一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及機械領域，具體地涉及一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭，包括超聲振動部分，還包括刀柄和刀桿，所述刀柄固連有內套，內套固連有變幅桿，變幅桿底端設有刀桿，刀桿上安裝有電極，刀柄、變幅桿、刀桿的軸線重合，內套外部設有外套，外套延伸至變幅桿中段，外套與變幅桿之間形成有空腔Ⅲ，空腔Ⅲ的端部設有機械水封，變幅桿內部設有放電介質流通通道。本實用新型具有同軸度高、旋轉速度高、結構簡單的優點。
【專利說明】一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及機械領域，具體地涉及一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工 具頭。
【背景技術】
[0002] 超聲振動本質上是一種小位移、高頻率，通常是幾微米到幾百微米、20KHz以上的 機械振動，因其具有空化、懸浮、反射、折射、傳遞能量與信號等特性受到廣泛應用。在電火 花加工領域，給工件或者工具疊加超聲振動進行電火花加工在微細電火花加工領域方面已 經取得了較好的效果，證明了超聲振動，有助于提升微細電火花加工的放電頻率，改善放電 條件，促進電蝕產物的排出，最終提升了加工效果與效率；在普通電火花加工方面，超聲振 動由于位移較小，對充放電產生的拉弧作用不大，但在提升表面粗糙度、改善電蝕產物的排 出等方面具有積極的影響。
[0003] 另一方面，電火花銑削加工技術是20世紀90年代出現的新型成形電火花加工技 術。這一加工技術所使用的工具電極通常為簡單棒狀或管狀，工具電極在控制系統的作用 下相對工件做成形運動，可以加工出所需形狀的工件。電火花銑削加工技術可以實現傳統 成形電火花加工的目的，節省了成形工具電極設計和制造的時間與成本，是一種加工柔性 極高的電火花加工技術。
[0004] 為了進一步提升電火花銑削加工技術的效果與速度，超聲輔助電火花銑削加工技 術被提出和研究，但適宜超聲輔助電火花銑削、帶有內沖液功能的主軸頭一直未能商品化。 山東大學蘇樹朋在其博士學位論文《基于氣體介質的電火花銑削加工技術及機理研究》中 公開了一種超聲輔助電火花銑削主軸頭，如附圖5所示，包括主軸支撐系統、工具電極旋轉 系統、超聲振動裝置和介質輸入系統，其中主軸支撐系統主要由內主軸17、外主軸18、角接 觸軸承A12和角接觸軸承B19組成；工具電極旋轉系統主要由內主軸17經同步帶輪20通 過同步帶與直流調速電極連接，實現主軸的高速旋轉；超聲振動裝置主要由壓電陶瓷換能 器10、變幅桿5、前配塊7和后配塊11組成；介質輸入系統主要由介質輸入管1、管接頭2、 套筒6和0形密封圈3組成。該超聲輔助電火花銑削主軸頭可以實現電極的通液、通氣，但 是存在以下問題：一是，超聲變幅桿僅依靠法蘭盤定位，同軸度難以保證；二是，變幅桿側 面與中心開孔，通過上下兩個橡膠密封圈插入一個空腔，空腔靜止而變幅桿轉動，空腔中通 入壓力氣體或液體流經變幅桿的側面與中心孔，最終從工具電極中流出，橡膠圈對變幅桿 的摩擦阻力大，導致整個系統轉速較低；三是，工具電極通過螺紋連接在變幅桿底端，需要 專門制備工具電極。
【發明內容】
[0005] 本實用新型的目的在于解決上述技術問題，提供一種同軸度高、旋轉速度高、結構 簡單的通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭。
[0006] 本實用新型的技術方案是：一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭，包括 超聲振動部分，還包括刀柄和刀桿，所述刀柄固連有內套，內套固連有變幅桿，變幅桿底端 設有刀桿，刀桿上安裝有電極，刀柄、變幅桿、刀桿的軸線重合，內套外部設有外套，外套延 伸至變幅桿中段，外套與變幅桿之間形成有空腔III，空腔III的端部設有機械水封，變幅桿內 部設有放電介質流通通道。
