超磁致伸缩旋转超声振动刀柄

摘要

本发明涉及一种超磁致伸缩旋转超声振动刀柄，属于超声精密特种加工技术领域，该刀柄包括变幅杆、超磁致伸缩超声换能器、中空刀柄、副边部件、原边部件、螺纹压块；其中，超磁致伸缩超声换能器与变幅杆通过螺杆连接，安装在刀柄下部空腔内；超磁致伸缩超声换能器和变幅杆连接组成的超声振子与刀柄内壁接触，并且超磁致伸缩超声换能器下端通过螺纹压块与刀柄压紧，螺纹压块与刀柄通过螺纹连接；变幅杆下端通过螺纹压块压紧，螺纹压块与刀柄连接；副边部件下端通过螺钉与刀柄进行固定，原边部件固定于机床主轴端面。本发明利用切片结构的超磁致伸缩材料和气冷系统有效地解决换能器发热问题。该刀柄可提高加工效率。并且适用于任意的刀柄连接标准。

权利要求

1.一种超磁致伸缩旋转超声振动刀柄，其特征在于，该刀柄的结构适用气冷系统进行冷却，包括变幅杆、超磁致伸缩超声换能器、开有中心孔和气孔的中空刀柄、由副边部件和原边部件组成的非接触电能传输系统、螺纹压块；其中，超磁致伸缩超声换能器与变幅杆通过螺杆连接，形成一个整体的超声振子安装在中空刀柄下部空腔内；超磁致伸缩超声换能器和变幅杆连接组成的超声振子通过换能器外壳上的键与刀柄空腔内壁接触实现径向和轴向定位，并且超磁致伸缩超声换能器下端通过螺纹压块与刀柄压紧，螺纹压块与刀柄通过螺纹连接；变幅杆下端通过螺纹压块压紧，螺纹压块与刀柄通过螺纹连接；副边部件下端通过周向均布的螺钉与刀柄进行固定，原边部件通过螺纹固定于机床主轴端面；

所述超磁致伸缩超声换能器包括开有中心孔的压块、外壳、上下超磁致伸缩棒、匹配电路板、导磁圆环、上下导磁片、导磁套筒、上、中、下永磁体片、励磁线圈、线圈中空骨架、开有气孔的输出盖、嵌套在压块壁上的O型密封圈；其中：上导磁片、超磁致伸缩棒、上、中、下永磁体片、下导磁片组成粘合成一体的分段式超磁致伸缩棒结构；在压块和输出盖之间沿轴向依次排列上导磁片、上永磁体片、上超磁致伸缩棒、中永磁体片、下超磁致伸缩棒、下永磁体片、下导磁片，输出盖与外壳通过螺纹连接，压块与外壳通过沿圆周均布的螺钉进行固定，且内部采用O型密封圈进行密封；匹配电路板通过螺钉固定在压块上方；线圈骨架、励磁线圈、导磁套筒、导磁圆环安装在外壳内，并与外壳内孔粘合固定，励磁线圈缠绕在线圈骨架上，导磁套筒、导磁圆环、上导磁片、下导磁片形成封闭导磁回路，包裹在超磁致伸缩棒外侧，超磁致伸缩棒与线圈骨架之间为小间隙配合。

2.如权利要求1所述超磁致伸缩旋转超声振动刀柄，其特征在于，所述非接触电能传输系统，包括原边线圈、原边磁芯、原边骨架、副边线圈、副边磁芯、副边骨架；其中，原边骨架为中空圆柱体，下端开有环形槽，原边线圈缠绕在原边磁芯内，原边磁芯粘合固定在原边骨架下端槽内；副边骨架上端开有环形槽，下端开有螺纹孔，用于与刀柄连接固定；副边线圈缠绕在副边磁芯内，副边磁芯粘合固定在副边骨架上端槽内；原、副边部件之间留有间隙；

副边部件通过螺钉固定在刀柄上，刀柄上端插入原边部件中心孔。

说明书

超磁致伸缩旋转超声振动刀柄

技术领域

[0001] 本发明属于超声精密特种加工技术领域，特别涉及一种基于超磁致伸缩材料(GMM)的旋转超声振动刀柄。

背景技术

[0002] 在硬脆材料高速切削加工中，工具头高速旋转的同时附加超声频机械振动，能够减小切削力，提高加工质量，延长刀具寿命。有关研究表明：在一定范围内，提高超声功率，增大超声振幅，可以进一步减小切削力，提高加工效率。因此，大功率旋转超声加工系统的设计已成为超声设备的发展趋势。

