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旋转切削机床用超 声波换能装置

阅读：311发布：2023-02-23

专利汇可以提供旋转切削机床用超声波换能装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本专利公开了一种旋转切削机床用超声波换能装置，包括固定连接在主轴外套(11)端部的定环(8)、固定连接在主轴(15)端部外圆上的动环(3)，无线发射模块 (12)封装在定环(8)内，无线接收模块(13)封装在动环(3)内，无线接收模块(13)通过无线的方式接收无线发射模块(12)发射的超声频振荡信号；在刀柄(17)和主轴(15)连接部分设置有电触点，装夹刀具(1)方便，可以在加工中心上实现超声波刀具的自动换刀，使超声波技术在旋转切削机床上的得到了充分的应用。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是旋转切削机床用超声波换能装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.旋转切削机床用超声波换能装置，其特征是：包括固定连接在主轴外套(11)端部的定环(8)、固定连接在主轴(15)端部外圆上的动环(3)，无线发射模块(12)封装在定环(8)内，无线接收模块(13)封装在动环(3)内，在动环(3)和主轴(15)连接刀柄(17)的锥孔的侧壁上设置贯通的电极孔，弹性电极置于电极孔中，弹性电极的一端通过输出连接线(4)连接在无线接收模块(13)的输出端，弹性电极的另一端设置在主轴(15)连接刀柄(17)的锥孔的孔壁表面上；在刀柄(17)上端的锥形表面上与弹性电极贴合的截面上设置有环形电极(20)，环形电极(20)与刀柄(17)之间设置有绝缘层；超声换能器(18)封装在刀柄(17)的下方，超声换能器(18)与环形电极(20)通过设置在刀柄(17)内的输入连接线(16)连接；变幅杆(2)的一端固定在超声换能器(18)的下端，另一端与刀具(1)固定连接；无线发射模块(12)的电输入端与超声波发生器(10)的电输出端通过电缆(9)连接，无线接收模块(13)通过弹性电极与刀柄(17)上的环形电极(20)连接，无线接收模块(13)通过无线的方式接收无线发射模块(12)发射的超声频振荡信号。
2.根据权利要求1所述的旋转切削机床用超声波换能装置，其特征是：所述弹性电极是由依次设置在电极孔内的压紧螺丝(6)、弹簧(5)、电极顶杆(23)、钢球(19)和钢球座(22)构成，在电极孔壁上设置有内螺纹，由绝缘材料制作的钢球座(22)和压紧螺丝(6)上设置有外螺纹，钢球座(22)通过螺纹安装在主轴(15)侧壁上的电极孔内，压紧螺丝(6)通过螺纹连接在动环(3)上的电极孔内并压持在弹簧(5)的尾端，弹簧(5)的前端压持在电极顶杆(23)的后端，电极顶杆(23)的前端顶在钢球(19)上，钢球(19)置于钢球座(22)内并从钢球座(22)底部的锥孔伸出，钢球(19)弹性压持在钢球座(22)底部的锥孔内，钢球(19)突出锥孔的部分与刀柄(17)上的环形电极(20)接触，弹簧(5)、电极顶杆(23)与电极孔之间设置有绝缘层，电极顶杆(23)通过设置在动环(3)内的输出连接线(4)与无线接收模块(13)电连接。
3.根据权利要求1所述的旋转切削机床用超声波换能装置，其特征是：所述环形电极(20)为铜环，铜环镶嵌在刀柄(17)与主轴(15)连接的锥形表面上，在铜环与刀柄(17)接触的部分设置有电极绝缘套(21)。
4.根据权利要求2所述的旋转切削机床用超声波换能装置，其特征是：所述钢球座(22)的材料为PEEK或陶瓷。
5.根据权利要求3所述的旋转切削机床用超声波换能装置，其特征是：所述电极绝缘套(21)的材料为PEEK或陶瓷。

说明书全文

旋转切削机床用超 声波换能装置

技术领域

[0001] 本实用新型涉及一种旋转切削机床用超声波换能装置，属于特种机械加工技术领域。

背景技术

[0002] 在旋转切削机床的切削刀具上附加超声波振动,可以实现对陶瓷、玻璃、蓝宝石、氧化锆等硬、脆、难加工材料的复合加工，特别是近年来，随着手机、奢侈品等行业的快速发展，对蓝宝石、氧化锆等硬、脆、难加工材料的加工要求越来越高、应用量也越来越大，为此，在旋转切削机床上如何方便、快捷、可靠的应用超声波技术成为行业研究和探索的方向。超声波是由超声波发生器产生的高频振动，超声波发生器一般固定在机床的床身或者主轴的静止部分，而刀具是高速旋转的部件，要把这种超声波振动传递到通用机床的刀具上实现复合加工，就需要设计一种超声波能量转换装置。发明内容

[0003] 本实用新型的目的就是提供一种旋转切削机床用超声波换能装置，在现有旋转切削机床特别是加工中心的主轴上设计一种超声波能量转换装置，把超声波发生器产生的超声波传递到旋转的主轴和刀柄上，实现在旋转机床上进行超声波切削加工，对于加工中心可以实现自动换刀。

