[发明专利]用于电主轴的超声波转子

说明书

技术领域

本发明涉及电主轴技术领域，特别涉及一种用于电主轴的超声波转子。

背景技术

当前一些特殊材料应用越来越广泛，比如玻璃、蓝宝石、碳化硅、复合材料等。这些材料由于机械特性很硬脆，导致采用传统的加工工艺无法满足这些材料的加工精度的要求。当前行业采用了超声能量辅助的方式，结合现有机床的高速旋转，用于这类硬脆材料的可加工性、加工精度、以及提高加工刀具的寿命。在超声辅助加工中，超声能是加工工艺最为关键的参数，其起到激发材料原子能，降低切削力等作用。换能器(Transducer)是超声加工中提供超声能量的核心执行机构，其工作原理为利用压电逆效应将频率电信号转换为高频超声振动，并将超声能传输到加工材料。换能器作为超声能量传递的载体，其工作性能直接影响加工材料的表面精度、加工效率、刀具寿命。为保证材料的加工精度与效率，需要精确控制换能器的超声能量传递与振动模式。

在机床主轴上增加超声波模块，如果换能器的振动特性不得到有效的控制，将会影响到机床的主轴，尤其会影响到主轴的轴承，将对主轴的旋转特性与寿命产生负面作用。

当转子在高速旋转过程，如何将电能量传递到超声换能器，也是一件很困难的问题。当前采用接触式的轴承方式，但存在很多问题，比如：转速低，容易损坏，寿命有限，存在安全隐患。因此，研发出一种新型的能量传递模式的超声波转子为当世之所需。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种结构设计巧妙、合理，能在高速旋转过程中进行非接触式电能传输，且使得超声振动能量有效地向磨头传递，有效提升加工效果且延长磨头使用寿命的用于电主轴的超声波转子。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种用于电主轴的超声波转子，其包括磨头、变幅杆、换能器、动子和非接触电能传递装置，所述动子的一端设有与所述换能器的外形轮廓相适配的装配腔，所述换能器设置在该装配腔内，所述磨头通过变幅杆与该换能器相连接，所述非接触电能传递装置设置在所述动子的另一端。本发明能确保了在传统转子的基础上，增加超声波换能器，并采用电磁感应的原理，实现动子在高速旋转过程中将电能量有效地传递到超声换能器模块，使得超声振动能量有效地向磨头工具传递，有效提升硬脆材料的加工效果且刀具使用寿命。

作为本发明的进一步改进，所述换能器对应所述装配腔的开口位置处径向凸起形成联接部，并在所述装配腔的开口内缘设有与该联接部相适配的凹位，所述联接部朝向所述磨头的一端面下部设有下凹槽，另一端面上部设有上凹槽，即整体横截面轮廓呈Z字形结构，能较好地与动子相结合，且结合效果好，有效地避免了超声能量的向外传递，从而保证超声能量的传递路径，不仅大大提升超声能量传递效率，而且又能保证电主轴的旋转性能，进一步保证了加工效果，具有良好的工作性能。

作为本发明的进一步改进，所述非接触电能传递装置包括底座、主边线圈和副边线圈，所述底座上设有容线腔，所述主边线圈设置在该容线腔内，所述动子的另一端伸入该容线腔内，且该动子上设有与所述装配腔相连通的轴向通孔，所述副边线圈对应所述主边线圈的一侧位置固定在所述动子上，且该副边线圈的连接线穿过所述轴向通孔与所换能器相连接。本发明的非接触电能传递装置的主边线圈与副边线圈之间有间隙，即非接触性结构设计，主边线圈与驱动装置相连接，而副边线圈固定在动子上，且能随该动子转动而转动，通过电磁感应，即使在动子高速旋转中也能将电能量有效地传递给换能器，实现了换能器的驱动，从而产生超声波能量。当所述驱动装置发射电信号产生超声振动时，带动所述变幅杆工作，从而带动磨头工作，并产生高频率的机械超声波振动，实现加工的目的。然而在加工过程中，由于主边线圈与副边线圈没有直接接触，这就避免了接触摩擦可能造成的发热现象，并且不限制加工电主轴转速的提高；其次，主边线圈与副边线圈均是位于底座的容线腔内，没有导线裸露，这样就提升了超声加工的应用环境，可以不受外在环境的限制，不惧怕灰尘和水的影响；而且具有可拆卸方便、易维护等特点。

作为本发明的进一步改进，所述换能器通过过盈配合、热压或者螺钉等方式固定设置在该装配腔内。

作为本发明的进一步改进，所述磨头、变幅杆、换能器、动子和非接触电能传递装置均同心于基准轴心。能有效减少非轴向振动的影响，以确保作单一的轴向运动，不仅大大提高超声能量传递效率，保证加工质量，且能提升电主轴的旋转特性和延长其使用寿命。