[0007] 通過在變幅桿的前端設置刀柄和內套，在變幅桿的底端設置刀桿，并使刀柄、變幅 桿和刀桿的軸線重合，即使變幅桿的旋轉中心與刀柄和刀桿的中心重合，同軸度高；在外 套與變幅桿之間設置空腔III并在空腔III的端部設置機械水封，能夠降低對變幅桿的摩擦阻 力，提高變幅桿的旋轉速度；同時，在變幅桿內部設置有放電介質流通通道，能夠實現電極 的通液。
[0008] 優選地，所述刀桿上設有安裝孔，安裝孔內設有防漏橡膠圈，電極通過夾頭和壓帽 固定在安裝孔內，變幅桿中段內部設有水平方向的通孔，通孔中部與延伸至安裝孔的盲孔 相通，所述通孔和盲孔組成放電介質流通通道。
[0009] 優選地，所述機械水封是陶瓷石墨機械水封，陶瓷石墨機械水封包括設有橡膠內 套的石墨部分和設有碳化硅的陶瓷部分，石墨部分分別設在變幅桿頂部和變幅桿3/4超聲 波波長位置處，陶瓷部分分別設在空腔III的上端部和下端部。
[0010] 優選地，所述超聲振動部分包括后配塊、換能器和變幅桿，后配塊和換能器設在內 套內部的空腔內，后配塊、換能器和變幅桿通過螺栓固連，內套外表面設有導電環，導電環 通過導線與換能器和變幅桿相連，外套上設有碳刷，碳刷與導電環相連。
[0011] 更進一步地，所述后配塊的長度是超聲波波長的1/4,變幅桿的長度是超聲波半波 長的整數倍。
[0012] 優選地，所述外套外側四個不同位置處分別設有碳刷，每個位置處設置碳刷的數 量是三組，碳刷與超聲電路和電火花電路連接，碳刷內部設有高導電率石墨，碳刷外部設有 絕緣殼體。
[0013] 更進一步地，所述換能器是壓電陶瓷換能器，壓電陶瓷共有六片，其中四片通過導 線與導電環相連。
[0014] 優選地，所述內套由聚碳酸酯塑料制成，外套由鋁合金制成，外套內部設有堅向階 梯孔，階梯孔上部與內套上部形成空腔I，空腔I內設有軸承，階梯孔中部與內套下部及變 幅桿上部形成空腔II，階梯孔下部與變幅桿中段形成空腔III，外套外側設有快速接頭，快速 接頭連接有軟管，放電介質通過軟管進入空腔III。
[0015] 優選地，所述外套外側設有連接孔，連接孔上設有固定板，固定板設在機床主軸 上。
[0016] 優選地，所述刀柄是莫氏刀柄BT40或BT50,刀桿是ER11、ER16、ER20、ER25*ER32 中的一種。
[0017] 本實用新型的有益效果是：通過使刀柄、變幅桿和刀桿的軸線重合，可使整個工具 頭的同軸度高；通過在外套與變幅桿之間設置空腔III并在空腔III的端部設置機械水封，在 提高變幅桿旋轉速度的同時，還能夠減少對超聲傳遞的影響；此外，本實用新型的通用型 超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭可以通過通用夾具裝夾在電火花加工機床主軸或一般 數控銑床主軸上，實現超聲輔助下的內沖液式電火花放電銑削加工，具有通用性強、結構簡 單，成本低廉的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1是本實用新型的外部結構示意圖。
[0019] 圖2是本實用新型的剖視結構示意圖。
[0020] 圖3是本實用新型的安裝結構示意圖。
[0021] 圖4是本實用新型的安裝局部放大示意圖。
[0022] 圖5是現有技術的結構示意圖。
[0023] 圖中，1、刀柄，2、內套，3、外套，4、碳刷，5、快速接頭，6、機械水封，7、刀桿，8、軸承， 9、變幅桿，10、導電環，11、防漏橡膠圈，12、六角定位螺母，13、導線，14、固定板，15、電極， 16、空腔III，17、空腔II，18、空腔I，19、安裝孔，20、換能器，21、后配塊，22、放電介質流通通 道。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖對本實用新型的技術方案進行詳細描述。
