本發(fā)明涉及超聲波切割領(lǐng)域,更具體地說(shuō)，它涉及一種超聲波電主軸。

背景技術(shù)：

隨著航空工業(yè)的發(fā)展以及對(duì)飛機(jī)性能提高的需要，在軍、民機(jī)特別是第三代以及新一代戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，越來(lái)越多的采用復(fù)合材料。尤其是在尾翼、腹鰭、鴨翼以及內(nèi)、外側(cè)升降副翼等與操縱性能有關(guān)的關(guān)鍵性動(dòng)力部件中很多采用了優(yōu)質(zhì)先進(jìn)的紙基nomex蜂窩芯材料，該材料具有重量輕、密度小、比強(qiáng)度比剛度高，自熄性能、絕緣性能、化學(xué)性能好等特點(diǎn)。由于nomex蜂窩芯材料的優(yōu)良特性，國(guó)內(nèi)外一些公司在一些重要部件中也運(yùn)用了蜂窩芯結(jié)構(gòu)。

但是由于nomex蜂窩芯材料結(jié)構(gòu)特殊性，使其在傳統(tǒng)的數(shù)控加工中帶來(lái)了很大的難題。傳統(tǒng)高速銑鉆工藝是利用機(jī)床主軸產(chǎn)生高速轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)銑頭（或鉆頭）沿工件邊緣將材料打碎，從而使工件得以成形或分離。這種銑鉆方式在實(shí)際加工過(guò)程中存在以下問(wèn)題：蜂窩結(jié)構(gòu)件為紙質(zhì)柔性材料，多孔薄壁結(jié)構(gòu)，這就決定了其加工方法必須采用高轉(zhuǎn)速切削才能加工，主軸轉(zhuǎn)速必須超過(guò)20000轉(zhuǎn)每分鐘，否則就無(wú)法進(jìn)行切削，故對(duì)機(jī)床要求很高；由于nomex蜂窩芯材料結(jié)構(gòu)特殊性，使其切削性能差，在加工過(guò)程中易出現(xiàn)撕裂、壓塌、芯格變形、毛刺、外形缺損等缺陷，在加工過(guò)程中刀具易磨損，故產(chǎn)品質(zhì)量不高，刀具成本較大；nomex蜂窩芯在加工過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生極大的危害，并且數(shù)控加工機(jī)床為高精度的設(shè)備，粉塵會(huì)對(duì)其零部件產(chǎn)生影響；傳統(tǒng)銑鉆工藝下，針對(duì)曲面外形的無(wú)粉塵高精度加工仍為本領(lǐng)域技術(shù)難題。

直到上世紀(jì)90年代，人們開(kāi)始將超聲波加工應(yīng)用于航空材料加工領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)的切削方式，超聲切割如同用剪刀剪紙或用裁刀切割皮革一樣，不會(huì)產(chǎn)生工件的碎屑。而與常規(guī)“剪、裁”相比，超聲切割頭可以在剪刀或裁刀上施加20-30khz的振動(dòng)能量，幫助打開(kāi)材料內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)，在切割過(guò)程中刀具可以更容易地將材料分割開(kāi)，其切割速度要比傳統(tǒng)的銑削加工大得多，且由于不存在將材料打碎的問(wèn)題，超聲切割完全不會(huì)產(chǎn)生粉塵，可以免去安裝防塵、除塵設(shè)備的費(fèi)用。但是，這一技術(shù)在國(guó)內(nèi)仍處于較少的初期應(yīng)用階段，唯數(shù)不多的飛機(jī)制造公司（例如成飛、哈飛）巨資引進(jìn)奧地利gfm整機(jī)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，但至今未能研發(fā)出適用于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床床身和床身運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主軸系統(tǒng)，浪費(fèi)大量財(cái)力物力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種超聲波電主軸，適用于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床，能夠在超低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)蜂窩材料的大余量切割工序及曲面外形的無(wú)粉塵高精度高效率加工。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：一種超聲波電主軸，包括軸體和超聲波換能器總成，所述軸體端部開(kāi)設(shè)有用于裝配所述超聲波換能器總成的置物腔，所述超聲波換能器總成外套設(shè)有軸套，所述超聲波換能器總成與所述軸套之間留有間隙，所述軸套與所述置物腔之間設(shè)置有軸承和控制所述軸套發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)，所述超聲波換能器總成由換能器和變幅桿組成，所述換能器尾端設(shè)置有用于與外部超聲波發(fā)生器電連接的超聲源接口，所述變幅桿包括與換能器連接的圓臺(tái)部，所述圓臺(tái)部直徑較小端一體連接有圓柱部，所述圓柱部直徑與所述圓臺(tái)部較小端直徑相同，所述圓柱部軸端固定有刀具，且所述圓臺(tái)部外表面沿徑向向外延伸形成連接法蘭，所述連接法蘭與所述軸套通過(guò)螺栓可拆卸固定連接。

