主轴单元及数控机床

技术领域

本发明涉及主轴技术领域，尤其涉及一种主轴单元及数控机床。

背景技术

现有技术中，超声波主轴单元通常包括可转动的轴芯、刀柄、超声换能器，刀柄安装在轴芯的前端，刀柄内部设置有超声换能器，刀具则安装在刀柄上，超声换能器向刀柄输出超声波，从而使刀柄上的刀具在超声波的作用下振动，进而使刀具能够对工件进行超声加工。超声波主轴单元的还包括供电模组和电连接组件，供电模组通过电连接组件与超声换能器电连接，从而实现供电模组对超声换能器的供电。

然而，超声波主轴单元的电连接组件大多是直接外露的，刀具对工件进行的过程中，切削液、工件的碎屑等会与电连接组件接触，从而影响了供电模组和超声换能器之间的电连接的稳定性，以及影响电连接组件的使用寿命。现有技术中，某些超声波主轴单元的电连接组件是不外露的，但是其电连接组件的位置选择不佳，容易导致超声波主轴单元的机加精度下降。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种主轴单元，该主轴单元的电连接结构(第一导电件和第二导电件)位于轴芯的内部，并且主轴单元对工件的加工精度较高。

本发明还提出一种数控机床。

根据本发明的第一方面实施例的主轴单元，包括：本体；轴芯，可转动地穿设在所述本体的内部；供电模组，安装在所述本体的内部，所述供电模组用于与超声电源电连接；超声刀柄，包括刀柄主体和超声换能器，所述超声换能器位于所述刀柄主体的内部，所述超声换能器用于向所述刀柄主体输出超声波；第一导电件，设置在所述轴芯的内部，所述第一导电件与所述供电模组电连接；第二导电件，与所述超声换能器电连接，所述第二导电件连接于所述刀柄主体，并且所述第二导电件从所述刀柄主体的后端面露出；当所述主轴单元处于超声加工状态，所述刀柄主体的后端插接于所述轴芯的前端的内部，所述第一导电件位于所述刀柄主体的后方，所述第二导电件与所述第一导电件相互抵接并导通。

根据本发明第一方面实施例的主轴单元，至少具有如下有益效果：

本发明的主轴单元的第一导电件和第二导电件未设置在本体和超声刀柄的外部，第一导电件和第二导电件不外露。因此，切削液、工件的碎屑等物质与第一导电件和第二导电件接触的风险较低，供电模组和超声换能器之间的电连接的稳定性较高，第一导电件和第二导电件的使用寿命较长。

此外，现有技术中，某些主轴的电连接组件也是不外露的，但是其电连接组件设置在刀柄的锥面以及轴芯的锥孔的壁面。但是，设置在这些位置的电连接组件会导致刀柄的锥面与轴芯的锥孔的壁面之间的贴合面积减小，从而导致主轴的拉杆对刀柄的拉刀力下降(拉杆无法将刀柄和轴芯相互拉紧)以及导致轴芯与刀柄的接触面刚度下降，进而降低对工件的加工精度和加工效果。本发明通过将第二导电件设置在刀柄主体的后端面处以及将第一导电件设置在与刀柄主体的后端面的后方，克服了现有技术中将电连接结构设置在刀柄的锥面和轴芯的锥孔的孔壁上的缺点，从而降低超声刀柄松动的风险，提高了主轴单元的加工精度和加工效果。

根据本发明的一些实施例，所述主轴单元还包括非超声刀柄和转接套，所述主轴单元还具有普通加工状态，其中，当所述主轴单元处于所述普通加工状态，所述转接套套设在所述非超声刀柄的外部，所述非超声刀柄通过所述转接套连接于所述轴芯的前端，所述超声刀柄与所述轴芯相互分离；当所述主轴单元处于所述超声加工状态，所述非超声刀柄和所述转接套均与所述轴芯相互分离。

根据本发明的一些实施例，所述主轴单元还包括非超声刀柄和转接套，所述主轴单元还具有普通加工状态，其中，当所述主轴单元处于所述普通加工状态，所述转接套套设在所述非超声刀柄的外部，所述非超声刀柄通过所述转接套连接于所述轴芯的前端，所述超声刀柄与所述轴芯相互分离；当所述主轴单元处于所述超声加工状态，所述非超声刀柄和所述转接套均与所述轴芯相互分离。

根据本发明的一些实施例，所述转接套包括筒状部，所述筒状部具有两端贯通的安装孔；当所述主轴单元处于所述普通加工状态，所述非超声刀柄的后端设置于所述安装孔中，所述转接套与所述轴芯的前端插接，在所述轴芯的径向上，所述转接套被夹在所述轴芯的内表面与所述非超声刀柄的外表面之间。