[0003] 超声刀柄是旋转超声加工系统中的核心部件，目前普遍使用的超声换能材料有压电陶瓷和超磁致伸缩材料两种。在现有的超声加工系统中，均采用压电陶瓷作为超声刀柄中的换能材料，实现超声振动在高速旋转加工中的应用。

[0004] 超磁致伸缩材料被广泛应用于医学，声化学等领域，稀土超磁致伸缩材料具有磁致伸缩系数高、输出功率大、能量密度高、响应速度快等优点，有助于实现大功率、大振幅的超声振动，日渐成为超声换能材料领域的研究热点。但至今并未实现在工业生产中的应用，超磁致伸缩材料在旋转超声加工中应用的主要问题在于：

[0005] 1.在高频交变的电磁场中，涡流损耗，磁滞损耗，机械损耗等能量耗散引起超磁致伸缩超声换能器温升明显，严重影响输出振幅的稳定性和长时间工作的安全性。

[0006] 2.旋转超声加工中，超磁致伸缩超声换能器需在高速旋转的同时输出大振幅的机械振动，因此，超磁致伸缩超声换能器的高速旋转及旋转过程中的能量传输是超磁致伸缩材料应用于旋转超声加工的技术难点。

发明内容

[0007] 本发明的目的是为解决超磁致伸缩材料在旋转超声加工中应用的主要问题，设计出一种超磁致伸缩旋转超声振动刀柄，利用切片结构的超磁致伸缩材料和气冷系统，从减小发热和主动散热两个角度有效地解决换能器发热问题；采用超磁致伸缩换能器与刀柄集成设计的方式实现换能器的高速旋转，并采用电磁感应方式实现非接触能量传输。

[0008] 本发明提出的一种超磁致伸缩旋转超声振动刀柄，其特征在于，该刀柄的结构适用气冷系统进行冷却，包括变幅杆、超磁致伸缩超声换能器、开有中心孔和气孔的中空刀柄、由副边部件和原边部件组成的非接触电能传输系统、螺纹压块；其中，超磁致伸缩超声换能器与变幅杆通过螺杆连接，形成一个整体的超声振子安装在中空刀柄下部空腔内；超磁致伸缩超声换能器和变幅杆连接组成的超声振子通过换能器外壳上的键与刀柄空腔内壁接触实现径向和轴向定位，并且超磁致伸缩超声换能器下端通过螺纹压块与刀柄压紧，螺纹压块与刀柄通过螺纹连接；变幅杆下端通过螺纹压块压紧，螺纹压块与刀柄通过螺纹连接；副边部件下端通过周向均布的螺钉与刀柄进行固定，原边部件通过螺纹固定于机床主轴端面。本发明的特点及有益效果是：

[0009] 本发明采用超磁致伸缩材料作为超声换能器材料，利用超磁致伸缩材料磁致伸缩系数高、输出功率大、能量密度高等优点，可实现大功率、大振幅的超声频机械振动。

[0010] 将刀柄与超声换能器集成一体，利用非接触电能传输结构将电能从静止部件(超声波发生器)传输给旋转部件(超磁致伸缩换能器)，实现超声换能器的高速旋转，实现超磁致伸缩材料在旋转超声加工中的应用。

[0011] 采用气冷系统是对超声刀柄中核心部件超声换能器进行冷却，降低超磁致伸缩超声换能器温升，保证系统输出振幅的稳定性和长时间工作的安全性。可以有效的解决大功率超声加工中，超磁致伸缩材料发热的问题；

[0012] 采用分段式超磁致伸缩棒，利用切片结构减小超磁致伸缩材料的涡流损耗，采用上下永磁体，减小两相对永磁体间距，为超磁致伸缩材料提供均匀的偏置磁场；

[0013] 利用压块施加预应力，减少碟簧等零部件，使得结构紧凑；

[0014] 该刀柄可以在一定范围内，提高超声功率，增大超声振幅，可以进一步减小切削力，提高加工效率。并且适用于任意的刀柄连接标准，便于针对不同的加工需求，且超磁致伸缩旋转超声振动刀柄相对于机床独立，不需对机床进行大的改动，安装使用方便。

