高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成?，F(xiàn)有多數(shù)技術(shù)還停留在集流環(huán)碳刷結(jié)構(gòu)或者電磁感應(yīng)向換能器供電方式的基礎(chǔ)上，同等功率下?lián)Q能器體積過大，效率低下不能高速運(yùn)行。本發(fā)明包括一體結(jié)構(gòu)的連接軸和換能器外殼，同軸固定在連接軸上的磁共振發(fā)射器靜止單元和磁共振接收器轉(zhuǎn)動單元，以及同軸固定在換能器外殼內(nèi)部的一體化超聲換能器，換能器包括上蓋板，壓電元件，一體化結(jié)構(gòu)的下蓋板、變幅桿、刃具夾頭。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，磁共振傳輸狀態(tài)的磁共振發(fā)射器有識別特性，不會對周邊的金屬殼體傳輸能量而導(dǎo)致發(fā)熱，傳輸效率及可靠性提高，動、靜單元之間的距離可在幾個mm范圍任意定位，降低了整機(jī)的裝配難度。
【專利說明】高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于特種加工的加工裝置，具體涉及一種高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器
。

【背景技術(shù)】
[0002]自從人類第一次使用齒輪摩擦產(chǎn)生24KHZ的超聲以來，迄今為止已有一百八十多年。這個既古老又年輕的學(xué)科隨著科技的進(jìn)步及相關(guān)學(xué)科的需求，其應(yīng)用技術(shù)已遍及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、醫(yī)療、科研等，到處都可看到她的身影，其不可替代性已充分證明它自身的優(yōu)勢。
[0003]超聲旋轉(zhuǎn)加工是應(yīng)用聲學(xué)的一個重要分支，屬于特種加工的范疇，針對用普通方法無法加工或難以加工的材料如:光學(xué)玻璃、陶瓷、YAG釔鋁石榴石、藍(lán)寶石、人造水晶、玉石、半導(dǎo)體材料(硅、鍺)、鋁復(fù)合材料、硬質(zhì)合金、永磁材料、不銹鋼、高溫合金等，可實(shí)現(xiàn)鉆孔、磨削、銑型、雕刻等加工。
[0004]旋轉(zhuǎn)超聲加工，即在旋轉(zhuǎn)的刀具上復(fù)合超聲波振動,對工件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲加工。它不同于以往的超聲波磨料加工，其原理是在原有的機(jī)械加工的刀具上施加超聲振動。與普通機(jī)械加工相比，超聲波旋轉(zhuǎn)復(fù)合加工技術(shù)具有以下特點(diǎn):
1、鉆、磨、銑的機(jī)械阻力大大降低。其原因是刀具施加超聲振動后，工件與刀具將形成高頻率的斷續(xù)接觸，從而降低了機(jī)械阻力，同時也降低了切削熱。尤其在加工熱膨脹系數(shù)高，材質(zhì)又不均勻的材料時有優(yōu)良的表現(xiàn)，不易發(fā)生局部過熱而破裂或者變形。超聲波振動將工件的被加工表面擊碎形成微痕，刀具可很輕易的將材料切削下來。切削力的降低不僅使生產(chǎn)效率提高，同時由于高頻率斷續(xù)接觸，也使刀具不易抱死扭斷，磨損減輕，使得刀具的使用壽命提聞。
[0005]2、加工溫度低，冷卻及排屑效果好。在超聲波作用下，刀具與工件呈高頻率的斷續(xù)接觸狀態(tài)，冷卻液可無死區(qū)的噴射到工件和刀具表面，不但形成超聲清洗的效果，同時液體流速加快，迅速帶走熱量使冷卻作用提高。切屑為均勻細(xì)小的粉末或斷屑，很容易排出，防止了劃痕和裂紋的產(chǎn)生，大大提高了加工光潔度。
[0006]3、對工件施加的機(jī)械力減小，使刀具或工件不易產(chǎn)生讓刀和彎曲變形，因而型腔及孔的精度、同心度和圓柱度得到提高。
[0007]雖有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但真正用于生產(chǎn)實(shí)踐中的高速超聲電主軸產(chǎn)品還不多見。目前公知的多數(shù)技術(shù)還停留在集流環(huán)碳刷結(jié)構(gòu)或者通過電磁感應(yīng)向換能器供電方式的基礎(chǔ)上，同等功率下?lián)Q能器體積過大，效率低下不能高速運(yùn)行，制約此項技術(shù)在高速電主軸上的應(yīng)用。前者通過碳刷接觸集流環(huán)向換能器饋電，其缺點(diǎn)是碳刷容易磨損，脫落的碳屑容易使集流環(huán)短路造成故障，同時在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時碳刷與集流環(huán)產(chǎn)生摩擦熱，使得轉(zhuǎn)速難以提高，須定期維護(hù)清理、更換碳刷，給使用者帶來不便和額外費(fèi)用。后者電磁感應(yīng)方式，雖然丟棄了集流環(huán)及碳刷，但其傳輸效率不高，動態(tài)工作時對動、靜感應(yīng)器間的距離要求苛刻。位移及頻率變化時穩(wěn)定性較差、對傳輸對象沒有識別能力，容易向周圍的金屬比如外殼等傳輸能量，造成發(fā)熱及能量損失，導(dǎo)致效率低下。
