[发明专利]一种采用线传动的超长旋转超声波主轴

说明书

本发明公开了一种采用线传动的超长旋转超声加工主轴，包括支撑座，支承座内贯穿有一空心轴体，空心轴体的一端设有连接轴，连接轴位于空心轴体一端的中心孔，内设有压电换能器，压电换能器连接有初级变幅杆，通过螺钉将空心轴体、初级变幅杆和连接轴同轴固定连接，空心主轴的另一端连接有次级变幅杆，次级变幅杆的一端通过一传动线与初级变幅杆相连，次级变幅杆的另一端外露于空心轴体、并设有锁紧螺母，锁紧螺母用于张紧传动线，在次级变幅杆的外露端连接有工具头。本发明采用传动线进行长距离振动传输，可以克服现有统超声加工装置轴向长度较短的局限性。利用本发明可实现工件深腔进行旋转超声加工，加工效率是传统磨削加工4‑10倍。

技术领域

本发明涉及一种采用线传动旋转超声波加工主轴装置，特别涉及一种适用于深腔加工的超长旋转超声波加工主轴装置。

背景技术

陶瓷材料凭借其优越的性能广泛应用于航空航天、国防、汽车、电子信息、生物工程等领域且需求不断增大。陶瓷材料硬度高、脆性大，属于难加工材料，对于陶瓷材料工件深腔加工问题仍没有较为有效的解决办法。通常陶瓷结构件深腔加工采用分块加工，将涉及深腔的零件分割为多个小零件，加工好再拼装，这种方法有效避免了深腔加工难点，降低了加工难度，缺点是破坏了原零件结构从而导致物理性能发生改变。例如用这种方法加工得到的陶瓷发动机主轴箱结构强度往往达不到要求。

旋转超声加工是通过加工工具高频振动和高速旋转实现机械式去除材料的一种特种加工方式，可以有效减小切削力，降低刀具磨损，提高材料去除率，是当下硬脆材料最有效加工手段。研制适用于深腔加工的旋转超声加工设备将有助于解决硬脆材料深腔加工难题。换能器是超声加工装置产生超声振动的元件，本质是换能器在超声电源激励下发出超声波纵波，超声波纵波在结构中传播，所经过处的介质质点做简谐振动，宏观上体现为结构沿轴向振动，超声波在结构中传播遵循波动理论，设计不当的结构会带来严重能量损失、波动方向(沿轴向)发生改变，体现在超声加工装置中为刀具不振动或振幅微小、刀具偏振等问题，这种装置无法实现超声加工。超声变幅杆也称超声聚能器，是超声加工装置常用的汇聚、传递超声波的结构。变幅杆主要分为圆锥形、指数型、阶梯形、悬链型四种结构，其尺寸、结构直接影响超声波传递效果，受结构限制，变幅杆长度越长其截面积越小，容易出现刚度不足刀具颤振现象。目前旋转超声工具头采用四分之一波长变幅杆，这种变幅杆结构简单、能量损失小，缺点是长度较短难进行深腔加工。专利CN2527382Y公开了一种超声波扭转振动装置，该装置通过刀具扭振实现切削，不能旋转加工效率低，该装置由变幅杆传递振动和支撑刀具，为保证刚度和减少能量损失，变幅杆长度受限，整个装置不能完成深腔加工。专利CN102151867A公开了一种基于机床附件化的旋转超声波头，该装置能安装于普通机床实现超声加工，缺点是该装置轴向长度较短，不能完成深腔加工。发表于2016年第一期《机械设计与研究》期刊上的文献“适用于深腔加工的超声振动系统设计与试验”，提供了一种深腔加工的超声振动系统，该系统使用超长型指数过度变幅杆，长度达到543mm，该变幅杆作用是传递振动和支撑末端刀具，指数过度变幅杆直径随长度增加变小，因此变幅杆末端刚度不足和刀具偏振(刀具出现径向振动)成隐患，加工精度和可靠性较差。

综上，目前超长的旋转超声加工装置比较匮乏，通过延长变幅杆长度来研发长旋转超声加工装置的方案具有很大局限性。亟需一种高可靠性的新型结构的超长旋转超声加工装置，来解决硬脆材料深腔加工的难题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种采用线传动的超长旋转超声波主轴，采用金属材质传动线为主体，与初、次级变幅杆组合传递超声纵波，能长距离高效传输，此外传动线只传递轴向的波动，可以有效的避免刀具偏振现象；本发明主轴的整体结构可靠性高，主轴因不参与超声振动传递，不会出现传统变幅杆增加长度而牺牲刚度问题，有效避免刀具颤振。