[发明专利]一种用于旋转超声加工的非接触能量传输装置

说明书

技术领域

本发明属于旋转超声加工技术装备领域，具体涉及一种用于旋转超声加工的非接触能量传输装置。

背景技术

旋转超声加工技术是在传统旋转加工技术的基础上，复合以超声振动从而实现材料去除的一种加工方法。旋转超声加工可以有效减小切削力，降低刀具磨损，提高材料去除率，尤其对于难加工材料有良好的加工效果。因此，旋转超声加工技术被广泛应用于陶瓷、玻璃等硬脆材料以及纤维增强复合材料等难加工材料的加工领域。

旋转超声加工方法主要有：旋转超声铣削、旋转超声磨削、旋转超声车削、旋转超声钻削等方法。这些加工方法的实现都离不开旋转超声加工系统。一个完整的旋转超声加工系统通常由超声电源、超声能量传输装置和旋转超声刀柄构成。旋转超声刀柄包括换能器、变幅杆和加工刀具。加工过程中，旋转超声刀柄随机床主轴高速旋转，超声能量传输装置将超声电源产生的超声能量传递给旋转超声刀柄。旋转超声刀柄中的换能器接收超声能量并转换为高频振动，通过变幅杆的放大作用带动刀具实现旋转超声加工。

超声能量传输装置是旋转超声加工系统的核心，总体上分为接触式和非接触式两大类。接触式超声能量传输主要依靠碳刷和导电滑环相接触导电的方式实现。这种电能传输方法工作过程中容易产生打火和积碳现象，碳刷磨损严重，系统的使用寿命短，安全性低。

目前通常采用非接触式超声能量传输方式来克服接触式超声能量传输的缺点。非接触式超声能量传输装置采用电磁耦合能量传输原理设计，在结构上包括固定端和旋转端两部分，按照固定端与旋转端相对位置的不同，分为轴向式和径向式两种。

轴向非接触能量传输装置有：德国专利(DE102009008227A1)《Interface for a tool actuator and or for a tool,in particular for connecting to a machine tool》。该专利提出了一种将超声振动刀具与机床实现连接的接口形式。该接口在轴向上分为第一和第二连接区域并包含非接触能量传输装置。非接触能量传输装置实现电能的初步传输，后经导电装置将电能传输给旋转超声刀柄，完成整个电能的传输。其中，非接触能量传输装置的固定端与旋转端轴向相对布置并集成在机床主轴内部，形成较为封闭的轴向能量传输空间；此外，中国专利CN103128605A《一种超声加工刀柄》提出了一种感应式超声刀柄结构，该刀柄外侧设置有包括发射线圈和接收线圈等结构的轴向非接触电磁转换装置；中国专利CN102642157A《具有无线传输超声功率信号的加工装置》也提出一种轴向非接触能量传输形式的旋转超声加工装置。该能量传输装置包括发射线圈固定套件、发射电磁线圈、接收电磁线圈和软磁体环形槽等结构。发射电磁线圈通过发射线圈固定套件与机床主轴固定并与接收电磁线圈轴向小间隙布置，从而实现轴向上的非接触能量传输。

径向非接触能量传输装置有：中国专利CN102151867A公开了《一种基于机床附件化的旋转超声波头》，该专利将非接触式集流环设置在主轴与支撑外壳之间，通过非接触式集流环将超声波振动信号在刀柄径向方向上传递给超声振动工作装置。支撑外壳通过拨叉或磁座方式与机床床身固定。旋转端随机床主轴旋转，并通过轴承等形式与固定端小间隙径向布置。由于轴承的采用和支撑外壳的尺寸限制，均增加了装置的径向尺寸。

现有的非接触能量传输方式，无论是轴向还是径向，其能量传输空间都相对封闭，同时固定端在机床主轴端部占用一定空间，因此会对于机械手的换刀过程造成干涉。在不改变机床现有结构的情况下，只能采用人工的方式进行换刀。一个零件的加工往往需要诸多工序才能完成，不同的工序之间需要进行多次刀具的更换。这种频繁的人工换刀过程，降低了加工效率和生产的自动化水平；如果想实现自动换刀功能，就需要对机床本身或者换刀机构进行大量改造，其改造成本和资金投入巨大；此外，这种人工换刀等人为因素的引入和相对封闭的能量传输空间，不利于加工过程的安全。现有的非接触能量传输装置还存在对于不同机床和不同刀柄结构适应性差，安装调试不方便等缺点。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明要设计一种既可提高机床加工效率、自动化水平和生产安全性，又能提高刀柄结构的适应性和安装调试性能的用于旋转超声加工的非接触能量传输装置。