[0008]另外公知的換能器結(jié)構(gòu)，其上蓋板與壓電元件之間沒有聲的反射涂層，壓電元件在同等單位體積下發(fā)射效率低，因而當(dāng)壓電元件體積過小時，所能輻射的功率及轉(zhuǎn)換效率得不到提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供一種高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成，采用了以磁共振非接觸傳輸方式及一體化高轉(zhuǎn)換效率的階梯形換能器的技術(shù)。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成，包括一體結(jié)構(gòu)的連接軸和換能器外殼，同軸固定在連接軸或電主軸末端上的磁共振發(fā)射器靜止單元和磁共振接收器轉(zhuǎn)動單元，以及同軸固定在換能器外殼內(nèi)部的一體化超聲換能器；所述換能器外殼上通過螺母固定有軸承；所述一體化超聲換能器包括上蓋板，壓電元件，一體化結(jié)構(gòu)的下蓋板、變幅桿、刃具夾頭，所述壓電元件設(shè)置在上蓋板與下蓋板之間。所述上蓋板與壓電元件之間設(shè)有反射聲波系數(shù)高的復(fù)合材料涂層。所述涂層優(yōu)選為由低密度高分子材料與碳化硅微粉按比例混合而成。所述涂層通過噴涂在上蓋板的方式形成。所述變幅桿的直徑為15mm-35mm。所述磁共振發(fā)射器靜止單元和磁共振接收器轉(zhuǎn)動單元之間的距離為0.2-5mm。所述軸承的個數(shù)為1_2個。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:
1、本發(fā)明采用磁共振傳輸狀態(tài)的磁共振發(fā)射器與接收器，所以傳輸效率高、傳輸?shù)挠行Ь嚯x比磁感應(yīng)遠(yuǎn)，對受體有識別特性，同時不會對周邊的金屬殼體傳輸能量而導(dǎo)致發(fā)熱，因而傳輸效率及可靠性得以提高。同時動、靜單元之間的距離可在幾個_范圍任意定位，徹底克服了磁感應(yīng)方式距離在超過0.5mm時，其輸出功率下降為80%甚至無法驅(qū)動的缺點(diǎn)。
[0012]2、本發(fā)明采用磁共振非接觸傳輸方式，使整機(jī)制作工藝難度降低，整機(jī)的裝配及調(diào)試變的非常容易，給后期與電主軸組合、裝配及調(diào)試帶來方便，使整機(jī)的批量生產(chǎn)周期縮短，產(chǎn)品參數(shù)的一致性得到提高。
[0013]3、本發(fā)明的換能器上蓋板與壓電元件之間噴涂了具有反射超聲波功能的復(fù)合材料，使得壓電元件在同等單位體積下發(fā)射效率得到提高，減輕了換能器內(nèi)部的無功耗損，從而提聞了換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖3是換能器上蓋板與復(fù)合材料涂層的結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖。
[0017]圖4是本發(fā)明電氣工作原理圖。
[0018]圖中，I是連接軸、2是磁共振發(fā)射器靜止單元、3是磁共振接收器轉(zhuǎn)動單元、4是軸承壓緊螺母、5是軸承、6是換能器外殼、7是換能器上蓋板、8是壓電元件、9是下蓋板、10是變幅桿、11是刃具夾頭、12是復(fù)合材料涂層。

【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明所述的一種高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成，包括一體結(jié)構(gòu)的連接軸I和換能器外殼6，同軸固定在連接軸I上或電主軸后軸端的磁共振發(fā)射器靜止單元2和磁共振接收器轉(zhuǎn)動單元3，以及同軸固定在換能器外殼6內(nèi)部的一體化超聲換能器；換能器外殼6上通過螺母4固定有軸承5 體化超聲換能器包括上蓋板7，壓電元件8，一體化結(jié)構(gòu)的下蓋板9、變幅桿10、刃具夾頭11，所述壓電元件8設(shè)置在上蓋板7與下蓋板9之間。
[0021]由于下蓋板9與變幅桿10采用一體化緊湊結(jié)構(gòu)，變幅桿直徑可選擇在15mm-35mm之間，方便組成不同規(guī)格的超聲電主軸，滿足了在實(shí)際使用中機(jī)械疲勞強(qiáng)度與鋼性要求。
[0022]如圖2-圖3所示，一體化高效率階梯形換能器的上蓋板7與壓電元件8之間噴涂了反射聲波系數(shù)較高的復(fù)合材料12，該材料由低密度高分子材料與碳化硅微粉按比例混合而成，形成一個低阻抗反射介面。其原理是聲在傳遞過程中，介質(zhì)的聲阻抗與振動母體的聲阻抗相差甚遠(yuǎn)時將會產(chǎn)生反射，使其原本向后端的超聲波經(jīng)過反射后向前端疊加。因而壓電元件在同等單位體積下提高了反射效率，減輕了換能器內(nèi)部無功耗損，提高了換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率。