根据本发明的一些实施例，所述安装孔的孔壁为内锥面，所述筒状部的外周面为外锥面，所述内锥面从前往后逐渐向所述筒状部的中轴线收拢，所述外锥面从前往后逐渐向所述筒状部的中轴线收拢。

根据本发明的一些实施例，所述转接套还包括外凸台部，所述外凸台部连接于所述筒状部的外周面，所述外凸台部相对于所述筒状部的外周面凸出；所述轴芯设有第一限位槽，当所述主轴单元处于所述普通加工状态，所述外凸台部设置于所述第一限位槽中。

根据本发明的一些实施例，所述转接套还包括内凸台部，所述内凸台部连接于所述安装孔的孔壁，所述内凸台相对于所述安装孔的孔壁凸出；所述非超声刀柄设有第二限位槽，当所述主轴单元处于所述普通加工状态，所述内凸台部设置于所述第二限位槽中。

根据本发明的一些实施例，当所述主轴单元处于所述普通加工状态，所述第一导电件与所述非超声刀柄间隔设置。

根据本发明的一些实施例，所述第一导电件包括第一固定部、第一活动部和第一弹性部，所述第一固定部或所述第一活动部与所述供电模组电连接，所述第一活动部与所述第一固定部活动连接，所述第一弹性部的两端分别与所述第一固定部和所述第一活动部连接，当所述主轴单元处于所述超声加工状态，所述第一弹性部的弹力用于使所述第一活动部与所述第二导电件保持抵接；和/或，所述第二导电件包括第二固定部、第二活动部和第二弹性部，所述第二固定部或所述第二活动部与所述超声换能器电连接，所述第二活动部与所述第二固定部活动连接，所述第二弹性部的两端分别与所述第二固定部和所述第二活动部连接，当所述主轴单元处于所述超声加工状态，所述第二弹性部的弹力用于使所述第二活动部与所述第一导电件保持抵接。

根据本发明的一些实施例，所述主轴单元还包括：第一绝缘块，设有两端贯通的第一通道，所述第一绝缘块设置于所述轴芯的内部，所述第一导电件设置在所述第一通道中；第二绝缘块，设有两端贯通的第二通道，所述第二绝缘块设置于所述刀柄主体的内部，所述第二导电件设置在所述第二通道中。

根据本发明的第二方面实施例的数控机床，包括如第一方面实施例所述的主轴单元。

根据本发明第二方面实施例的数控机床，至少具有如下有益效果：该数控机床对工件的加工精度较高，对工件的加工效果较好。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明第一实施例的主轴单元的前端的示意图(主轴单元处于超声加工状态)；

图2为本发明第一实施例的主轴单元的中后段的示意图；

图3为图1中第一导电件和第二导电件的配合处的放大示意图；

图4为本发明第一实施例的主轴单元的部分结构的爆炸图；

图5为本发明第二实施例中第一导电件和第二导电件的配合关系示意图；

图6为本发明第一实施例中处于普通加工状态的主轴单元的示意图；

图7为图6中的转接套的示意图；

图8为图7中的转接套的剖视图；

图9为图6中的非超声刀柄的后端的示意图；

图10为本发明第一实施例中拉爪组件与超声刀柄的配合关系示意图；

图11为本发明第一实施例中拉爪组件与非超声刀柄的配合关系示意图。

附图标记：

100-主轴单元，101-轴芯，102-拉杆，103-供电模组，104-受电磁芯，105-受电线圈，106-供电线圈，107-供电磁芯，108-第二导线，109-前轴承，110-第一导电件，111-前轴承座，112-第二导电件，113-第一导线，114-超声刀柄，115-超声换能器，116-刀柄主体，117-本体，118-超声电源，119-第三导线，120-非超声刀柄，121-转接套，122-后轴承座，123-后轴承，124-第一锥面，125-第二锥面；

201-第一通道，202-第一固定部，203-第一弹性部，204-第一活动部，205-第一绝缘块，206-第二绝缘块，207-第二通道，208-安装槽，209-第二限位槽，210-第二固定部，211-第二弹性部，212-第二活动部；

301-筒状部，302-安装孔，303-内凸台部，304-外凸台部，305-外锥面，306-内锥面；

401-尾座，402-爪片，403-爪头，404-弹性元件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

