超磁致伸縮旋轉超聲振動刀柄的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于超聲精密特種加工技術領域，特別涉及一種基于超磁致伸縮材料(GMM)的旋轉超聲振動刀柄。
【背景技術】
[0002]在硬脆材料高速切削加工中，工具頭高速旋轉的同時附加超聲頻機械振動，能夠減小切削力，提高加工質量，延長刀具壽命。有關研究表明:在一定范圍內，提高超聲功率，增大超聲振幅，可以進一步減小切削力，提高加工效率。因此，大功率旋轉超聲加工系統(tǒng)的設計已成為超聲設備的發(fā)展趨勢。
[0003]超聲刀柄是旋轉超聲加工系統(tǒng)中的核心部件，目前普遍使用的超聲換能材料有壓電陶瓷和超磁致伸縮材料兩種。在現有的超聲加工系統(tǒng)中，均采用壓電陶瓷作為超聲刀柄中的換能材料，實現超聲振動在高速旋轉加工中的應用。
[0004]超磁致伸縮材料被廣泛應用于醫(yī)學，聲化學等領域，稀土超磁致伸縮材料具有磁致伸縮系數高、輸出功率大、能量密度高、響應速度快等優(yōu)點，有助于實現大功率、大振幅的超聲振動，日漸成為超聲換能材料領域的研究熱點。但至今并未實現在工業(yè)生產中的應用，超磁致伸縮材料在旋轉超聲加工中應用的主要問題在于:
[0005]1.在高頻交變的電磁場中，渦流損耗，磁滯損耗，機械損耗等能量耗散引起超磁致伸縮超聲換能器溫升明顯，嚴重影響輸出振幅的穩(wěn)定性和長時間工作的安全性。
[0006]2.旋轉超聲加工中，超磁致伸縮超聲換能器需在高速旋轉的同時輸出大振幅的機械振動，因此，超磁致伸縮超聲換能器的高速旋轉及旋轉過程中的能量傳輸是超磁致伸縮材料應用于旋轉超聲加工的技術難點。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是為解決超磁致伸縮材料在旋轉超聲加工中應用的主要問題，設計出一種超磁致伸縮旋轉超聲振動刀柄，利用切片結構的超磁致伸縮材料和氣冷系統(tǒng)，從減小發(fā)熱和主動散熱兩個角度有效地解決換能器發(fā)熱問題；采用超磁致伸縮換能器與刀柄集成設計的方式實現換能器的高速旋轉，并采用電磁感應方式實現非接觸能量傳輸。
[0008]本發(fā)明提出的一種超磁致伸縮旋轉超聲振動刀柄，其特征在于，該刀柄的結構適用氣冷系統(tǒng)進行冷卻，包括變幅桿、超磁致伸縮超聲換能器、開有中心孔和氣孔的中空刀柄、由副邊部件和原邊部件組成的非接觸電能傳輸系統(tǒng)、螺紋壓塊；其中，超磁致伸縮超聲換能器與變幅桿通過螺桿連接，形成一個整體的超聲振子安裝在中空刀柄下部空腔內；超磁致伸縮超聲換能器和變幅桿連接組成的超聲振子通過換能器外殼上的鍵與刀柄空腔內壁接觸實現徑向和軸向定位，并且超磁致伸縮超聲換能器下端通過螺紋壓塊與刀柄壓緊，螺紋壓塊與刀柄通過螺紋連接；變幅桿下端通過螺紋壓塊壓緊，螺紋壓塊與刀柄通過螺紋連接；副邊部件下端通過周向均布的螺釘與刀柄進行固定，原邊部件通過螺紋固定于機床主軸端面。本發(fā)明的特點及有益效果是:
[0009]本發(fā)明采用超磁致伸縮材料作為超聲換能器材料，利用超磁致伸縮材料磁致伸縮系數高、輸出功率大、能量密度高等優(yōu)點，可實現大功率、大振幅的超聲頻機械振動。
[0010]將刀柄與超聲換能器集成一體，利用非接觸電能傳輸結構將電能從靜止部件(超聲波發(fā)生器)傳輸給旋轉部件(超磁致伸縮換能器)，實現超聲換能器的高速旋轉，實現超磁致伸縮材料在旋轉超聲加工中的應用。
[0011]采用氣冷系統(tǒng)是對超聲刀柄中核心部件超聲換能器進行冷卻，降低超磁致伸縮超聲換能器溫升，保證系統(tǒng)輸出振幅的穩(wěn)定性和長時間工作的安全性?？梢杂行У慕鉀Q大功率超聲加工中，超磁致伸縮材料發(fā)熱的問題；
[0012]采用分段式超磁致伸縮棒，利用切片結構減小超磁致伸縮材料的渦流損耗，采用上下永磁體，減小兩相對永磁體間距，為超磁致伸縮材料提供均勻的偏置磁場；
[0013]利用壓塊施加預應力，減少碟簧等零部件，使得結構緊湊；
[0014]該刀柄可以在一定范圍內，提高超聲功率，增大超聲振幅，可以進一步減小切削力，提高加工效率。并且適用于任意的刀柄連接標準，便于針對不同的加工需求，且超磁致伸縮旋轉超聲振動刀柄相對于機床獨立，不需對機床進行大的改動，安裝使用方便。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的超磁致伸縮超聲振動刀柄實施例結構示意圖；