[0023]本發(fā)明的傳輸方式利用磁共振原理，如圖4所示，分別設(shè)計有磁共振發(fā)射器靜止單元2、磁共振接收器轉(zhuǎn)動單元3、磁共振功率放大單元，當(dāng)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生28KHz-40KHz的方波掃描信號后，該信號經(jīng)磁共振功率放大器放大后推動磁共振發(fā)射器2向磁共振接收器3發(fā)射信號，當(dāng)磁共振接收器3與換能器組成的諧振回路頻率與磁共振發(fā)射器2頻率一致時，即產(chǎn)生共振耦合，從而驅(qū)動換能器工作達(dá)到非接觸傳輸?shù)哪康?。其特點(diǎn)在于磁共振發(fā)射器2只對磁共振接收器3起共振傳能作用，如果把磁共振接收器3換做導(dǎo)磁的鐵氧體或金屬，電路將沒有輸出。因此說明工作在磁共振傳輸狀態(tài)的磁共振發(fā)射器2有識別特性，不會對周邊的金屬殼體傳輸能量而導(dǎo)致發(fā)熱，因而傳輸效率及可靠性得以提高。
[0024]磁共振發(fā)射器2與磁共振接收器3組成動、靜單元，當(dāng)工作頻率在低頻28KHz-40KHz范圍時，兩個單元之間的位移距離范圍可達(dá)0.2_5mm，其傳輸功率沒有明顯的下降，不僅滿足設(shè)計工藝要求，同時其性能優(yōu)于電磁感應(yīng)方式，電磁感應(yīng)方式兩個感應(yīng)器位移距離超過0.5mm時，其輸出功率下降為80%甚至無法驅(qū)動。而磁共振傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是可讓動、靜單元在距離為幾個mm的范圍內(nèi)任意定位，從而降低了整機(jī)的裝配難度，給后期裝配工藝及調(diào)試帶來方便，使整機(jī)的可靠性得以提高。
[0025]本總成可適用于生產(chǎn)不同規(guī)格的超聲電主軸。使用本發(fā)明時，將本發(fā)明裝配在電主軸上，以組成不同規(guī)格的超聲電主軸，應(yīng)用該超聲電主軸安裝在數(shù)控機(jī)床上，將所需刀具固定在刃具夾頭11上。啟動機(jī)床時，該總成隨著電主軸開始轉(zhuǎn)動，同時超聲波發(fā)生器產(chǎn)生28KHz-40KHz的方波掃描信號，經(jīng)磁共振功率放大器放大后推動磁共振發(fā)射器2向磁共振接收器3發(fā)射信號，當(dāng)磁共振接收器3與換能器組成的諧振回路頻率與磁共振發(fā)射器2頻率一致時，即產(chǎn)生共振耦合，從而驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲振動，實(shí)現(xiàn)對被加工物體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲加工。
【權(quán)利要求】
1.一種高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成，其特征在于:包括一體結(jié)構(gòu)的連接軸(1)和換能器外殼(6)，同軸固定在連接軸(I)上或電主軸后軸端的磁共振發(fā)射器靜止單元(2)和磁共振接收器轉(zhuǎn)動單元(3)，以及同軸固定在換能器外殼(6)內(nèi)部的超聲換能器； 所述換能器外殼(6)上通過螺母(4)固定有軸承(5)； 所述超聲換能器包括上蓋板(7)、壓電元件(8)、下蓋板(9)、變幅桿(10)、刃具夾頭(11)，所述壓電元件(8)設(shè)置在上蓋板(7)與下蓋板(9)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成，其特征在于:所述上蓋板(7)與壓電元件(8)之間設(shè)有反射聲波系數(shù)較高的復(fù)合材料涂層(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成，其特征在于:所述復(fù)合材料涂層(12)優(yōu)選為由低密度高分子材料與碳化硅微粉按比例混合而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成，其特征在于:所述復(fù)合材料涂層(12)是通過噴涂的方式形成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成，其特征在于:所述變幅桿(10)的直徑為15mm-35mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成，其特征在于:所述磁共振發(fā)射器靜止單元(2)和磁共振接收器轉(zhuǎn)動單元(3)之間的距離為0.2-5_。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成，其特征在于:所述軸承(5)的個數(shù)為1-2個。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高速電主軸通用旋轉(zhuǎn)超聲換能器總成，其特征在于:所述下蓋板(9)與變幅桿(10)為一體件。
【文檔編號】B06B1/06GK104138831SQ201410357861
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】陶曉明 申請人:陶曉明