图1和图2示出了本发明第一实施例的主轴单元100，主轴单元100包括本体117、轴芯101、供电模组103、超声刀柄114、第一导电件110和第二导电件112。

如图1所示，轴芯101和供电模组103均设置在本体117的内部。主轴单元100还包括前轴承座111和前轴承109，前轴承座111安装在本体117的内部并位于本体117的前端，前轴承109安装在前轴承座111内，前轴承109套设在轴芯101的外部。如图2所示，主轴单元100还包括后轴承座122和后轴承123，后轴承座122安装在本体117的内部并位于本体117的后端，后轴承123安装在后轴承座122内，后轴承123套设在轴芯101的外部。因此，轴芯101可以相对于本体117转动。

如图1所示，超声刀柄114包括刀柄主体116和超声换能器115，超声换能器115位于刀柄主体116的内部。刀柄主体116的前端用于安装刀具(刀具未示出)，超声换能器115用于向刀柄主体116输出超声波，从而使安装在刀柄主体116上的刀具在超声波的作用下振动。第二导电件112与超声换能器115电连接，更具体地，超声刀柄114还包括第一导线113，本实施例中第二导电件112与超声换能器115通过第一导线113连接。第二导电件112与刀柄主体116连接，并且第二导电件112从刀柄主体116的后端面露出。

需要说明的是，“第二导电件112从刀柄主体116的后端面露出”是指，当使用者从后往前观察刀柄主体116的后端面时(或者说，当使用者正视刀柄主体116的后端面时)，使用者能够看到第二导电件112。例如，第二导电件112的后端面可以与刀柄主体116的后端面齐平(如图3所示)；或者，第二导电件112的一部分相对于刀柄主体116的后端面向后凸出；又或者，第二导电件112的后端面位于刀柄主体116的后端面的前方，但第一导电件110可以伸入刀柄主体116用于安装第二导电件112的孔中，并与第二导电件112接触。

如图1所示，第一导电件110设置在轴芯101的内部，第一导电件110与供电模组103电连接。参照图1，供电模组103包括供电线圈106、供电磁芯107、受电线圈105和受电磁芯104，供电线圈106和供电磁芯107嵌套，受电线圈105和受电磁芯104嵌套。主轴单元100还包括第二导线108和第三导线119，如图1所示，第一导电件110与受电线圈105通过第二导线108连接；如图2所示，超声电源118与供电线圈106通过第三导线119连接。供电线圈106和受电线圈105磁耦合，当供电线圈106中的电流产生变化时，供电线圈106会产生一交变磁场，该交变磁场会导致受电线圈105中产生感应电动势，该感应电动势便可以用于为超声换能器115供电。也即，超声换能器115通过供电模组103间接地向超声换能器115供电。

主轴单元100具有超声加工状态。如图1所示，当主轴单元100处于超声加工状态时，刀柄主体116的后端插接于轴芯101的前端的内部，轴芯101的第一锥面124和刀柄主体116的第二锥面125抵紧，第二导电件112与第一导电件110相互抵接并导通，第一导电件110位于刀柄主体116的后方。此状态下，超声换能器115能够输出超声波，主轴单元100能够对工件进行超声加工。

主轴单元100还包括拉杆102、弹性元件404和拉爪组件。如图1所示，拉杆102穿设在轴芯101的内部；如图2所示，弹性元件404套在拉杆102的外部并且位于轴芯101的内部。拉爪组件(图1未示出)可以与拉杆102的前端连接，并且拉爪组件伸入刀柄主体116的内部并与刀柄主体116连接。弹性元件404的弹力用于驱动拉杆102向后运动，在该弹力作用下拉杆102通过拉爪组件将刀柄主体116向后拉紧，从而使第一锥面124和第二锥面125抵紧，防止在主轴单元100的工作过程中刀柄主体116相对于轴芯101松动。

拉爪组件的结构如图10所示，拉爪组件包括尾座401、爪头403和多个爪片402。尾座401与轴芯101连接，拉杆102穿过尾座401并与爪头403连接，爪头403能够与拉杆102同步移动。爪片402的后端与尾座401的前端连接，在图10所示的状态下，爪片402套设在爪头403的外部，爪头403的前端抵住爪片402的内周面，从而让爪片402张开。张开的爪片402可以勾住超声刀柄114的刀柄主体116的内表面，如此一来，拉杆102便可以通过拉爪组件将超声刀柄114向后拉紧。

如图1所示，本发明的主轴单元100的第一导电件110和第二导电件112未设置在本体117和超声刀柄114的外部，第一导电件110和第二导电件112不外露。因此，切削液、工件的碎屑等物质与第一导电件110和第二导电件112接触的风险较低，供电模组103和超声换能器115之间的电连接的稳定性较高，第一导电件110和第二导电件112的使用寿命较长。