[0004] 旋转切削机床用超声波换能装置，其特征是：包括固定连接在主轴外套端部的定环、固定连接在主轴端部外圆上的动环，无线发射模块封装在定环内，无线接收模块封装在动环内，在动环和主轴连接刀柄的锥孔的侧壁上设置贯通的电极孔，弹性电极置于电极孔中，弹性电极的一端通过输出连接线连接在无线接收模块的输出端，弹性电极的另一端设置在主轴连接刀柄的锥孔的孔壁表面上；在刀柄上端的锥形表面上与弹性电极贴合的截面上设置有环形电极，环形电极与刀柄之间设置有绝缘层；超声换能器封装在刀柄的下方，超声换能器与环形电极通过设置在刀柄内的输入连接线连接；变幅杆的一端固定在超声换能器的下端，另一端与刀具固定连接；无线发射模块的电输入端与超声波发生器的电输出端通过电缆连接，无线接收模块通过弹性电极与刀柄上的环形电极连接，无线接收模块通过无线的方式接收无线发射模块发射的超声频振荡信号；

[0005] 所述弹性电极是由依次设置在电极孔内的压紧螺丝、弹簧、电极顶杆、钢球和钢球座构成，在电极孔壁上设置有内螺纹，由绝缘材料制作的钢球座和压紧螺丝上设置有外螺纹，钢球座通过螺纹安装在主轴侧壁上的电极孔内，压紧螺丝通过螺纹连接在动环上的电极孔内并压持在弹簧的尾端，弹簧的前端压持在电极顶杆的后端，电极顶杆的前端顶在钢球上，钢球置于钢球座内并从钢球座底部的锥孔伸出，钢球弹性压持在钢球座底部的锥孔内，钢球突出锥孔的部分与刀柄上的环形电极接触，弹簧、电极顶杆与电极孔之间设置有绝缘层，电极顶杆通过设置在动环内的输出连接线与无线接收模块电连接；

[0006] 所述环形电极为铜环，铜环镶嵌在刀柄与主轴连接的锥形表面上，在铜环与刀柄接触的部分设置有电极绝缘套；

[0007] 所述钢球座和电极绝缘套的材料为PEEK或陶瓷。

[0008] 本实用新型的优点是：由于在主轴上设置了超声波振动系统，使刀具在旋转切削的同时对工件产生高频振动冲击，实现复合加工，可以对玻璃、陶瓷、高温合金等硬脆难加工材料进行精细加工；在刀柄和主轴连接部分设置有电触点，装夹刀具方便，可以在加工中心上实现超声波刀具的自动换刀，使超声波技术在旋转切削机床上的得到了充分的应用。附图说明

[0009] 图1：本实用新型实施例结构示意图；

[0010] 图2：图1中A处局部放大视图；

[0011] 图3：刀柄及刀具连接结构示意图；

[0012] 图4:本专利超声波系统电路原理图；

[0013] 图中，1-刀具；2-变幅杆；3-动环；4-输出连接线；5-弹簧；6-压紧螺丝； 7-防尘罩；8-定环；9-电缆；10-超声波发生器；11-主轴外套；12-无线发射模块；13-无线接收模块；14-紧定螺钉；15-主轴；16-输入连接线；17-刀柄；18- 超声换能器；19-钢球；20-环形电极；21-电极绝缘套；22-钢球座；23-电极顶杆；24-匹配电感；25-匹配电容。

具体实施方式

[0014] 在旋转机床的机械主轴的主轴单元上设置有超声波系统，所述超声波系统包括超声波发生器10、无线发射模块12、无线接收模块13以及超声换能器18、变幅杆2；如图1、图2所示，旋转切削机床用超声波换能装置包括固定连接在主轴外套11端部的定环8、固定连接在主轴15端部外圆上的动环3，无线发射模块12封装在定环8内的环形空腔内，无线接收模块13封装在动环3内的环形空腔内，主轴外套11为静止件，在主轴外套11的端部设置有螺钉孔，在定环8上也设置有与主轴外套11端部相应的螺钉过孔，定环8通过螺钉连接在主轴外套11的端部；在主轴外套11的外圆上设置有外螺纹，防尘罩7上设置有内螺纹，防尘罩7通过螺纹连接在主轴外套11的端部；在动环3较小的外圆周上对称设置有4个均布的在动环3侧壁上贯通的螺纹孔，在主轴15与动环3上的所述4个螺钉孔相配合位置也设置有4个相应的螺纹孔，在主轴15上的4个螺纹孔为盲孔，紧定螺钉14是外圆上设置有螺纹，顶端设置有开口槽，紧定螺钉14拧入动环3和主轴15上的螺纹孔中，动环3通过4个紧定螺钉固定连接在主轴15的端部外圆上，并随主轴15旋转；同时，在动环3较大的外圆周上设置有4个均布的在动环3侧壁上贯通的螺纹孔，该螺纹孔的螺纹的直径比动环3上较小的外圆周上的螺纹孔大，在主轴15安装刀柄的锥孔侧壁上设置有4 个相应的贯通的螺纹孔，动环3上的较大的4个贯通的螺纹孔与主轴15上的相应的4个贯通的螺纹孔相配构成电极孔；弹性电极置于电极孔中，弹性电极的一端通过输出连接线4连接在无线接收模块13的输出端，弹性电极的另一端设置在主轴15连接刀柄17的锥孔的孔壁表面上；

