[发明专利]超声波电主轴

说明书

技术领域

本发明涉及超声波切割领域,更具体地说，它涉及一种超声波电主轴。

背景技术

随着航空工业的发展以及对飞机性能提高的需要，在军、民机特别是第三代以及新一代战斗机结构设计中，越来越多的采用复合材料。尤其是在尾翼、腹鳍、鸭翼以及内、外侧升降副翼等与操纵性能有关的关键性动力部件中很多采用了优质先进的纸基Nomex蜂窝芯材料，该材料具有重量轻、密度小、比强度比刚度高，自熄性能、绝缘性能、化学性能好等特点。由于Nomex蜂窝芯材料的优良特性，国内外一些公司在一些重要部件中也运用了蜂窝芯结构。

但是由于Nomex蜂窝芯材料结构特殊性，使其在传统的数控加工中带来了很大的难题。传统高速铣钻工艺是利用机床主轴产生高速转动，再通过铣头（或钻头）沿工件边缘将材料打碎，从而使工件得以成形或分离。这种铣钻方式在实际加工过程中存在以下问题：蜂窝结构件为纸质柔性材料，多孔薄壁结构，这就决定了其加工方法必须采用高转速切削才能加工，主轴转速必须超过20000转每分钟，否则就无法进行切削，故对机床要求很高；由于Nomex蜂窝芯材料结构特殊性，使其切削性能差，在加工过程中易出现撕裂、压塌、芯格变形、毛刺、外形缺损等缺陷，在加工过程中刀具易磨损，故产品质量不高，刀具成本较大；Nomex蜂窝芯在加工过程中产生的粉尘会对人体产生极大的危害，并且数控加工机床为高精度的设备，粉尘会对其零部件产生影响；传统铣钻工艺下，针对曲面外形的无粉尘高精度加工仍为本领域技术难题。

直到上世纪90年代，人们开始将超声波加工应用于航空材料加工领域。相对于传统的切削方式，超声切割如同用剪刀剪纸或用裁刀切割皮革一样，不会产生工件的碎屑。而与常规“剪、裁”相比，超声切割头可以在剪刀或裁刀上施加20-30KHz的振动能量，帮助打开材料内部的分子结构，在切割过程中刀具可以更容易地将材料分割开，其切割速度要比传统的铣削加工大得多，且由于不存在将材料打碎的问题，超声切割完全不会产生粉尘，可以免去安装防尘、除尘设备的费用。但是，这一技术在国内仍处于较少的初期应用阶段，唯数不多的飞机制造公司（例如成飞、哈飞）巨资引进奥地利GFM整机进行实际生产应用，但至今未能研发出适用于传统数控机床床身和床身运动控制系统的主轴系统，浪费大量财力物力。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种超声波电主轴，适用于传统数控机床，能够在超低转速下实现蜂窝材料的大余量切割工序及曲面外形的无粉尘高精度高效率加工。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种超声波电主轴，包括轴体和超声波换能器总成，所述轴体端部开设有用于装配所述超声波换能器总成的置物腔，所述超声波换能器总成外套设有轴套，所述超声波换能器总成与所述轴套之间留有间隙，所述轴套与所述置物腔之间设置有轴承和控制所述轴套发生转动的电机，所述超声波换能器总成由换能器和变幅杆组成，所述换能器尾端设置有用于与外部超声波发生器电连接的超声源接口，所述变幅杆包括与换能器连接的圆台部，所述圆台部直径较小端一体连接有圆柱部，所述圆柱部直径与所述圆台部较小端直径相同，所述圆柱部轴端固定有刀具，且所述圆台部外表面沿径向向外延伸形成连接法兰，所述连接法兰与所述轴套通过螺栓可拆卸固定连接。

优选的，所述轴套沿轴向延伸形成内部中空的筒体，所述筒体末端封闭设置有盖板，所述盖板上设有供导线穿过的通孔。

优选的，所述轴套末端设置有罩盖，所述轴套与罩盖之间设置有水银导电滑环，所述罩盖上开设有超声出线口，所述水银导电滑环一端通过导线与超声源接口电连接，另一端通过导线与超声出线口相连。

优选的，所述刀具为尖刀，所述电机为伺服电机。

优选的，所述刀具为圆刀。

优选的，所述刀具与所述变幅杆螺纹连接。

优选的，所述轴体尾端设置有端盖，所述轴体上开设有卡槽，所述端盖上设置有与所述卡槽相互配合的卡扣，且所述端盖与所述轴体还通过第二螺栓螺纹连接。

优选的，所述换能器和所述变幅杆螺纹连接。

该技术方案与现有技术相比具有：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精度高效率加工，并通过对超声波换能器总成合理的位置设置和变幅杆结构的改进，避免高频振动时与接触面发生抵触引起发热，完全自主研发的超声波主轴系统，适用于传统数控机床床身和运动控制系统，相比整机购买有显著成本优势。

附图说明

图1为本发明超声波电主轴实施例的结构示意图。