此外，现有技术中，某些主轴的电连接组件也是不外露的，但是其电连接组件设置在刀柄的锥面以及轴芯101前端的锥孔的孔壁处。但是设置在这些位置的电连接组件会导致刀柄的锥面与轴芯101的锥孔的壁面之间的贴合面积减小，从而导致主轴的拉杆102对刀柄的拉刀力下降以及导致轴芯101与刀柄的接触面刚度下降，进而降低对工件的加工精度和加工效果。

本发明通过将第二导电件112设置在刀柄主体的后端面处以及将第一导电件110设置在与刀柄主体的后端面的后方，克服了现有技术中将电连接结构设置在刀柄的锥面和轴芯101的锥孔的孔壁上的缺点，从而提高了主轴单元100的加工精度和加工效果。

下面对第一导电件110和第二导电件112的结构进行说明。如图3所示，第二导电件112呈柱状，第一导电件110包括第一固定部202、第一活动部204和第一弹性部203。第二导电件112、第一固定部202和第一活动部204均为导体，例如，这三者均由铜制成。第一弹性部203可以设置为弹簧。如图3所示，第一固定部202呈圆筒状，第一弹性部203设置在第一固定部202的内部，第一活动部204的后端设置在第一固定部202的内部，第一活动部204的前端设置在第一固定部202的外部。第一活动部204与第一固定部202相互接触并导通，第一活动部204能够相对于第一固定部202活动(前后移动)。第一弹性部203的两端分别与第一活动部204、第一固定部202连接。如图3所示，当主轴单元100处于超声加工状态时，第一弹性部203处于压缩状态，第一弹性部203的弹力用于推动第一活动部204向前运动，从而使第一活动部204与第二导电件112保持抵接。请结合图1和图3，第一实施例中，供电模组103的受电线圈105通过第二导线108与第一固定部202连接，从而实现供电模组103与第一固定部202之间的电连接。在另一些实施例中，受电线圈105也可以通过第二导线108与第一活动部204连接，从而实现供电模组103与第一活动部204之间的电连接。

在第一弹性部203的弹力作用下，第一导电件110和第二导电件112能够保持抵接，这有利于提高供电模组103和超声电源118之间的电连接的稳定性。此外，在主轴单元100的运行过程中，在主轴单元100转动和振动时，第一活动部204能够适应性地相对于第一固定部202伸缩，这有利于防止第一活动部204与第二导电件112之间发生剧烈的碰撞，减少第一导电件110和第二导电件112的磨损，提高第一导电件110和第二导电件112的使用寿命。

第二导电件112也可以设置为具有弹性元件的一个组件。图5示出了本发明第二实施例的主轴单元100的第一导电件110和第二导电件112。如图5所示，第一导电件110呈柱状，第二导电件112包括第二固定部210、第二活动部212和第二弹性部211。第二固定部210、第二活动部212和第一导电件110均为导体。第二活动部212与第二固定部210活动连接，两者相互接触并导通。第二弹性部211的两端分别与第二活动部212和第二固定部210连接，超声换能器115通过第一导线113与第二固定部210电连接。在另一些实施例中，超声换能器115也可以通过第一导线113与第二活动部212电连接。当主轴单元100处于超声加工状态时，第二弹性部211的弹力用于使第二活动部212与第二导电件112保持抵接。

图5所示的第二导电件112同样能够提高供电模组103和超声电源118之间的电连接的稳定性，以及减少第一导电件110和第二导电件112的磨损。此外，在另一些实施例中，主轴单元100可以同时具有如图5所示的第二导电件112以及如图3所示的第一导电件110。

如图3所示，主轴单元100还包括第一绝缘块205和第二绝缘块206。第一绝缘块205设有两端贯通的第一通道201，第一绝缘块205设置于轴芯101的内部，第一导电件110设置在第一通道201中。第二绝缘块206设有两端贯通的第二通道207，第二绝缘块206设置于刀柄主体116的内部，第二导电件112设置在第二通道207中。如图4所示，刀柄主体116设有安装槽208，第二绝缘块206容纳于安装槽208中。刀柄主体116和轴芯101一般为金属材质，第二绝缘块206用于将第一导电件110和刀柄主体116分隔开来，第一绝缘块205用于将第二导电件112和轴芯101分隔开来，以防止刀柄主体116和轴芯101带电。因此，设置第一绝缘块205和第二绝缘块206有利于提高主轴单元100运行时的安全性。

