一种超磁致伸缩旋转超声振动装置的制作方法

本发明属于超声加工设备技术领域，具体涉及一种超磁致伸缩旋转超声振动装置。

背景技术：

目前，在超声加工技术领域，压电陶瓷是超声换能器广泛应用的激振材料，但由于压电陶瓷的功率密度比较小，并且存在过热失效，易碎等不足之处，限制了其在大功率场合的应用。

超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，具有磁致伸缩系数大；功率容量高；响应速度快；性能比较稳定；机电耦合系数大等。是大功率、大振幅超声加工系统的研究方向。由于超磁致伸缩材料存在磁滞效应和涡流效应，以及励磁线圈要在高频下工作，会产生大量的热，严重影响超磁致伸缩换能器的性能。因此，必须给超磁致伸缩换能器提供合适的制冷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超磁致伸缩旋转超声振动装置，能够利用气冷系统进行冷却，解决超磁致伸缩换能器的发热问题。

本发明所采用的技术方案是：一种超磁致伸缩旋转超声振动装置，包括刀柄、原边绕组及两组轴承系统，刀柄上设有副边绕组，原边绕组与副边绕组通过电感耦合连接；刀柄下部安装有超磁致伸缩换能器；两组轴承系统套在超磁致伸缩换能器上；两组轴承系统底部相对，通过螺纹连接；

超磁致伸缩换能器包括换能器外壳，换能器外壳内设有超磁致伸缩棒，超磁致伸缩棒外设有线圈，线圈外设有导磁圆筒，线圈两端设有导磁圆环；超磁致伸缩棒的两端按照距离由近及远依次设有永磁体、导磁块及导磁片，并与导磁套筒及导磁圆环组成闭合的磁回路；靠近刀柄的一个导磁片的上表面连接有后盖板，另一个导磁片的下表面连接有变幅杆，后盖板外套有法兰，刀柄与法兰通过第一螺栓连接；法兰与换能器外壳通过螺钉连接；换能器外壳底端设有端盖，端盖套在变幅杆外壁上；变幅杆上设有轴肩，变幅杆底端连接有工具头；

位于上部的轴承系统与换能器外壳之间设有套筒。

本发明的特点还在于：

轴承系统包括弹性挡圈及通过第二螺栓紧固在一起的轴承、轴承外盖、轴承内盖及外壳，套筒与换能器外壳上均设有弹性挡圈，轴承外盖和弹性挡圈上均设有静环，两个静环之间设有动环，轴承外盖与外壳的间隙之间设置有密封圈；第二螺栓上设有弹簧。

后盖板与法兰之间设有碟簧。

超磁致伸缩换能器还包括有薄壁套筒，薄壁套筒位于法兰及换能器外壳内侧，薄壁套筒与法兰过盈配合，薄壁套筒与换能器外壳间隙配合。

端盖与换能器外壳之间设有密封垫片。

导磁圆环及导磁片上均设有四个均布的槽。

法兰及薄壁圆筒上设有四个均匀分布的出气孔，换能器外壳上设有若干均匀分布的进气孔，换能器外壳为阶梯轴的形式。

本发明的有益效果是：

(1)采用气冷系统对超磁致伸缩换能器进行冷却，可以有效的解决实际加工中超磁致伸缩换能器发热的问题；驱动线圈采用铜绞线，和通常使用的铜线相比，铜绞线更有利于实现散热，使线圈运行温度降低；法兰与换能器外壳内薄壁套筒的设置，保证法兰与换能器外壳的同轴度，实现超磁致伸缩棒上受均匀的预紧力，并且还可以阻挡外界灰尘的进入；通常的设计导磁块和导磁圆环有间隙，会造成一部分漏磁，后盖板和变幅杆上粘接导磁片，可以使导磁套筒、导磁圆环、导磁片之间形成闭合的磁回路，消除这一部分漏磁；

(2)并且导磁片和导磁圆环上槽的设计，为冷却气体的经过提供通道；换能器外壳上设有套筒，套筒上设有轴承、轴承外盖、轴承内盖，套筒将换能器外壳和轴承等隔离开来，有利于线圈和超磁致伸缩棒产生的热量透过换能器外壳向外扩散；换能器外壳设置成阶梯轴的形式，以便实现套筒、轴承、轴承外盖的定位，另外，换能器外壳上有进气孔，设置成阶梯轴的形式可以提高刚度；在轴承外盖和弹性挡圈上用环氧树脂粘结有静环，静环之间设有动环，动环和静环均采用耐磨性高且有一定自润滑作用的材料。轴承外盖与外壳的间隙之间设置有密封圈，连接轴承外盖、外壳、轴承内盖的螺栓上设有弹簧，可以实现高速旋转的同时保证冷却气体的密封性；另外，本发明末端设计成通用的刀柄形状，不需要对机床进行更改，能够直接安装到机床上进行加工。