優(yōu)選的，所述軸套沿軸向延伸形成內(nèi)部中空的筒體，所述筒體末端封閉設(shè)置有蓋板，所述蓋板上設(shè)有供導(dǎo)線穿過(guò)的通孔。

優(yōu)選的，所述軸套末端設(shè)置有罩蓋，所述軸套與罩蓋之間設(shè)置有水銀導(dǎo)電滑環(huán)，所述罩蓋上開(kāi)設(shè)有超聲出線口，所述水銀導(dǎo)電滑環(huán)一端通過(guò)導(dǎo)線與超聲源接口電連接，另一端通過(guò)導(dǎo)線與超聲出線口相連。

優(yōu)選的，所述刀具為尖刀，所述電機(jī)為伺服電機(jī)。

優(yōu)選的，所述刀具為圓刀。

優(yōu)選的，所述刀具與所述變幅桿螺紋連接。

優(yōu)選的，所述軸體尾端設(shè)置有端蓋，所述軸體上開(kāi)設(shè)有卡槽，所述端蓋上設(shè)置有與所述卡槽相互配合的卡扣，且所述端蓋與所述軸體還通過(guò)第二螺栓螺紋連接。

優(yōu)選的，所述換能器和所述變幅桿螺紋連接。

該技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比具有：通過(guò)超聲波換能器總成實(shí)現(xiàn)刀具的高頻機(jī)械振動(dòng)，并通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在超低轉(zhuǎn)速下就可以實(shí)現(xiàn)蜂窩材料的大余量切割工序及曲面外形的無(wú)粉塵高精度高效率加工，并通過(guò)對(duì)超聲波換能器總成合理的位置設(shè)置和變幅桿結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，避免高頻振動(dòng)時(shí)與接觸面發(fā)生抵觸引起發(fā)熱，完全自主研發(fā)的超聲波主軸系統(tǒng)，適用于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床床身和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，相比整機(jī)購(gòu)買(mǎi)有顯著成本優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明超聲波電主軸實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為超聲波換能器總成的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖1中a處的局部放大圖。

圖4為圖1中b處的局部放大圖。

圖中：1、軸體；11、置物腔；12、卡槽；2、超聲波換能器總成；21、換能器；22、變副桿；23、超聲源接口；221、圓臺(tái)部；222、圓柱部；223、連接法蘭；3、軸套；31、筒體；32、蓋板；321、通孔；4、軸承；5、電機(jī)；6、刀具；7、導(dǎo)線；8、罩蓋；81、超聲出線口；9、水銀導(dǎo)電滑環(huán)；10、螺栓；13、端蓋；131、卡扣；14、第二螺栓；a、震動(dòng)節(jié)點(diǎn)；b、間隙；c、超聲波。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1至圖4對(duì)本發(fā)明超聲波電主軸實(shí)施例做進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

