本发明专利技术公开了一种超声波加工装置，特别是涉及一种高速旋转超声扭振加工装置，包括输出轴和传输轴，在输出轴内孔内的轴向方向上由里向外依次安装有稀土棒和管形的压电陶瓷；输出轴上缠绕有感应线圈，传输轴的外侧还设置有线圈架和外套筒，线圈架与外套筒形成一个密闭的线圈放置腔，线圈放置腔设置有激励线圈，本发明专利技术基于稀土超磁致伸缩材料和压电陶瓷材料的旋转超声扭振加工装置与机床主轴连接，带动工具头高速旋转的同时作二维超声机械振动，实现工件的超声扭振加工过程，同时不仅可以实现高速旋转超声加工，而且超声频带较宽、超声能量较大、工作状况稳定，超声振幅还可通过改变磁场强度和预紧压力的大小进行调节，实现不同加工精度的需求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种超声波加工装置，特别是涉及一种高速旋转超声扭振加工装置。
技术介绍
目前，很多新型材料和多功能材料，如SiC、NdFeB、功能陶瓷等被广泛应用于工业工程、光学工程、汽车工业和航空航天工程等高科技精密零器件领域里，但这些材料一般都具有脆硬难加工的特点，使用传统的金属加工技术容易造成刀具的磨损、工件的烧伤和损伤，很难达到要求的精度，并且加工效率较低，超声振动加工技术是一种将超声振动与刀具或工件相结合的新型加工技术，相比传统加工技术(车、铣、磨)具有切削力低、切削温度低、加工效率高，能够有效提高工件表面质量，受到国内外学者的广泛研究。 传统的超声振动加工主轴装置主要由换能器和变幅杆组成，通常换能器有磁致伸缩换能器和压电陶瓷换能器两种结构，磁致伸缩换能器由铁磁材料制成，由于伸缩系数小(40 μ m · m-1 )、机电转换效率较低(30%)，逐渐被压电陶瓷换能器取代，压电换能器中的压电陶瓷一般有圆片状和圆管状两种结构形式，现有旋转超声振动加工主轴设计中，压电换能器的电流输入信号通过两种方式实现。一种是通过碳刷和集流装置传输交变电流，从而使压电陶瓷换能器产生超声振动，如中国专利02127820. 2、200810027205· 3和201010525882. 5中设计的以压电陶瓷换能器为振动源的超声加工主轴，这种结构在高速甚至超高速旋转加工来说，容易造成碳刷的磨损而导致功能失效；另一种交变电流信号是通过电磁感应非接触方式传输，如中国专利200680024192. 3和200810199000. 3设计的超声振动旋转主轴结构，这种结构通过电磁感应方式传输交变电流信号的旋转超声振动主轴结构来说，虽然避免了电刷与滑环的摩擦，但激励线圈、感应线圈在超高频交变电流变化下，容易导致线圈发热和产生磁涡流损耗，降低能量传递效率。还有以稀土超磁致伸材料为振动源的换能器被广泛应用于超声检测，如专利200620079516. 0,200910077343. 7,201210002103. 2，稀土超磁致伸缩换能器在激励线圈产生的磁场作用下实现稀土材料的伸缩位移变化，这种结构超磁致伸缩换能器只能实现轴向的位移伸缩，而不能实现旋转运动的功能。
技术实现思路
本专利技术的高速旋转超声扭振加工装置，克服了现有技术存在的不足，提供一种体积较小、转速较高、可提供大功率和大超声能量且可以实现工件旋转的高速旋转超声扭振加工装置。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为本专利技术的一种高速旋转超声扭振加工装置，包括输出轴和传输轴，所述输出轴和所述传输轴均为内设阶梯孔的阶梯轴，所述输出轴的一侧连接振动工具头，所述输出轴的另一侧延伸至所述传输轴的内孔内且与所述传输轴固定连接，所述传输轴连接旋转主轴，在所述输出轴内孔内的轴向方向上由里向外依次安装有稀土棒和管形的压电陶瓷。所述稀土棒的一侧设有前辐射块，稀土棒的另一侧设有后辐射块，通过前辐射块和后辐射块使稀土棒安装在输出轴的内孔，在所述稀土棒与所述压电陶瓷之间设有压电陶瓷压筒，所述压电陶瓷安 装在所述压电陶瓷压筒与输出轴内孔之间，在所述压电陶瓷压筒的外侧连接有用于密封输出轴内孔的压紧端盖。