附图说明

图1是本发明一种超磁致伸缩旋转超声振动装置的结构示意图；

图2是本发明装置中超磁致伸缩换能器的结构示意图；

图3是图2超磁致伸缩换能器a-a的剖面图；

图4是图2超磁致伸缩换能器b-b的剖面图；

图5本发明的超磁致伸缩换能器的导磁片的主视图；

图6本发明的超磁致伸缩换能器的导磁片的左视图；

图7本发明的超磁致伸缩换能器的导磁圆环的主视图；

图8本发明的超磁致伸缩换能器的导磁圆环的左视图。

图中，1.刀柄，2.原边绕组，3.副边绕组，4.引线，5.第一螺栓，6.套筒，7.轴承外盖，8.密封圈，9.轴承，10.轴承内盖，11.外壳，12.第二螺栓，13.弹簧，14.紧定螺钉，15.弹性挡圈，16.静环，17.动环，18.后盖板，19.法兰，20.薄壁套筒，21.换能器外壳，22.导磁圆筒，23.导磁圆环，24.螺钉，25.变幅杆，26.工具头，27.碟簧，28.内六角螺钉，29.线圈骨架，30.线圈，31.超磁致伸缩棒，32.永磁体，33.导磁块，34.导磁片，35.密封垫片，36.端盖，37.螺钉。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种超磁致伸缩旋转超声振动装置，如图1-8所示，包括刀柄1、原边绕组2及两组轴承系统，刀柄1上设有副边绕组3，原边绕组2与副边绕组3通过电感耦合连接；刀柄1下部安装有超磁致伸缩换能器；两组轴承系统套在超磁致伸缩换能器上；两组轴承系统底部相对，通过螺纹连接；

超磁致伸缩换能器包括换能器外壳21，换能器外壳21内设有超磁致伸缩棒31，超磁致伸缩棒31外设有线圈30，线圈30外设有导磁圆筒22，线圈30两端设有导磁圆环23；超磁致伸缩棒31的两端按照距离由近及远依次设有永磁体32、导磁块33及导磁片34，超磁致伸缩棒31、永磁体32、导磁块33、导磁片34与导磁套筒22及导磁圆环23组成闭合的磁回路；靠近刀柄1的一个导磁片34的上表面连接有后盖板18，另一个导磁片34的下表面连接有变幅杆25，后盖板18外套有法兰19，刀柄1与法兰19通过第一螺栓5连接；法兰19与换能器外壳21通过螺钉37连接；换能器外壳21底端设有端盖36，端盖36套在变幅杆25外壁上；变幅杆25上设有轴肩，变幅杆25底端连接有工具头26；

位于上部的轴承系统与换能器外壳21之间设有套筒6。

轴承系统包括弹性挡圈15及通过第二螺栓12紧固在一起的轴承9、轴承外盖7、轴承内盖10及外壳11，套筒6与换能器外壳21上均设有弹性挡圈15，轴承外盖7和弹性挡圈15上均设有静环16，两个静环16之间设有动环17，轴承外盖7与外壳11的间隙之间设置有密封圈8；第二螺栓12上设有弹簧13。

后盖板18与法兰19之间设有碟簧27。

超磁致伸缩换能器还包括有薄壁套筒20，薄壁套筒20位于法兰19及换能器外壳21内侧，薄壁套筒20与法兰19过盈配合，薄壁套筒20与换能器外壳21间隙配合。

端盖36与换能器外壳21之间设有密封垫片35。

导磁圆环23及导磁片34上均设有四个均布的槽。

法兰19及薄壁圆筒20上设有四个均匀分布的出气孔，所述换能器外壳21上设有若干均匀分布的进气孔，换能器外壳21为阶梯轴的形式。

如图1和图2所示，超声波发生器通过引线连接原边绕组2，刀柄1上固定有副边绕组3，原边绕组2与副边绕组3通过电感耦合连接，副边绕组3随刀柄一起旋转，以便电能的传输。刀柄1与法兰19通过第一螺栓5连接起来。换能器外壳21内设有超磁致伸缩棒31，超磁致伸缩棒31外设有线圈30，用来产生交变磁场的线圈30是由漆包铜绞线缠绕在线圈骨架29上，和通常的铜线相比，采用铜绞线更有利于线圈30散热。超磁致伸缩棒31的两端设有永磁体32，给超磁致伸缩棒31提供偏置磁场以消除倍频现象；永磁体32上设有工业纯铁材料的导磁块33，导磁块33上设有导磁片34，这样可以与线圈30外的导磁圆筒22和线圈30两端的导磁圆环23形成闭合磁回路，减小漏磁。靠近刀柄1的一个导磁片34上通过环氧树脂胶粘结在后盖板18上，另一个导磁片34通过环氧树脂胶粘结在变幅杆25上，端盖36通过螺钉24与换能器外壳21连接，变幅杆25与工具头26之间通过螺纹连接。变幅杆25上轴肩的设计是防止振幅过大导致超磁致伸缩棒31破裂。变幅杆25采用声阻抗小的硬铝合金材料，后盖板18采用声阻抗比较大的不锈钢材料。