附图说明

[0015] 图1为本发明的超磁致伸缩超声振动刀柄实施例结构示意图；

[0016] 图2本发明的非接触电能传输实施例结构示意图；

[0017] 图3本发明的超磁致伸缩换能器实施例结构示意图；其中，

[0018] 图3(a)为超磁致伸缩换能器实施例结构剖示图，

[0019] 图3(b)为3(a)的俯视图；

[0020] 图4本发明的封闭磁路实施例结构示意图；其中，

[0021] 图4(a)为封闭磁路实施例结构剖示图，

[0022] 图4(b)为4(a)的俯视图；

[0023] 图5本发明的分段式超磁致伸缩棒实施例结构示意图。

具体实施方式

[0024] 为了达到上述目的，本发明提供的一种超磁致伸缩旋转超声振动刀柄，结合附图及实施方式说明如下：

[0025] 本发明提出的一种超磁致伸缩旋转超声振动刀柄实施例结构，如图1所示，该结构适用气冷系统进行冷却，包括变幅杆10、超磁致伸缩超声换能器20及外壳24、中空刀柄30(开有刀柄中心孔31、刀柄上的气孔32)、由副边部件40和原边部件50组成的非接触电能传输系统、螺钉60、螺杆70、螺纹压块80和90；各部件的连接和配合关系是：超磁致伸缩超声换能器20与变幅杆10通过螺杆70连接，形成一个整体的超声振子安装在中空刀柄30下部空腔内；超磁致伸缩超声换能器20和变幅杆10连接组成的超声振子通过换能器20外壳24上的键218与刀柄30空腔内壁接触实现径向和轴向定位，并且超磁致伸缩超声换能器20下端通过螺纹压块80与刀柄30压紧，螺纹压块80与刀柄30通过螺纹连接；在高速旋转过程中，为保证变幅杆10与超磁致伸缩超声换能器20紧密连接，变幅杆10下端通过螺纹压块90压紧，螺纹压块90与刀柄30通过螺纹连接。副边部件40下端通过4个周向均布的螺钉60与刀柄30进行固定，原边部件通过螺纹固定于机床主轴端面。

[0026] 本实施例的主要部件的实施方式及功能为：

[0027] 由原边组件50和副边组件40组成的非接触电能传输系统，如图2所示，包括原边线圈53、原边磁芯52、原边骨架51、副边线圈43、副边磁芯42、副边骨架41；其中，原边骨架为中空圆柱体，下端开有环形槽，原边线圈53缠绕在原边磁芯52内，磁芯通过环氧树脂粘合固定在原边骨架51下端槽内。副边部件40与原边部件50结构基本相同，不同之处是副边骨架上端开有环形槽，下端开有螺纹孔，用于与刀柄30连接固定；同样副边线圈43缠绕在副边磁芯42外并通过环氧树脂粘合固定在副边骨架41上端槽内。原、副边部件之间留有间隙，间隙大小可在1-2mm内选择。副边组件40通过螺钉60固定在刀柄上，刀柄上端插入原边部件中心孔。

[0028] 基于电磁感应原理，电能从原边传递到副边，实现非接触能量传输。选择合适的原副边间隙，以提高能量传输效率。原边磁芯52和副边磁芯42的材料为铁氧体，具有较高的导磁率和低涡流损耗，提高能量传递效率。

[0029] 超磁致伸缩超声换能器20是电-机能量转换元件的实施例结构如图3所示，包括开有中心孔28的压块25、外壳24、超磁致伸缩棒22、匹配电路板26、螺钉(27和29)、导磁圆环212、上导磁片211、下导磁片216、导磁套筒215、永磁体214、励磁线圈23、线圈中空骨架213、开有气孔217的输出盖21、嵌套在压块壁上的O型密封圈210；各部件的连接和配合关系是：
超磁致伸缩超声换能器20的上导磁片211、超磁致伸缩棒22、永磁体214、下导磁片216组成分段式超磁致伸缩棒结构，如图4所示，在压块25和输出盖21之间沿轴向依次排列上导磁片
211、上永磁体片2141、上超磁致伸缩棒221、中永磁体片2142、下超磁致伸缩棒222、下永磁体片2143、下导磁片216，各部件均用环氧树脂粘合成一体，输出盖21与外壳24通过螺纹连接，压块25与外壳24通过5个沿圆周均布的螺钉29进行固定，且内部采用O型密封圈210进行密封；匹配电路板26通过螺钉27固定在压块25上方。线圈骨架213、励磁线圈23、导磁套筒
215、导磁圆环212安装在外壳24内，并用环氧树脂与外壳内孔粘合，以进行固定，励磁线圈
23缠绕在线圈骨架213上，导磁套筒215、导磁圆环212、上导磁片211、下导磁片216形成封闭导磁回路，包裹在超磁致伸缩棒22外侧，超磁致伸缩棒22与线圈骨架213之间为小间隙配合，如图5所示。

