯固定环4.1通过调节组件与原边磁芯抱座4.3固定连接，所述原边磁芯抱座4.3固定在机床主轴上。

在上述实施例中，原边磁芯抱座4.3通过螺栓螺母加紧在机床上，原边磁芯抱座4.3通过调节组件与下方的原边磁芯固定环4.1连接。副边磁芯通过副边磁芯固定环4.2固定在刀柄外圆面的台阶上。当机床主轴转动时，原边磁芯相对机床保持静止，副边磁芯同主轴一起转动。主轴内部下方中空，换能器法兰与非金属弹性垫圈通过螺栓固定在刀柄下部。

进一步优选的实施例中，所述原边磁芯抱座4.3包括两个固定半环，所述两个固定半环两端设有固定耳，所述固定耳上设有螺栓孔，两个固定半环抱合在所述机床主轴上，通过螺栓紧固固定。

进一步优选的实施例中，调节组件包括固定在原边磁芯抱座4.3底端的上连接件4.4，固定在原边磁芯固定环4.1上部的下连接件和调节连柄4.6，所述上连接件4.4和下连接件对称布置，所述上连接件4.4和下连接件上设有螺栓孔，调节连柄4.6上设有长槽孔，螺栓穿过调节连柄4.6上的长槽孔和上连接件4.4以及下连接件上的螺栓孔调节原边磁芯固定环4.1和所述原边磁芯抱座4.3之间的距离。

所述原边磁芯固定环4.1四周设有贯通的螺纹孔，所述副边磁芯固定环4.2上设有与所述原边磁芯固定环4.1上螺纹孔相对应的盲孔定位槽，螺纹孔的位置和盲孔定位槽的位置关于两个固定环的轴线中心对称，距离调节螺栓4.7穿过所述磁芯固定环上螺纹孔安装在所述盲孔定位槽中。

在上述实施例中，使用原边磁芯固定环4.1上的三个距离调节螺栓4.7调整原、副边磁芯对心与间距。当机床主轴转动时，原边磁芯相对机床保持静止，副边磁芯同主轴一起转动。主轴内部下方中空，换能器法兰与非金属弹性垫圈通过螺栓固定在刀柄下部。

按上述方案，原边磁芯固定环4.1上除了原边磁芯还有关于轴线中心对称的螺纹孔，用来旋入距离调节螺栓4.7以调节原边磁芯固定环4.1和副边磁芯固定环4.2间的相对距离。当机床主轴转动时，原边磁芯、原边磁芯固定环4.1及原边磁芯固定装置通过两个半圆形抱座固连在机床上，相对机床保持静止；副边磁芯和固定环共同随刀柄与主轴转动。

本实施例还提供一种非接触式超声加工工艺，包括如下步骤：步骤s1.提供权利要求1～8中任意一项所述的装置，并装配在机床主轴上；

步骤s2.设计原、副边磁芯间距，将原边磁芯固定环4.1上的距离调节螺栓4.7都拧出相应间距；

步骤s3.将原边磁芯通过固定装置安装在机床主轴上；

步骤s4.将换能器各个紧定螺栓3.1依次穿过换能器法兰和非金属弹性垫圈2，然后对准刀柄对应的螺纹孔将其旋入但不拧紧，把非金属弹性垫圈2压平，依次逐渐拧紧各个紧定螺栓3.1，避免各紧定螺栓3.1预紧力不均，将刀柄与换能器组件3装配好，然后将它们安装到机床主轴上；

步骤s5.旋转主轴，让原边磁芯固定环4.1上的距离调节螺栓4.7顶部放入副边磁芯对应位置的定位槽内完成定心，然后控制距离调节螺栓4.7拧出的长度来调节原、副边磁芯的间距，调节好后将原边磁芯固定部件的各个螺栓拧紧以固定，然后将距离调节螺栓4.7全部取下，即完成原副边磁芯的相对位置调整和原边磁芯的固定；

步骤s6.打开超声电源，调节换能器至谐振状态；

步骤s7.启动机床。

在上述实施例中，将副边磁芯固定环4.2过盈配合连接在刀柄外圆面和台阶肩上，将副边磁芯固定在上面。先将非金属弹性垫圈2放入刀柄的下部内锥面1.3底部，将法兰外锥面3.8对准刀柄底部内锥面1.3将换能器组件3放入刀柄中，换能器上的通孔要对准刀柄上的螺纹孔。最后将螺栓旋入并拧紧，完成刀柄和换能器的装配。

将原边磁芯固定装置的各组螺栓螺母拧松，让固定装置两边的连杆大致对称布置，然后让原边磁芯固定环4.1尽可能在高的位置，拧紧固定装置上除了抱座之外的各组螺栓、螺母，将抱座套在机床主轴外壳上然后锁紧抱座。

打开机床，将刀柄穿过原边磁芯固定环4.1安装在机床主轴上。

将距离调节螺栓4.7旋入原边磁芯固定环4.1的对应螺纹孔内，拧松调节连柄4.6的各组固定螺栓、螺母，转动主轴，使距离调节螺栓4.7顶部落入副边磁芯固定环4.2对应的各个槽内，完成原、副边磁芯对心。调节距离调节螺栓4.7的伸出长度至原、副边磁芯距离达到设计目标，拧紧连柄的各组螺栓、螺母，使原边磁芯固定装置4各部分紧固，再将距离调节螺栓4.7拧下，即完成原边磁芯的定位与固定。

将原边磁芯接入超声电源，调节换能器至谐振频率，即可开始工作。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。