如圖1所示為超聲波電主軸的結(jié)構(gòu)示意圖，包括軸體1和超聲波換能器總成2，軸體1端部開(kāi)設(shè)有置物腔11，用于容納超聲波換能器總成2，超聲波換能器總成2外套設(shè)有軸套3并與軸套3可拆卸固定連接，軸套3與置物腔11之間設(shè)置有軸承4和控制軸套3發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)5，電機(jī)5帶動(dòng)軸套3發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)與其可拆卸固定連接的超聲波換能器總成2發(fā)生旋轉(zhuǎn)，超聲波換能器總成2的變副桿22端部固定有刀具6，進(jìn)一步帶動(dòng)刀具6發(fā)生旋轉(zhuǎn)；如圖2所示為超聲波換能器總成2的結(jié)構(gòu)示意圖，主要結(jié)構(gòu)由換能器21和變幅桿22組成，換能器21尾端設(shè)置有超聲源接口23，用于與外部超聲波發(fā)生器電連接，在實(shí)際加工過(guò)程中，外部超聲波發(fā)生器把市電轉(zhuǎn)換成與換能器21相匹配的高頻交流電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)換能器21工作，換能器21將電能轉(zhuǎn)換成超聲波（機(jī)械振動(dòng)），并通過(guò)變幅桿將機(jī)械振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)位移放大并將超聲能量集中在較小的面積上，該技術(shù)方案中的變幅桿包括與換能器21連接的圓臺(tái)部221，圓臺(tái)部221直徑較小端一體連接有圓柱部222（參見(jiàn)圖2），圓臺(tái)部221從換能器21一側(cè)開(kāi)始沿圓臺(tái)高度方向直徑逐漸減小，超聲波實(shí)現(xiàn)聚能，集中于圓柱部222上，進(jìn)一步傳遞至刀具6，使刀具6上的振動(dòng)頻率達(dá)到最高，刀具6在這樣高頻率的機(jī)械振動(dòng)下，主軸轉(zhuǎn)速只需1600轉(zhuǎn)每分鐘，在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)利用高頻機(jī)械振動(dòng)將材料內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)打開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)蜂窩毛坯開(kāi)粗工序及曲面外形的無(wú)粉塵高精度高效率加工；該技術(shù)方案中，超聲波換能器總成2與軸套3之間留有間隙b（參見(jiàn)圖3），可以防止超聲波換能器總成與軸套3內(nèi)壁發(fā)生接觸導(dǎo)致零部件發(fā)熱受損，變幅桿圓臺(tái)部221外表面沿徑向向外延伸形成連接法蘭223，通過(guò)螺栓10與軸套3可拆卸固定連接，螺栓10連接處為超聲波換能器總成2與軸套3唯一的接觸面，換能器21生成超聲波c(參見(jiàn)圖2)，通過(guò)對(duì)外部超聲波發(fā)生器功率和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，螺栓10連接處所在截面上的所有震動(dòng)節(jié)點(diǎn)a（參見(jiàn)圖2）始終可以處于超聲波c（參見(jiàn)圖2）原點(diǎn)位置，在超聲波向刀具6方向移動(dòng)過(guò)程中，原點(diǎn)位置也不會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而使螺栓10連接處振幅始終趨于“0”的狀態(tài)，避免連接處振動(dòng)發(fā)熱變紅；該超聲波主軸系統(tǒng)完全自主研發(fā)，適用于傳統(tǒng)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心,在保留傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床床身和床身運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的前提上，只需要更換主軸系統(tǒng)就可以進(jìn)行超聲波切削，相比整機(jī)購(gòu)買(mǎi)有顯著成本優(yōu)勢(shì)，節(jié)約大量財(cái)力物力。

實(shí)施例2

本實(shí)施例是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，將軸套3沿軸向延伸形成內(nèi)部中空的筒體31，且筒體31末端封閉設(shè)置有蓋板32（參見(jiàn)圖1和圖4），這樣設(shè)計(jì)一方面可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)聚能，防止超聲能量流散，加大刀具6振動(dòng)頻率；另一方面能夠便于走線，超聲源接口23處的連接導(dǎo)線7可以設(shè)置于筒體31內(nèi)，穿過(guò)蓋板32上的通孔321（參見(jiàn)圖4）實(shí)現(xiàn)走線，空間布置上更加合理。

