[发明专利]一种复合材料超声波切割主轴及加工方法

说明书

本发明公开了一种复合材料超声波切割主轴及其加工方法，所述复合材料超声波切割主轴包括超声振动总成和伺服电机，超声振动总成包括压电换能器和超声波变幅杆，超声振动总成和轴芯通过螺钉固定连接构成轴芯体总成，轴芯体总成与主轴外壳轴承装配连接构成主轴，轴芯左端的长杆部分还设有集电环和联轴器，主轴的长杆轴套端部通过联轴器与伺服电机连接，集电环通过超声电线连接压电换能器和超声发生器；超声振动总成的超声波变幅杆末端连接有超声刀具。本发明得到的切割主轴具有结构简单，体积小、耗能低、效率高、噪声低等优点，在超声作用下，能对航天、航空、汽车、船舶等复合材料的复杂外型面进行加工，市场前景良好。

技术领域

本发明涉及复合材料切割加工技术领域，具体涉及一种结构简单、切割效率及精确度高的复合材料超声波切割主轴及加工方法。

背景技术

利用超声振动的能量对材料进行切割的理念，在国外很早就得到了重视。但直到上世纪90年代，国外公司才将这一概念实际应用于航空材料加工领域，开始对多种复合材料进行超声切割。

近年来，欧美一些国家通过研究和实践，表明超声切割技术的切割质量优异，具有无毛刺、无刀具磨损、无炭化材料、侧向切割力小、加工速度快、加工精度高、无粉尘污染、可切割凯夫拉和UD纤维等优势，在国内外已得到重视和广泛应用超声波加工机床来完成复合材料复杂型面的加工任务。

不同于传统的高速铣钻工艺，超声切割技术的核心是超声切割头，其基本原理是利用一个电子超声发生器，先产生频率在20～30kHz范围内的超声波，然后通过置于超声切割头内的超声－机械转换器，将原本振幅和能量都很小的超声振动转换成同频率的机械振动，再通过共振放大，得到足够大的、可以满足切割工件要求的振幅和能量，最后将这部分能量传导至超声切割头顶端的刀具上，对上述复合材料进行切割加工。

现有的超声波切割主轴设计还是沿用传统的金属切削加工主轴方式，或如GFM公司的电主轴结构，主轴下方有个锥形面与压电换能器和超声波变幅杆的总成节点处的法兰处锥面配合装配。这种超声波切割电主轴具有旋转、转向和向超声振动总成的换能器供电功能，主轴下端可安装超声振动总成，超声波变幅杆下方再通过螺纹连接各类规格和类型的超声专用刀具。这种主轴多轴结构繁杂、对制造精度要求高，生产成本高，制造周期长等缺点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合材料超声波切割主轴及加工方法。

所述的一种复合材料超声波切割主轴，具有由超声振动总成提供的超声振动功能和由伺服电机提供的主轴运动功能，其特征在于超声振动总成包括压电换能器和超声波变幅杆，超声振动总成和轴芯通过螺钉固定连接构成轴芯体总成，轴芯右端设有空腔，空腔用于放置压电换能器，压电换能器上的超声电线一端连接超声波变幅杆，另一端从轴芯的中心通孔中穿过，从槽孔中穿出连接外部的超声发生器；轴芯体总成与主轴外壳通过第一轴承和第二轴承装配连接构成主轴，主轴外壳上连接有主轴端盖，伺服电机配合设置在主轴外壳左侧，轴芯左端的长杆部分还设有集电环和联轴器，主轴的长杆轴套端部通过联轴器与伺服电机连接，集电环通过超声电线连接压电换能器和超声发生器；所述超声振动总成的超声波变幅杆末端连接有超声刀具。

所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于所述轴芯长杆上开设有穿线套孔，穿线套孔为L形结构，用于安装超声电线；轴芯体总成中的压电换能器、超声波变幅杆和轴芯装配后整体加工，保证轴芯组成的同心度及主轴整体同心度和径向跳动的精度，起到提高主轴同心作用。

所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于超声波变幅杆与主轴轴芯连接后由第一螺栓加固。

所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于伺服电机采用功率小于等于1KW的伺服电机。

所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于

超声波变幅杆右端端面与超声刀具的连接上圆盘面大小相同。