[0025] 如圖1至圖4所示，本實用新型的一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭， 包括超聲振動部分，還包括刀柄1和刀桿7,刀柄1固連有內套2,內套2固連有變幅桿9,變 幅桿9底端設有刀桿7,刀桿7上安裝有電極15,刀柄1、變幅桿9、刀桿7的軸線重合，內套 2外部設有外套3,外套3延伸至變幅桿9中段，外套3與變幅桿9之間形成有空腔III16,空 腔III16的端部設有機械水封6,變幅桿9內部設有放電介質流通通道22。
[0026] 通過在變幅桿的前端設置刀柄和內套，在變幅桿的底端設置刀桿，并使刀柄、變幅 桿和刀桿的軸線重合，即使變幅桿的旋轉中心與刀柄和刀桿的中心重合，同軸度高；在外 套與變幅桿之間設置空腔III并在空腔III的端部設置機械水封，能夠降低對變幅桿的摩擦阻 力，提高變幅桿的旋轉速度；同時，在變幅桿內部設置有放電介質流通通道，能夠實現電極 的通液。
[0027] 本實用新型的實施例中，為了方便電極的安裝，在刀桿7上設有安裝孔19,并在安 裝孔19內設有防漏橡膠圈11，電極15通過夾頭和壓帽固定在安裝孔19內，安裝方便可靠； 此外，變幅桿9中段內部水平方向加工有通孔，通孔中部有到安裝孔19的盲孔，通孔和盲孔 組成了放電介質進出變幅桿9的通路。
[0028] 具體地，刀柄1為不銹鋼制造，尺寸標準采用莫氏刀柄BT40或BT50,以獲得最廣泛 的應用范圍，刀柄1通過底部法蘭結構采用M4不銹鋼螺絲與內套2緊固。
[0029] 內套2采用聚碳酸酯塑料（PC)制作，具有良好的機械性能與絕緣性能；內套2外 部過盈配合兩個軸承8,軸承8采用哈爾濱軸承6814ZZ，具體參數是：鐵封，內徑70mm，外徑 90mm，厚度10mm;內套2底部安裝3個導電環10,導電環10材料為黃銅，通過導線13分別 與內部的壓電陶瓷換能器20正極、壓電陶瓷換能器20負極以及變幅桿9相連。
[0030]超聲振動部分由頂部的304不銹鋼后配塊21、六片壓電陶瓷換能器20、304不銹 鋼變幅桿9組成，此外，變幅桿9的材料也可以采用鈦合金，鈦合金具有更好的聲學特性，對 超聲振動有更高的傳導率，能夠提升超聲振動部分的穩定性、提高振幅。變幅桿9頂部是法 蘭盤，通過M4不銹鋼螺栓安裝在內套2的底部；不銹鋼后配塊21高度為（nX1/2+1/4)超 聲波波長，具體地，本實施例中選用1/4超聲波波長，壓電陶瓷換能器20采用上超生產的 743-Φ40XΦ15X5,諧振頻率38. 7KHz，為了達到最好的諧振效果，變幅桿9長度取半超聲 波波長的整數倍，本實施例中取整個波長，為129. 2mm。
[0031] 壓電陶瓷換能器20共有六片，實際使用的是中間四片，這四片壓電陶瓷通過導線 13分別與外部的兩個導電環10相連，另外一個導電環10通過導線13與變幅桿9相連；電 火花放電電流依次經過導電環10、導線13、變幅桿9、ER11夾頭導入電極15,實現電火花放 電；超聲、電火花通過本實用新型隔離，且外套3不帶電。
[0032] 超聲電流、電火花電流通過外套3側面安裝的三組碳刷4倒入導電環10,碳刷4內 部是高電導率石墨，外部有絕緣殼體防止與外殼3短路。
[0033] 在電火花放電和超聲振動需要更大功率、更大電流的情況下，將碳刷4分布于外 套3的四面，每個面放置三組碳刷4,這樣相當于每個導電環10與四個碳刷4連接，承受的 電流可增強為原來的4倍。
[0034] 機械水封6為陶瓷石墨機械水封301-40,該部件是通過帶有橡膠內套的石墨部分 固定在變幅桿9上，帶有碳化硅陶瓷的部分固定在外部，利用碳化硅與石墨的摩擦起到變 幅桿9旋轉的同時封閉液體的作用，具體地，變幅桿9的轉速可達3000rpm;本實施例中石 墨部分分別安裝在變幅桿9頂部緊貼法蘭盤處與變幅桿9的3/4超聲波波長處，這樣設置 的原因在于這兩處的振幅小，因而對機械水封6的損傷小，對超聲振動的傳遞影響小；陶瓷 部分相應地分別設在空腔III16的上端部和下端部，以將放電介質封閉在空腔III16內防止 泄露。
