一种超声换能器固定装置

技术领域

本发明属于旋转超声加工技术领域，涉及一种超声换能器固定装置，具体涉及一种可在垂直于传动轴的平面上实现超声椭圆振动且超声波换能器不会随传动轴转动的超声换能器固定装置。

背景技术

近年来，超声加工技术越来越成熟，因为其可以有效降低切削力、改善表面加工质量，在各种加工条件下都得到非常广泛的应用，尤其是二维的超声椭圆振动切削，在改善刀具磨损情况、抑制加工时产生的颤振、提高加工质量等方面都表现出良好的性能。

旋转超声加工是在工具随主轴高速旋转时以特定的换能器以固定的方向施加超声振动的一种加工方式，是加工先进难加工材料的有效加工方法。在传统的旋转超声加工中，总是让刀具沿其轴线方向做一维纵向振动，在近年的研究中，逐渐出现了沿径向方向、甚至是椭圆振动的加工方式。

在传统的结构设计中，旋转超声加工由于相对于一般的超声加工多出了高速旋转的传动轴，产生超声波的换能器不得不跟随传动轴一起旋转，用一般的设计思路显然会让导线因旋转而缠绕，因此一般都采用碳刷、感应电能传输方式等来解决电能传输的问题，但这又同时带来了寿命、传输效率、设计复杂等一系列新的问题。

因此，从结构上设计一种可以在旋转超声加工的同时使超声换能器相对于机床静止的固定装置具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种超声换能器固定装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

固定结构包括固定装置A和固定装置B，固定装置A用于安装超声换能器，固定装置A安装在固定装置B中；

固定装置A由一中空圆柱体y1和一圆柱体y2构成，中空圆柱体y1的轴向与圆柱体y2的轴向相互垂直，圆柱体y2的一端面与中空圆柱体y1的侧面通过一锥形块连接，中空圆柱体y1的尺寸在满足安装传动轴的同时，还需保留足以安装轴承的空间，圆柱体y2最下端需加工成变幅杆上粗下细的形状，具有增大振幅的作用，圆柱体y2的另一端面加工有用于安装超声换能器的螺纹孔；

固定装置B由一大一小的中空圆柱体y3和中空圆柱体y4构成，中空圆柱体y3的轴向与中空圆柱体y4的轴向相互垂直，中空圆柱体y4的一端面与中空圆柱体y3的侧面相连，且中空圆柱体y4的内径与圆柱体y2的直径相等；中空圆柱体y3与中空圆柱体y1截面大小相同(即中空圆柱体y3与中空圆柱体y1内径相同，外径也相同)；中空圆柱体y3在其中部截断，分为形状相同的中空圆柱体y31和中空圆柱体y32，中空圆柱体y31和中空圆柱体y32之间具有空隙，且空隙的宽度与中空圆柱体y1的高相等，从而固定装置A中的中空圆柱体y4安装在所述空隙中；中空圆柱体y31和中空圆柱体y32通过中空圆柱体y4相连，构成一个完整的固定装置B；在中空圆柱体y3的至少一个端面设置有法兰安装板，所述法兰安装板用于安装定位结构；

为了便于实地安装，固定装置B应沿其对称轴剖开分为两个相同的部分；

中空圆柱体y1中安装有一个以上的轴承，且轴承的内圈与传动轴直径相等，轴承的外圈与中空圆柱体y1紧密贴合。

作为优选的技术方案：

一种超声换能器固定装置，包括固定结构和定位结构；

如上所述的一种超声换能器固定装置，中空圆柱体y31和中空圆柱体y32通过中空圆柱体y4焊接相连，构成固定装置B。

如上所述的一种超声换能器固定装置，轴承的数量为3；中空圆柱体y1中还安装有两个轴套t1和两个轴套t2，轴套与轴承的安装顺序从左到右依次为轴套t1、轴承c1、轴套t2、轴承c2、轴套t2、轴承c3、轴套t1；由于超声振动是通过轴承从换能器传递到传动轴的，正下方的轴承起主要传递作用，设置三个轴承可以提高传递精度；轴承与轴套要尽量对称布置，对称布置是为了使整个装置受力均匀，提高使用寿命；轴承c1、轴承c2和轴承c3的大小与材质均相同；为保证密封环境，在轴套t1与传动轴之间安装橡胶O形圈。

如上所述的一种超声换能器固定装置，超声换能器包括承力螺栓、前盖板、压电陶瓷组和绝缘套筒，承力螺栓自上而下依次穿过前盖板和压电陶瓷组，并与固定装置A中圆柱体y2上的螺纹孔连接(承力螺栓从换能器中伸出的部分通常应到圆柱体y2的1/3到1/2之间，螺纹孔的深度应当要符合从换能器中伸出承力螺栓的长度)，绝缘套筒套在承力螺栓上，将承力螺栓与压电陶瓷组隔开。