[0030] 超磁致伸缩超声换能器20的工作原理：通过调节螺钉29改变超磁致伸缩棒22所受预应力，使其处于压缩状态，预应力范围为6-12Mpa，具体大小应根据实际应用中驱动磁场(驱动电流)的变化范围选择，但需保证在整个振动周期中，超磁致伸缩棒22始终处于压应力状态；输出盖21上设有气孔217，压块25上设有中心孔28，压块25的材料为无磁钢，输出盖21的材料为铝，均采用导磁性较差的材料，以减小漏磁；由不同材料的声阻抗特性可知，输出盖21的声阻抗小于压块25，因此，大部分超声振动能量向输出盖21传递。超磁致伸缩棒22采用切片处理，各片之间用环氧树脂进行粘接，以减少涡流损耗；如图5所示，导磁套筒215、导磁圆环212、上导磁片211、下导磁片216形成封闭导磁回路，包裹在超磁致伸缩棒22外侧，超磁致伸缩棒22与线圈骨架213之间为小间隙配合，使线圈骨架213不会阻碍超磁致伸缩棒
22振动，并为冷却气的流动提供通道；通入高频交变电流时，励磁线圈23产生高频交变磁场，并沿导磁套筒215-导磁圆环212-上导磁片211-超磁致伸缩棒22-下导磁片216-导磁圆环212形成封闭磁路，以减小漏磁，提高超磁致伸缩棒22的形变量；匹配电路26用于补偿原边线圈53、副边线圈43、励磁线圈23产生的感性负载，使超磁致伸缩超声刀柄等效电路在机械谐振频率等效为纯阻性负载，以减小电路中的无功功率，提高超声波发生器驱动负载能力。

[0031] 本实施例的变幅杆10按半波长理论设计，放大超磁致伸缩超声换能器产生的超声振动，使变幅杆10输出端面为振幅最大点；变幅杆对超声振幅进行放大，其振幅放大系数决定于结构形式和前后截面面积比，变幅杆10可设计为阶梯形、指数形、抛物线形等结构形式。本实施例采用阶梯形结构。变幅杆10与螺纹压块90的结合面设计为节点位置，超声振幅为零，以避免螺纹压块90阻碍超声振动向前传递。

[0032] 本实施例的刀柄可选用合适的标准刀柄(BT、HSK等)。

[0033] 本实施例的其它零部件均可采用常规产品或用常规技术制备。

[0034] 与本实施例配套的气冷系统采用常规的空气压缩机。

[0035] 与本实施例配套的超声波发生器采用常规产品。

[0036] 本发明中气体冷却的工作过程如下，冷却气经刀柄中心孔31、压块中心孔28流入超磁致伸缩超声换能器20，通过超磁致伸缩棒22与线圈骨架213之间的间隙，对超磁致伸缩棒22进行冷却。循环后的冷却气经输出盖上的气孔217、刀柄上的气孔32流出超磁致伸缩超声振动刀柄。压块25与外壳24间采用O型密封圈210进行密封，以防冷却气泄漏。

[0037] 本发明在旋转超声加工中的实施方式如下：

[0038] 刀柄30通过拉钉与机床主轴进行连接。原边组件50通过螺纹连接固定在机床的主轴端面上，原边线圈53两端与超声波发生器相连。副边组件40与刀柄30通过螺钉60固定，副边线圈43通过匹配电路26与超磁致伸缩超声换能器20的励磁线圈23相连。调节原边组件50和副边组件40之间的间隙，保证在高速旋转工况下不会发生干涉并使电能传输效率达到最大值。超磁致伸缩超声换能器20和变幅杆10通过螺纹压快(80和90)固定在刀柄30内，螺纹压块(80和90)采用粘合剂进行螺纹防松。超声波发生器通过扫频确定超磁致伸缩超声振动刀柄的机械谐振频率，并输出相应频率的交流电。根据驱动磁场(驱动电流)的大小，选择合适的预应力，调节螺钉29使超磁致伸缩棒22处于较优的工作状态；根据所需的超声振幅，调节合适的超声波发生器输出功率；超声波发生器输出的电能通过非接触电能传输结构传递给励磁线圈23，并在封闭导磁回路内形成超声频交变磁场；在超声频交变磁场的作用下，超磁致伸缩棒产生超声频的纵向机械振动；变幅杆10放大超磁致伸缩超声换能器20产生的机械振动。变幅杆10输出端既作较大振幅的超声频纵向振动，又随主轴作高速旋转运动，在两种运动的综合作用下，对硬脆材料进行旋转超声加工；空气压缩机的气冷管道穿过刀柄中心孔31，与压块中心孔28通过螺纹连接，气冷管道连接空气压缩机，输出气流，经刀柄中心孔31、压块空心孔28进入超磁致伸缩超声换能器20，对超磁致伸缩棒22和励磁线圈23进行冷却。根据工作电流大小选择合适的冷却气压，保证超磁致伸缩棒22工作温度在1/2居里温度点以下。