后盖板18与法兰19之间设有碟簧27，给超值致伸缩棒31施加预紧力，螺钉37将法兰19和换能器外壳21连接起来，并通过调节螺栓37可以实现预紧力的调整。使后盖板18，导磁片34，导磁块33，永磁体32，超磁致伸缩棒31及变幅杆25紧密的压在一起，使超磁致伸缩棒31不会因拉应力过大而破裂，并使超磁致伸缩棒31获得更大的磁致伸缩值。法兰19与薄壁套筒20之间采用过盈配合，并通过内六角螺钉28进行固定，换能器外壳21与薄壁套筒20之间选择间隙配合，可以保证法兰19和换能器外壳21之间的同轴度，使超磁致伸缩棒31上所受压应力均匀，另外，可以防止灰尘的进入。变幅杆25与换能器外壳21之间采用间隙配合。换能器外壳21与端盖36之间设有密封垫片35，起到防止冷却气体泄漏和防灰尘的作用，并通过螺钉24进行固定。导磁圆环23用环氧树脂粘结在换能器外壳21内，防止冷却气体泄漏。

空气压缩机产生的冷却气体依次经过外壳11上的孔，换能器外壳21上均匀分布的三个进气孔，下导磁圆环23与下导磁片34之间的槽进入超磁致伸缩棒31和线圈骨架29之间的间隙，上导磁圆环23和上导磁片34之间的槽，如图7和5所示，最后从薄壁圆筒20和法兰19上的孔流出。对超磁致伸缩棒31和线圈30进行冷却。

换能器外壳21外设置有套筒6，套筒6与换能器外壳21之间设有紧定螺钉14进行固定，套筒6上设有轴承9、轴承外盖7、轴承内盖10，通过设置第二螺栓12实现紧固。套筒6将换能器外壳21和轴承9等隔离开来，有利于线圈30和超磁致伸缩棒31产生的热量穿过换能器外壳21向外扩散。另一组直接设置在换能器外壳21上，两组结构上的外壳11上设置有螺纹相互连接起来。在换能器外壳21与套筒6上均设置弹性挡圈15实现轴承9等的固定。换能器外壳21设置成阶梯轴的形式，以便实现轴上套筒6等的轴向定位，另外，换能器外壳21上有进气孔，设置成阶梯轴的形式可以提高刚度。在轴承外盖7和弹性挡圈15上用环氧树脂粘结有静环16，静环16之间设有动环17。轴承外盖7与外壳11的间隙之间设置有密封圈8，螺栓12上设有弹簧13，保证换能器在高速旋转的同时又能起到防尘和防止气体泄漏的作用。

本发明有如下优点：

(1)采用气冷系统对超磁致伸缩换能器进行冷却，可以有效的解决实际加工中超磁致伸缩换能器发热的问题；驱动线圈采用铜绞线，和通常使用的铜线相比，铜绞线更有利于实现散热，使线圈运行温度降低；法兰与换能器外壳内薄壁套筒的设置，保证法兰与换能器外壳的同轴度，实现超磁致伸缩棒上受均匀的预紧力，并且还可以阻挡外界灰尘的进入；通常的设计导磁块和导磁圆环有间隙，会造成一部分漏磁，后盖板和变幅杆上粘接导磁片，可以使导磁套筒、导磁圆环、导磁片之间形成闭合的磁回路，消除这一部分漏磁；

(2)并且导磁片和导磁圆环上槽的设计，为冷却气体的经过提供通道；换能器外壳上设有套筒，套筒上设有轴承、轴承外盖、轴承内盖，套筒将换能器外壳和轴承等隔离开来，有利于线圈和超磁致伸缩棒产生的热量透过换能器外壳向外扩散；换能器外壳设置成阶梯轴的形式，以便实现套筒、轴承、轴承外盖的定位，另外，换能器外壳上有进气孔，设置成阶梯轴的形式可以提高刚度；在轴承外盖和弹性挡圈上用环氧树脂粘结有静环，静环之间设有动环，动环和静环均采用耐磨性高且有一定自润滑作用的材料。轴承外盖与外壳的间隙之间设置有密封圈，连接轴承外盖、外壳、轴承内盖的螺栓上设有弹簧，可以实现高速旋转的同时保证冷却气体的密封性；另外，本发明末端设计成通用的刀柄形状，不需要对机床进行更改，能够直接安装到机床上进行加工。