如上所述的一种超声换能器固定装置，压电陶瓷组由电极片和压电陶瓷交替放置构成。

如上所述的一种超声换能器固定装置，电极片的数量为5，压电陶瓷的数量为4。

如上所述的一种超声换能器固定装置，固定结构和定位结构的数量均为2。在适当的情况可以根据需求增加或减少结构的数量，如三组超声波换能器、三组固定结构和四组定位结构。

如上所述的一种超声换能器固定装置，每组定位结构包括定位装置a和定位装置b；定位装置a为半个法兰安装板f31，定位装置b由依次相连的半个法兰安装板f32、一个圆柱体y5和一个法兰安装板f4构成；圆柱体y5与半个法兰安装板f32相连的一端做倒角处理，以便于对法兰结构的螺栓安装；半个法兰安装板f31与半个法兰安装板f32组合成法兰安装板f3；

在中空圆柱体y3的两端面分别设置有法兰安装板f1与法兰安装板f2；两组固定结构中的固定装置B的法兰安装板f1用螺栓结构相连，构成法兰结构I；

两组固定结构中的固定装置B的法兰安装板f2分别与两组定位结构中的法兰安装板f3用螺栓结构相连，构成法兰结构II。

如上所述的一种超声换能器固定装置，两组定位结构之间安装时呈90～180°的角度(是指两个定位结构中的圆柱体y5的轴向之间所呈的角度)，具体角度应随安装条件调整，优选为90°或120°。

如上所述的一种超声换能器固定装置，安装在两个固定装置B上的两组超声换能器之间安装时呈90～180°的角度，优选为90°或120°，以便在刀具尖端垂直于传动轴的平面上形成超声椭圆振动。

本发明中，固定结构和定位结构选用45号钢材质，超声波换能器选用常规材料，即承力螺栓选用螺栓钢材质、前盖板选用YL12材质、压电陶瓷选用PZT8材质、电极片选用铍青铜材质。

本发明的原理如下：

本发明的超声换能器固定装置，固定装置A安装在固定装置B中构成固定结构，固定结构依靠其中的轴承与传动轴相连；固定结构两侧设置有法兰安装板，依靠法兰结构与定位结构相连，定位结构一端连接机床或地面，一端连接固定结构，通过两侧的法兰结构保证固定结构、定位结构与机床相对静止。因为轴承内圈与外圈运动分离的特性，轴承内圈跟随传动轴转动，外圈则与固定结构以及超声波换能器保持相对于机床的静止状态，这样就不用考虑旋转结构传输电信号的问题。超声换能器产生的超声波振动，依次经过固定装置A、轴承后传递给传动轴，凭借传动轴的振动在刀尖实现超声振动。当固定结构和定位结构的数量均为两个时，两个固定结构之间通过法兰结构连接，并依靠调整法兰结构的安装方式来改变两个换能器之间形成的角度，由两个换能器共同产生超声椭圆振动，通过轴承传递到传动轴上，最后在刀尖处形成超声椭圆振动。由于两组超声波换能器都垂直于传动轴并保持一定夹角，刀尖所产生的超声椭圆振动轨迹始终产生于垂直于传动轴的平面上，对于旋转加工的铣削或锯削等的加工效率具有明显的改善作用。

有益效果：

(1)发明提供了一种超声换能器固定装置，可实现垂直于传动轴平面上的超声椭圆振动，对于旋转加工的铣削或锯削等的加工效率具有很大的改善作用；

(2)凭借新设计的固定结构与定位结构，本发明所用的超声波换能器可保持相对于机床的静止状态，无需考虑安装导电滑环等适用于旋转传输电信号的装置，可以极大地简化整体结构，增加使用寿命；

(3)本发明的固定结构与定位结构可视为标准模块，可根据实际需求情况增加或减少模块数量来加强超声波振动程度或改变超声波振动轨迹类型。

附图说明

图1为本发明的固定装置整体结构示意图；

图2为超声换能器的爆炸示意图；

图3为固定结构的结构示意图；

图4为固定装置A和固定装置B的结构示意图；

图5为固定结构的爆炸示意图；

图6为定位结构的结构示意图；

其中，1-超声换能器，2-固定结构，2.1-固定装置A，2.1.1-中空圆柱体y1，2.1.2-圆柱体y2，2.2-固定装置B，2.2.1-中空圆柱体y3，2.2.1.1-中空圆柱体y31，2.2.1.2-中空圆柱体y32，2.2.2-中空圆柱体y4，2.2.3-法兰安装板f1，2.2.4-法兰安装板f2，3-定位结构，3.1-定位装置a，3.1.1-法兰安装板f31，3.2-定位装置b，3.2.1-法兰安装板f32，3.2.2-圆柱体y5，3.2.3-法兰安装板f4，4-承力螺栓，5-前盖板，6-电极片，7-压电陶瓷，8-绝缘套筒，9-轴套t1，10-轴套t2，11-轴承c1，12-轴承c2，13-轴承c3。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，一种超声换能器固定装置，包括两组固定结构2和两组定位结构3；