[0035] 外套3為6061-T6鋁合金機加工成型，外部有四個螺紋孔將外套3固定到機床主 軸上，內部為堅向階梯孔，階梯孔上部與內套2上部形成空腔I18,空腔I18內設有兩個軸 承8,階梯孔中部與內套2下部及變幅桿9上部形成空腔II17,階梯孔下部與變幅桿9中段 形成空腔III16,空腔III16的上部與下部安裝機械水封6的碳化硅部分，分別與變幅桿9上 機械水封6的石墨部分配合，空腔III16側面有G1/8螺紋孔，用以安裝快速接頭5。
[0036] 快速接頭5的型號為PC8-01，通過連接外部外徑8mm的軟管，軟管與水泵相連， 水泵給空腔III16提供放電介質液體，空腔III16內的壓力液體經變幅桿9內部的水平通孔 與到達安裝孔19的盲孔給電極15供液，電極15 -般采用黃銅或紫銅管狀電極，直徑為 1-7mmη
[0037] 變幅桿9底部為3/4波長處安裝機械水封6的石墨部分后，為保證石墨部分不滑 脫，通過六角定位螺母12與變幅桿9上的螺紋緊固；變幅桿下端是根據ER11刀桿尺寸加工 并加工有安裝孔19,當然，為了增加可應用范圍，刀桿也可為ER16、ER20、ER25或ER32中的 一種，安裝孔19內部安裝防漏橡膠圈11，安裝電極15時電極15插入防漏橡膠圈11中間的 孔中，以使空腔III16中的液體最終通過電極15中間的孔流出，達到內沖液的目的。
[0038] 本實用新型在應用在數控銑床改造而成的電火花加工機床或電火花加工機床中， 除將刀柄1固定在主軸上，還可根據機床主軸尺寸制作固定板14,固定板14 一側與外套3 側面的螺紋孔連接，另一側固定在機床主軸上，使外套3隨主軸X、Y、Z方向運動，但不旋轉； 碳刷4分別與超聲電源的正負極、電火花加工的一極相連，被加工工件與電火花加工的另 一極相連。此外，本領域的技術人員根據本實用新型容易得知，本實用新型還可以應用于超 聲輔助內沖液式電解銑削加工領域、超聲輔助內沖液式電熔爆銑削加工領域、超聲輔助內 沖液式短電弧加工領域。
[0039] 具體地，本實用新型的超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭的制作與使用方法，包 括如下步驟：
[0040] 步驟一、將壓電陶瓷片通過螺栓與加工好的后配塊、僅加工好法蘭盤的變幅桿連 接組成超聲振動部分；
[0041] 步驟二、將超聲振動部分通過法蘭盤與M4不銹鋼螺栓固定在內套2上，內套2通 過法蘭盤與M4不銹鋼螺栓固定在刀柄1上，同時安裝好導線13 ;
[0042]步驟三、以刀柄1為基準，在車-鉆復合機床上加工變幅桿，這樣變幅桿的旋轉中 心、ER11刀桿的中心重合，同軸度高；
[0043] 步驟四、在內套2外側安裝軸承8、導電環10,通過焊接連接導線13與導電環10 ;
[0044] 步驟五、逐次安裝機械水封6、外套3,最后旋緊六角定位螺母12,安裝完成；
[0045] 步驟六、使用時將刀柄1固定在機床主軸上，夕卜套3通過固定板14固定在機床主 軸側面；
[0046] 步驟七、連接碳刷4與超聲電路和電火花電路、連接快速接頭5與液體循環系統；
[0047] 步驟八、在刀桿7的安裝孔19內安裝防漏橡膠圈11、通過ER11夾頭、壓帽固定電 極到變幅桿底端的ER11刀桿部分，即可實施加工。