在一些实施例中，主轴单元100还可以包括非超声刀柄120和转接套121，非超声刀柄120不具有超声换能器115，主轴单元100还具有普通加工状态。图6示出了第一实施例的主轴单元100处于普通加工状态时的结构。如图6所示，当主轴单元100处于普通加工状态时，转接套121套设在非超声刀柄120的外部，非超声刀柄120通过转接套121连接在轴芯101的前端，并且此时超声刀柄114与轴芯101相互分离(即超声刀柄114不安装在轴芯101上)，第二导电件112也随超声刀柄114一同从轴芯101上拆下来。非超声刀柄120同样与拉爪组件连接，如图11所示，当主轴单元100处于普通加工状态时，张开的爪片402勾住非超声刀柄120的内表面。而当主轴单元100处于超声加工状态时(即图1所示状态)，非超声刀柄120和转接套121都与轴芯101相互分离，非超声刀柄120和转接套121都不安装在轴芯101上。

第一实施例的轴芯101的前端能够安装超声刀柄114和非超声刀柄120，轴芯101和本体117能够兼容两种不同的刀柄。第一实施例的主轴单元100具有两种不同的运行模式，当主轴单元100处于超声加工状态时，主轴单元100可以对工件进行超声加工；当主轴单元100处于普通加工状态时，主轴单元100对工件进行普通的加工(切削、钻孔、铣等)，并且加工过程中非超声刀柄120和安装在非超声刀柄120前端的刀具没有接受到超声波。超声刀柄114和非超声刀柄120的形状和尺寸不同，为了使非超声刀柄120也能够安装在轴芯101的前端，本实施例设置了转接套121，非超声刀柄120通过转接套121与轴芯101连接。需要说明的是，由于普通加工不需要超声波，当主轴单元100处于普通加工状态时，超声电源118不对供电模组103进行供电。

如图6所示，当主轴单元100处于普通加工状态时，非超声刀柄120与第一导电件110间隔设置。在另一些实施例中，当主轴单元100处于普通加工状态时，非超声刀柄120与第一导电件110也可以是相互抵接的。相对来说，非超声刀柄120与第一导电件110间隔设置，有利于减少第一导电件110在主轴单元100处于普通加工状态时的磨损，从而提高第一导电件110的使用寿命。

如图7和图8所示，转接套121包括筒状部301，筒状部301具有两端贯通的安装孔302。请结合图6至图8，当主轴单元100处于普通加工状态时，非超声刀柄120的后端设置于安装孔302中，转接套121与轴芯101的前端插接，在轴芯101的径向上，转接套121被夹在轴芯101的内表面与非超声刀柄120的外表面之间。非超声刀柄120的后端的径向厚度比超声刀柄114的刀柄主体116的后端的径向厚度小，转接套121可以填充非超声刀柄120与轴芯101之间的间隙，以便非超声刀柄120与轴芯101连接。

如图8所示，安装孔302的孔壁为内锥面306，筒状部301的外周面为外锥面305，内锥面306从前往后逐渐向筒状部301的中轴线收拢，外锥面305从前往后逐渐向筒状部301的中轴线收拢。如图6所示，内锥面306与非超声刀柄120后端的锥面相互接触、压紧，外锥面305与轴芯101的锥面(第一锥面124)相互接触、压紧，从而保证了非超声刀柄120与轴芯101之间的连接稳定性。

如图7所示，转接套121还包括外凸台部304，外凸台部304连接于筒状部301的外周面，并且外凸台部304相对于筒状部301的外周面凸出。轴芯101设有第一限位槽，第一限位槽未在附图中示出，第一限位槽可以开设在轴芯101的第一锥面124上。当主轴单元100处于普通加工状态时，外凸台部304设置在第一限位槽中。第一限位槽与外凸台部304之间的配合能够实现转接套121与轴芯101组装时的定位，方便转接套121与轴芯101之间的组装。此外，外凸台部304设置在第一限位槽中还能够使轴芯101和转接套121能够同步转动。

如图7所示，转接套121还包括内凸台部303，内凸台部303连接在安装孔302的孔壁，内凸台相对于安装孔302的孔壁凸出(沿靠近筒状部301的中轴线的方向凸出)。如图9所示，非超声刀柄120设有第二限位槽209。当主轴单元100处于普通加工状态，内凸台部303设置于第二限位槽209中。第二限位槽209与内凸台部303之间的配合能够实现转接套121与非超声刀柄120组装时的定位，方便转接套121与非超声刀柄120之间的组装。此外，内凸台部303设置在第二限位槽209中还能够使非超声刀柄120和转接套121能够同步转动。又由于外凸台部304与第一限位槽相互配合，轴芯101转动时，非超声刀柄120也会同步转动。

上述任一实施例中的超声波主轴单元100可以应用在数控机床上。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。