一种复合材料超声波切割主轴制造技术

本实用新型专利技术公开了一种复合材料超声波切割主轴，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。本实用新型专利技术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。

A composite ultrasonic cutting spindle

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料超声波切割主轴
本技术涉及复合材料切割加工
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术的目的在于提供一种复合材料超声波切割主轴。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。所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于所述超声波变幅杆末端开设有内螺纹孔，超声刀具设置在超声波变幅杆末端，并由刀具螺钉拧入螺纹孔固定。所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于主轴轴芯长杆的左端开设有工艺中心孔。所述的一种复合材料超声波切割主轴，其特征在于所述超声刀具为超声圆形刀、超声尖形刀或碟形圆形刀。所述超声波切割主轴的操作方法，其特征在于包括如下步骤：将压电换能器和超声波变幅杆通过高强度螺栓固定在一起，成为超声振动总成；将压电换能器置于轴芯一端的空腔内，超声振动总成与轴芯通过第一螺钉固定，装配成一个轴芯体总成；该组成经过轴芯长杆处打中心孔和超声波变幅杆螺纹孔处中心孔固定有机床进行车削磨削加工，达到要求的加工精度。通过采用上述技术，本技术与现有技术相比，具有如下有益效果：1）本技术通过将超声振动总成和主轴轴芯组装后一整体后再加工，通过车削、磨削来保证加工精度，与传统金属切削加工相比，其切削力小、切削温度底，能让装备设计更为轻量化，可减少重量30～80%，从而减少传统超声振动总成和主轴轴芯通过锥面连接设计和制造过程带来的误差，不仅能灵活地解决主轴制造精度的方便控制、制造周期短、成本低，而且在体积小、配置灵活多变，能有效解决传统金属材料加工机床无法解决许多蜂窝类复合材料零件的加工问题，而且本技术的主轴结构简单，且具有对制造精度要求低、生产成本下降、制造周期短等优点；能选择性地安装传统机床上，或装配在工业机器人上,替代五、六轴的CNC加工机床,可大大提高加工范围、加工效率，其加工效率提高1倍以上；节省机床采购成本，使超声波振动切割主轴将会在复合材料加工领域得到广泛的应用，能更有效、更精确地用于加工高端汽车、高铁、兵器、航空、航天、船舶等制造领域所需要的广泛应用的复合材料，如各种蜂窝材料、各类泡沫和玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、预浸纤维等复合材料；2）本技术的超声振动总成通过轴承组合将轴芯外表面与主轴外壳体实现可旋转连接，超声振动总成右端能通过螺纹结构与各种类型和规格的超声专用刀具连接，其使用灵活性强；3）本技术的超声振动总成，将超声波变幅杆、压电换能器和轴芯装配一体后加工，保证轴芯的同心度，从而保证了主轴整体的同心度和径向跳动的精度；且超声波切割主轴通过超声波换能器总成实现刀具的高频机械振动，并通过伺服电机带动旋转，在超低转速下就可以实现蜂窝材料的大余量切割工序及曲面外形的无粉尘高效率加工，并通过对超声波换能器总成的位置和超声波变幅杆结构的改进，避免高频振动时与接触面发生抵触引起的发热，完全自主研发的超声波主轴系统，适用于机床和机器人的运动控制平面，相比国外的主轴制造难度下降，成本也相对应减小，它具有同心度好、重量轻、结构简单、制造方便，突破了传统复合材料超声波切割主轴部件复杂程度的限制，进一步拓展了超声波切割技术的应用范围；4）本技术超声波切割主轴中的伺服电机采用市面上常规的外挂小伺服电机，相比电主轴上定子、转子自主设计、制造与装配，降低了制造难度、生产成本和方便维护，质量更为可靠，且成本低，也无需考虑解决电主轴发热的冷却系统。附图说明图1为超声振动总成放大结构示意图；图２为声学振动头与主轴轴芯一体化设计的组件示意图；图3为本技术实施例中带有碟形圆形刀片的超声波切割主轴示意图；图4为超声波切割尖形刀结构示意图；图5为第一种超声波切割圆形刀结构示意图；图6为第二种超声波切割圆形刀结构示意图；图7为安装超声切割主轴的机器人示意图。图8为超声尖形刀切割工艺示意图；图9为超声圆形刀切割工艺示意图；图中：1-压电换能器，101-超声电线，2-高强度螺栓，3-超声波变幅杆，4-超声振动总成，5-第一固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料超声波切割主轴，具有由超声振动总成（４）提供的超声振动功能和由伺服电机（7）提供的主轴运动功能，其特征在于超声振动总成（４）包括压电换能器（1）和超声波变幅杆（3），超声振动总成（４）和轴芯（6）通过螺钉固定连接构成轴芯体总成（15），轴芯（6）右端设有空腔，空腔用于放置压电换能器（1），压电换能器（1）上的超声电线（101）一端连接超声波变幅杆（3），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（15）与主轴外壳（9）通过第一轴承（12）和第二轴承（13）装配连接构成主轴，主轴外壳（9）上连接有主轴端盖（14），伺服电机（7）配合设置在主轴外壳（9）左侧，轴芯（6）左端的长杆部分还设有集电环（11）和联轴器（8），主轴的长杆轴套端部通过联轴器（8）与伺服电机（7）连接，集电环（11）通过超声电线（101）连接压电换能器（1）和超声发生器；所述超声振动总成（4）的超声波变幅杆（3）末端连接有超声刀具（23）。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合材料超声波切割主轴，具有由超声振动总成（４）提供的超声振动功能和由伺服电机（7）提供的主轴运动功能，其特征在于超声振动总成（４）包括压电换能器（1）和超声波变幅杆（3），超声振动总成（４）和轴芯（6）通过螺钉固定连接构成轴芯体总成（15），轴芯（6）右端设有空腔，空腔用于放置压电换能器（1），压电换能器（1）上的超声电线（101）一端连接超声波变幅杆（3），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（15）与主轴外壳（9）通过第一轴承（12）和第二轴承（13）装配连接构成主轴，主轴外壳（9）上连接有主轴端盖（14），伺服电机（7）配合设置在主轴外壳（9）左侧，轴芯（6）左端的长杆部分还设有集电环（11）和联轴器（8），主轴的长杆轴套端部通过联轴器（8）与伺服电机（7）连接，集电环（11）通过超声电线（101）连接压电换能器（1）和超声发生器；所述超声振动总成（4）的超声波变幅杆（3）末端连接有超声刀具（23）。


2.根据权利要求1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（6）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（101）；轴芯体总成（15）中的压电换能器（1）、超声波变幅杆（3）...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成岩，严明，张云电，钱耀鹏，
申请(专利权)人：杭州辉昂科技有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江;33