[0016]圖2本發(fā)明的非接觸電能傳輸實施例結構示意圖；
[0017]圖3本發(fā)明的超磁致伸縮換能器實施例結構示意圖；其中，
[0018]圖3 (a)為超磁致伸縮換能器實施例結構剖示圖，
[0019]圖3(b)為3 (a)的俯視圖；
[0020]圖4本發(fā)明的封閉磁路實施例結構示意圖；其中，
[0021]圖4(a)為封閉磁路實施例結構剖示圖，
[0022]圖4 (b)為4 (a)的俯視圖；
[0023]圖5本發(fā)明的分段式超磁致伸縮棒實施例結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]為了達到上述目的，本發(fā)明提供的一種超磁致伸縮旋轉超聲振動刀柄，結合附圖及實施方式說明如下:
[0025]本發(fā)明提出的一種超磁致伸縮旋轉超聲振動刀柄實施例結構，如圖1所示，該結構適用氣冷系統(tǒng)進行冷卻，包括變幅桿10、超磁致伸縮超聲換能器20及外殼24、中空刀柄30 (開有刀柄中心孔31、刀柄上的氣孔32)、由副邊部件40和原邊部件50組成的非接觸電能傳輸系統(tǒng)、螺釘60、螺桿70、螺紋壓塊80和90 ;各部件的連接和配合關系是:超磁致伸縮超聲換能器20與變幅桿10通過螺桿70連接，形成一個整體的超聲振子安裝在中空刀柄30下部空腔內；超磁致伸縮超聲換能器20和變幅桿10連接組成的超聲振子通過換能器20外殼24上的鍵218與刀柄30空腔內壁接觸實現徑向和軸向定位，并且超磁致伸縮超聲換能器20下端通過螺紋壓塊80與刀柄30壓緊，螺紋壓塊80與刀柄30通過螺紋連接；在高速旋轉過程中，為保證變幅桿10與超磁致伸縮超聲換能器20緊密連接，變幅桿10下端通過螺紋壓塊90壓緊，螺紋壓塊90與刀柄30通過螺紋連接。副邊部件40下端通過4個周向均布的螺釘60與刀柄30進行固定，原邊部件通過螺紋固定于機床主軸端面。
[0026]本實施例的主要部件的實施方式及功能為:
[0027]由原邊組件50和副邊組件40組成的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，如圖2所示，包括原邊線圈53、原邊磁芯52、原邊骨架51、副邊線圈43、副邊磁芯42、副邊骨架41 ;其中，原邊骨架為中空圓柱體，下端開有環(huán)形槽，原邊線圈53纏繞在原邊磁芯52內，磁芯通過環(huán)氧樹脂粘合固定在原邊骨架51下端槽內。副邊部件40與原邊部件50結構基本相同，不同之處是副邊骨架上端開有環(huán)形槽，下端開有螺紋孔，用于與刀柄30連接固定；同樣副邊線圈43纏繞在副邊磁芯42外并通過環(huán)氧樹脂粘合固定在副邊骨架41上端槽內。原、副邊部件之間留有間隙，間隙大小可在l_2mm內選擇。副邊組件40通過螺釘60固定在刀柄上，刀柄上端插入原邊部件中心孔。
[0028]基于電磁感應原理，電能從原邊傳遞到副邊，實現非接觸能量傳輸。選擇合適的原副邊間隙，以提尚能量傳輸效率。原邊磁芯52和副邊磁芯42的材料為鐵氧體，具有$父尚的導磁率和低渦流損耗，提高能量傳遞效率。
[0029]超磁致伸縮超聲換能器20是電-機能量轉換元件的實施例結構如圖3所示，包括開有中心孔28的壓塊25、外殼24、超磁致伸縮棒22、匹配電路板26、螺釘(27和29)、導磁圓環(huán)212、上導磁片211、下導磁片216、導磁套筒215、永磁體214、勵磁線圈23、線圈中空骨架213、開有氣孔217的輸出蓋21、嵌套在壓塊壁上的0型密封圈210 ;各部件的連接和配合關系是:超磁致伸縮超聲換能器20的上導磁片211、超磁致伸縮棒22、永磁體214、下導磁片216組成分段式超磁致伸縮棒結構，如圖4所示，在壓塊25和輸出蓋21之間沿軸向依次排列上導磁片211、上永磁體片2141、上超磁致伸縮棒221、中永磁體片2142、下超磁致伸縮棒222、下永磁體片2143、下導磁片216，各部件均用環(huán)氧樹脂粘合成一體，輸出蓋21與外殼24通過螺紋連接，壓塊25與外殼24通過5個沿圓周均布的螺釘29進行固定，且內部采用0型密封圈210進行密封；匹配電路板2