[〇〇48] 雖然以上描述了本實用新型的【具體實施方式】，但是本領域的技術人員應當理解， 這些僅是舉例說明，本實用新型的保護范圍是由所附權利要求書限定。本領域的技術人員 在不背離本實用新型的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改， 但這些變更和修改均落入本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭，包括超聲振動部分，其特征在于： 還包括刀柄和刀桿，所述刀柄固連有內套，內套固連有變幅桿，變幅桿底端設有刀桿，刀桿 上安裝有電極，刀柄、變幅桿、刀桿的軸線重合，內套外部設有外套，外套延伸至變幅桿中 段，外套與變幅桿之間形成有空腔III，空腔III的端部設有機械水封，變幅桿內部設有放電介 質流通通道。
2. 如權利要求1所述的一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭，其特征在于： 所述刀桿上設有安裝孔，安裝孔內設有防漏橡膠圈，電極通過夾頭和壓帽固定在安裝孔內， 變幅桿中段內部設有水平方向的通孔，通孔中部與延伸至安裝孔的盲孔相通，所述通孔和 盲孔組成放電介質流通通道。
3. 如權利要求1所述的一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭，其特征在于： 所述機械水封是陶瓷石墨機械水封，陶瓷石墨機械水封包括設有橡膠內套的石墨部分和設 有碳化硅的陶瓷部分，石墨部分分別設在變幅桿頂部和變幅桿3/4超聲波波長位置處，陶 瓷部分分別設在空腔III的上端部和下端部。
4. 如權利要求1至3任一所述的一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭，其特 征在于：所述超聲振動部分包括后配塊、換能器和變幅桿，后配塊和換能器設在內套內部的 空腔內，后配塊、換能器和變幅桿通過螺栓固連，內套外表面設有導電環，導電環通過導線 與換能器和變幅桿相連，外套上設有碳刷，碳刷與導電環相連。
5. 如權利要求4所述的一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭，其特征在于： 所述后配塊的長度是超聲波波長的1/4,變幅桿的長度是超聲波半波長的整數倍。
6. 如權利要求4所述的一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭，其特征在于： 所述外套外側四個不同位置處分別設有碳刷，每個位置處設置碳刷的數量是三組，碳刷與 超聲電路和電火花電路連接，碳刷內部設有高導電率石墨，碳刷外部設有絕緣殼體。
7. 如權利要求4所述的一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭，其特征在于： 所述換能器是壓電陶瓷換能器，壓電陶瓷共有六片，其中四片通過導線與導電環相連。
8. 如權利要求1所述的一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭，其特征在于： 所述內套由聚碳酸酯塑料制成，外套由鋁合金制成，外套內部設有堅向階梯孔，階梯孔上部 與內套上部形成空腔I，空腔I內設有軸承，階梯孔中部與內套下部及變幅桿上部形成空 腔II，階梯孔下部與變幅桿中段形成空腔III，外套外側設有快速接頭，快速接頭連接有軟 管，放電介質通過軟管進入空腔III。
9. 如權利要求1所述的一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭，其特征在于： 所述外套外側設有連接孔，連接孔上設有固定板，固定板設在機床主軸上。
10. 如權利要求1所述的一種通用型超聲輔助內沖液電火花銑削工具頭，其特征在于： 所述刀柄是莫氏刀柄BT40或BT50，刀桿是ER11、ER16、ER20、ER25或ER32中的一種。
【文檔編號】B23H7/38GK203863168SQ201420225444
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年5月5日 優先權日:2014年5月5日
【發明者】張敏, 張勤河 申請人:山東大學