[0015] 如图2所示，所述弹性电极是由依次设置电极孔内的压紧螺丝6、弹簧5、电极顶杆23、钢球19和钢球座22构成，钢球座22由PEEK材料制作，PEEK材料绝缘、耐磨、强度好，在电极孔壁上设置有内螺纹，钢球座22和压紧螺丝6 上设置有外螺纹，钢球座22通过螺纹安装在主轴15侧壁上的电极孔内，压紧螺丝6通过螺纹连接在动环3上的电极孔内并压持在弹簧
5的尾端，弹簧5的前端压持在电极顶杆23的后端，电极顶杆23的前端顶在钢球19上，钢球19 置于钢球座22内并从钢球座22底部的锥孔伸出，钢球19弹性压持在钢球座22 底部的锥孔内，钢球19突出钢球座22锥孔的部分与刀柄17上的环形电极20 相贴合传递电信号；弹簧5、电极顶杆23与电极孔之间彼此绝缘，可以在弹簧 5、电极顶杆23与电极孔壁之间设置有绝缘层，电极顶杆23通过设置在动环3 内的输出连接线4与无线接收模块13电连接。

[0016] 在刀柄17上端的锥形表面上与弹性电极贴合的截面上设置有环形电极20，环形电极20与刀柄17之间设置有绝缘层；所述环形电极20为铜环，铜环镶嵌在刀柄17与主轴15连接的锥形表面上，铜环的锥形表面与刀柄17的锥形表面相适配，在环形电极20与刀柄17接触的部分设置有电极绝缘套21作为绝缘层，铜环镶嵌后铜环的锥形表面与刀柄17的锥形表面平齐，在环形电极20和电极绝缘套21上径向分别设置有宽度不大于1毫米的工艺切口，使环形电极20和电极绝缘套21各自在径向断开，便于装配；所述电极绝缘套21的材料为PEEK 或者陶瓷。

[0017] 无线发射模块12是一组无线发射线圈；主轴外套11固定安装在床身上，为静止件，在在主轴外套11上设置有电缆9的通过孔，无线发射模块12的电输入端与超声波发生器10的电输出端通过电缆9电连接，超声波发生器10产生的超声频电振荡信号通过电缆9传递到无线发射模块12发射；无线接收模块 13通过弹性电极与刀柄17上的环形电极20连接传输电信号，无线接收模块13 通过无线的方式接收无线发射模块12发射的超声频振荡信号；超声换能器18 封装在刀柄17的下方，超声换能器18与环形电极20通过设置在刀柄17内的输入连接线16连接；变幅杆2的一端通过螺纹或者焊接的方式固定在超声换能器18的下端，另一端通过螺纹、弹簧卡头与刀具1固定连接；

[0018] 实际应用中，所述电极孔均布在刀柄17锥面上的环形电极20所在截面上，在动环3内设置有输出连接线4通道，弹性电极通过输出连接线4并联在动环3 内的无线接收模块13的输出端；输出连接线4的一端连接在弹性电极的电极顶杆23上，输出连接线4的另一端并联连接在无线接收模块13的电输出端；

[0019] 在刀柄17内设置有输入连接线16通道，环形电极20通过输入连接线16 并联在刀柄17内的超声换能器18的电输入端，输出连接线16的一端连接在环形电极20上，输出连接线16的另一端并联在超声换能器18的输入端；

[0020] 如图4所示为本实用新型电路原理图，超声波发生器10产生的超声频电振荡信号，通过电缆9传输到无线发射模块12，无线发射模块12以无线的方式把超声频电振荡信号发射出去；无线接收模块13是由匹配电容25和匹配电感24 构成的无线接收电路，通过电磁共振的方式来接收无线发射模块12发射的电磁波，把接收到的超声频电振荡信号传输到超声换能器18，超声换能器18的作用是将超声频电振荡信号转换成超声频机械振动；无线接收模块13的匹配电容25、匹配电感24和超声换能器18接收无线发射模块12发射的电磁波，并经阻抗转变驱动超声换能器18产生谐振，从而转换电能实现主轴15高速旋转时的超声波振荡信号源与超声换能器18之间的电源传输问题。

[0021] 变幅杆2的作用是将超声换能器18的振动幅度放大。超声机械振动经变幅杆2放大后传给刀具1，所以刀具1在对工件旋转切削同时还以高频振动对工件产生连续的高频冲击，实现复合加工。超声波发生器10产生20—50kHz的电磁波，通过无线发射模块12以无线的方式发射出去，无线接收模块13接收该电磁波，并将接收到的电磁波转换为1100V的交流电源与匹配电感24、匹配电容 25连接，实现阻抗变换，驱动超声换能器18产生谐振，从而将电信号转变为每分钟20000—50000次的机械振动。

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