固定结构2整体选用45号钢材质，如图2～5所示，每组固定结构2包括固定装置A2.1和固定装置B 2.2，固定装置A 2.1以间隙配合安装在固定装置B 2.2中；固定装置A 2.1由一中空圆柱体y1 2.1.1和一圆柱体y2 2.1.2构成，中空圆柱体y1 2.1.1的轴向与圆柱体y2 2.1.2的轴向相互垂直，圆柱体y2 2.1.2的一端面与中空圆柱体y1 2.1.1的侧面通过一锥形块连接，圆柱体y2 2.1.2的另一端面加工有用于安装超声换能器1的螺纹孔；超声换能器1包括承力螺栓4(螺栓钢材质)、前盖板5(YL12材质)、由5个电极片6(铍青铜材质)和4个压电陶瓷7(PZT8材质)交替放置构成的压电陶瓷组以及绝缘套筒8(树脂材质)，承力螺栓4自上而下依次穿过前盖板5和压电陶瓷组，并与固定装置A 2.1中圆柱体y2 2.1.2上的螺纹孔连接，绝缘套筒8套在承力螺栓4上，将承力螺栓4与压电陶瓷组隔开；安装在两个固定装置A 2.1上的两组超声换能器1之间安装时呈90～180°的角度(为了可在垂直于传动轴的平面上实现超声椭圆振动，两组超声换能器1之间优选形成120°的角度)；中空圆柱体y12.1.1中安装有3个大小与材质均相同的轴承(轴承钢)，且轴承的内圈与传动轴直径相等，轴承的外圈与中空圆柱体y1 2.1.1紧密贴合；中空圆柱体y1 2.1.1中还安装有两个轴套t19和两个轴套t2 10，轴套与轴承的安装顺序从左到右依次为轴套t1 9、轴承c1 11、轴套t210、轴承c2 12、轴套t2 10、轴承c3 13、轴套t1 9；在轴套t1 9与传动轴之间安装橡胶O形圈；为了便于实地安装，固定装置B沿其对称轴剖开分为两个相同的部分，固定装置B 2.2整体由中空圆柱体y3 2.2.1和中空圆柱体y4 2.2.2构成，中空圆柱体y3 2.2.1的轴向与中空圆柱体y4 2.2.2的轴向相互垂直，中空圆柱体y4 2.2.2的一端面与中空圆柱体y3 2.2.1的侧面相连，且中空圆柱体y4 2.2.2的内径与圆柱体y2 2.1.2的直径相等；中空圆柱体y32.2.1与中空圆柱体y1 2.1.1截面大小相同；中空圆柱体y3 2.2.1在其中部截断，分为中空圆柱体y31 2.2.1.1和中空圆柱体y32 2.2.1.2，中空圆柱体y31 2.2.1.1和中空圆柱体y322.2.1.2之间具有空隙，且空隙的宽度与中空圆柱体y1 2.1.1的高相等；中空圆柱体y312.2.1.1和中空圆柱体y32 2.2.1.2通过中空圆柱体y4 2.2.2焊接相连；在中空圆柱体y32.2.1的两端面分别设置有法兰安装板f1 2.2.3与法兰安装板f2 2.2.4；两组固定结构2中的法兰安装板f1 2.2.3用螺栓结构相连，构成法兰结构I；

定位结构3整体选择45号钢材质，如图6所示，每组定位结构3包括定位装置a 3.1和定位装置b 3.2；定位装置a 3.1为半个法兰安装板f31 3.1.1，定位装置b 3.2由依次相连的半个法兰安装板f32 3.2.1、一个圆柱体y5 3.2.2和一个法兰安装板f4 3.2.3构成；圆柱体y5 3.2.2与半个法兰安装板f32 3.2.1相连的一端做倒角处理；半个法兰安装板f313.1.1与半个法兰安装板f32 3.2.1组合成法兰安装板f3；两组固定结构2中的法兰安装板f2 2.2.4分别与两组定位结构3中的法兰安装板f3用螺栓结构相连，构成法兰结构II；两组定位结构3之间安装时呈90～180°的角度(优选为形成120°的角度)。

实际使用时，固定装置A穿过传动轴，固定装置B从传动轴的两侧贴合安装，并保证固定装置A的圆柱体y2安装在中空圆柱体y4中，固定装置B两端面设置有法兰安装板，由固定装置A和固定装置B组成的固定结构依靠轴承与传动轴连接，依靠法兰结构与定位结构连接。定位结构由定位装置a与定位装置b组成，在头部和尾部分别设置有法兰安装板，一端与固定结构相连，一端与机床或地面等静止结构相连，从而让静止结构-定位结构-固定结构-超声波换能器保持同一静止状态。而在固定装置与传动轴的轴承连接部分，由于轴承内圈与外圈的运动分离特性，轴承内圈仍然跟随传动轴转动，轴承外圈则跟随固定结构保持静止，从而实现了固定装置与传动轴的动连接。超声波换能器产生的超声波振动，依次经过固定装置A、轴承后传递给传动轴，凭借传动轴的振动在刀尖实现超声振动。当固定结构和定位结构的数量均为两个时，两个固定结构之间通过法兰结构连接，并依靠调整法兰结构的安装方式来改变两个换能器之间形成的角度，由两个换能器共同产生超声椭圆振动，通过轴承传递到传动轴上，最后在刀尖处形成超声椭圆振动，并可根据安装时的角度变化来改变超声椭圆振动的运动轨迹。