實(shí)施例3

本實(shí)施例是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，于軸套3末端增設(shè)罩蓋8，罩蓋8上開(kāi)設(shè)有超聲出線口81，且軸套3與罩蓋8之間增加了一個(gè)水銀導(dǎo)電滑環(huán)9（參見(jiàn)圖4），超聲源接口23處的導(dǎo)線7經(jīng)過(guò)水銀導(dǎo)電滑環(huán)9再?gòu)某暢鼍€口81出去，水銀導(dǎo)電滑環(huán)9可以在伺服電機(jī)5工作的過(guò)程中防止導(dǎo)線7發(fā)生繞卷，同時(shí)起到傳輸電流的作用，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，非中空電機(jī)，亦可采用碳刷來(lái)導(dǎo)電，但是信號(hào)損失很大，信號(hào)斷斷續(xù)續(xù)，后采用含銀碳刷，較普通碳刷稍微好一點(diǎn)，但是依舊存在信號(hào)斷續(xù)現(xiàn)象，本技術(shù)方案采用了中空伺服電機(jī)，導(dǎo)線直接穿過(guò)中空伺服電機(jī)聯(lián)接在水銀導(dǎo)電滑環(huán)9上，安裝更加方便、費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)且信號(hào)衰減小。且上述技術(shù)方案中，導(dǎo)線優(yōu)選用af200鍍銀氟塑料耐高溫補(bǔ)償導(dǎo)線，相對(duì)于普通純銅線，鍍銀線作用于高頻電路存在明顯優(yōu)勢(shì)，由于頻率高了電流會(huì)有趨膚效應(yīng)，此時(shí)鍍銀線表面鍍銀電阻小的優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮，采用純銅線雖然電阻相差極小，在一般電路中也幾乎無(wú)差異，但是對(duì)于高頻電路存在明顯缺陷，在皺膚效應(yīng)下，電流集中在導(dǎo)體外表的薄層，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，導(dǎo)線內(nèi)部實(shí)際上電流較小。結(jié)果使導(dǎo)體的電阻增加，使它的損耗功率也增加，進(jìn)而影響本裝置的效果。

實(shí)施例4

本實(shí)施例是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，將刀具6設(shè)置為尖刀（參見(jiàn)圖1），電機(jī)5進(jìn)一步設(shè)置為伺服電機(jī)5；伺服電機(jī)5相對(duì)普通電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)而言，控制精度更高，在超低轉(zhuǎn)速下配合尖刀可以進(jìn)行線切割，在向前進(jìn)給時(shí)利用超聲波的高頻機(jī)械振動(dòng)將材料內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)打開(kāi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)曲面外形的無(wú)粉塵高精度高效率加工，且伺服電機(jī)5速度響應(yīng)性能非?？?，從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速只需幾毫秒，在對(duì)nomex蜂窩芯曲面切割過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)快速啟停，保證切割質(zhì)量。

實(shí)施例5

作為另一種實(shí)施方式，本實(shí)施例與實(shí)施例4的區(qū)別在于，刀具6也可以是圓刀（參見(jiàn)圖2），在實(shí)際加工過(guò)程中，可以在低轉(zhuǎn)速下配合圓刀實(shí)現(xiàn)對(duì)nomex蜂窩芯材料的任一截面進(jìn)行切割（小圓刀能夠在五軸聯(lián)動(dòng)的配合下加工小沉孔和小曲面）；更換時(shí)，由于連接法蘭223與軸套3可拆卸固定連接，只需要拆下螺栓10，將刀具6與對(duì)應(yīng)的超聲波換能器總成2整個(gè)拆卸，重新?lián)Q上檢查聯(lián)結(jié)可靠后即可。

實(shí)施例6

本實(shí)施例是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，將刀具6與變幅桿通過(guò)螺紋連接，相對(duì)于卡接或其他連接方式，螺紋連接更加牢固，在振動(dòng)過(guò)程中，穩(wěn)定性更佳。

實(shí)施例7

本實(shí)施例是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，于軸體1尾端設(shè)置增設(shè)有端蓋13（參見(jiàn)圖1），軸體1上開(kāi)設(shè)有卡槽12，端蓋13上設(shè)置有卡扣131，通過(guò)相互配合的卡扣131和卡槽12旋轉(zhuǎn)后進(jìn)行扣合，且端蓋13與軸體1還通過(guò)第二螺栓14螺紋連接；端蓋13可以起到保護(hù)的作用，在本實(shí)施例中，端蓋13與軸體1一方面通過(guò)卡扣131扣合連接，同時(shí)再進(jìn)一步通過(guò)第二螺栓14螺紋連接，穩(wěn)定性更佳，兩者貼合更加緊密，可以更好地實(shí)現(xiàn)聚能，防止超聲能量流散；且更便于維修。

實(shí)施例8

本實(shí)施例是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，將換能器21和變幅桿22設(shè)置為螺紋連接（參見(jiàn)圖2），相對(duì)于卡接或其他連接方式，螺紋連接牢固性更高，不容易晃動(dòng)，進(jìn)而將機(jī)械振動(dòng)更穩(wěn)定地傳遞至變幅桿22上，更好地控制切割精度。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。