[发明专利]超磁致伸缩旋转超声振动刀柄

说明书

技术领域

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

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。

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。

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：

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。

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

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。

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：

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。

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。

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；

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；

利用压块施加预应力，减少碟簧等零部件，使得结构紧凑；

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

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；

图2本发明的非接触电能传输实施例结构示意图；

图3本发明的超磁致伸缩换能器实施例结构示意图；其中，

图3(a)为超磁致伸缩换能器实施例结构剖示图，

图3(b)为3(a)的俯视图；

图4本发明的封闭磁路实施例结构示意图；其中，

图4(a)为封闭磁路实施例结构剖示图，

图4(b)为4(a)的俯视图；

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