延伸至所述传输轴内的输出轴上缠绕有用于产生感应电流的感应线圈，所述感应线圈与压电陶瓷内的电极片相连，所述传输轴的外缘上安装有滚动轴承，所述传输轴的外侧还设置有线圈架和位于所述线圈架外缘的外套筒，所述线圈架与所述外套筒形成一个密闭的线圈放置腔，所述线圈架与所述滚动轴承的外圈过盈配合，所述线圈放置腔设置有用于为稀土棒提供交变磁场的且为感应线圈提供感应电流的激励线圈，这样稀土棒的轴向伸缩应变提供轴向振动，压电陶瓷弯曲或扭转应变提供径向或切向振动，工具的轴向振动能够降低工件表面粗糙度，径向或切向振动会增加材料去除率，因此稀土棒输出的大应变位移和压电陶瓷的小应变位移叠加的椭圆振动充分利用了两种振动方式的优点，有效提高了工件加工表面质量，使得表面粗糙度平均降低30%，表面质量提高一个等级，材料去除率提高20%，并且将二维超声振动施加于工具上，可以加工异形件外表面或内腔面的精密加工。所述前辐射块、稀土棒、后辐射块的中心均设置有通孔，在所述通孔内设置有预紧螺栓，所述预紧螺栓的一端连接有用于使稀土棒轴向压紧的螺母，稀土棒的伸缩应变与磁场强度、偏磁场强度和预紧应力的大小有关，因此可以通过改变激励电流和预紧螺栓、螺母装置来控制超声振幅的大小，使得设计的旋转超声扭振装置适合不同精度加工情况，减少了传统设计中的繁琐和制造成本。所述压电陶瓷压筒的两端端面均为倾斜面且所述压电陶瓷压筒上设有径向的缝隙，所述压紧端盖与所述输出轴内孔的孔壁上设与压电陶瓷压筒相配合的倾斜面，通过所述压紧端盖、输出轴内孔孔壁与压电陶瓷压筒上的倾斜面配合使管形压电陶瓷径向和轴向压紧。所述输出轴上设置有凹槽，所述感应线圈卡夹在所述凹槽内。所述压紧端盖、压电陶瓷压筒和输出轴均开有通风孔，所述压紧端盖外侧安装有涡轮风扇，当随主轴高速旋转时，空气通过涡轮风扇流经稀土材料和压电陶瓷，进行冷却降温。所述线圈架与所述激励线圈之间设置有冷却水管，增大了冷却水管与线圈接触面积，能够有效降低超声频电流变化带来的线圈发热，同时可以避免冷却水的泄漏问题。在所述外套筒的两端均固定有轭铁端盖，所述外套筒与所述轭铁端盖之间设置有密封垫圈，与外套筒一起构成闭合的磁路空间，防止漏磁。本专利技术所谓的稀土棒为圆片状的稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)和钕铁硼永磁铁相互叠加粘结而成，稀土超磁致伸缩材料是一种新型的磁致伸缩材料，伸缩应变大比压电陶瓷大5 8倍大约在200(Γ4000 μ m · πΓ1之间，能量密度比压电陶瓷大1(Γ 4倍；磁机械耦合系数高，利于换能器的宽带高频工作，声速较小，利于换能器的小型化设计。本专利技术所谓的压电陶瓷为钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(Α表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价)型化合物，如Pb (Mnl/3Nb2/3)03和Pb (Col/3Nb2/3)03等组成的三元系，如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠(NaO. 5 · K0. 5 · NbO3)等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利，压电陶瓷的制造特点是在直流电场下对铁电陶瓷进行极化处理，使之具有压电效应，一般极化电场为3 5kV/mm，温度在100 150° C之间，时间5 20min，这三者是影响极化效果的主要因素，性能较好的压电陶瓷，如锆钛酸铅系陶瓷，其机电偶合系数可高达O. 313 O. 694。本专利技术的工作原理为超声波发生器将50Hz的交流电转换成超声频的交变电流信号，通过导线传输给激励线圈，从而在稀土棒轴向方向产生了超声频的交变磁场，稀土超磁致伸缩材料在交变磁场和钕铁硼永磁材料产生的偏置磁场共同作用下，在轴向方向产生了超声频的位移伸缩，即轴向超声振动，感应线圈在磁场的变化下产生感应电流，管形压电陶瓷在感应电流的作用下产生弯曲或扭转应变位移，两种振动信号在输出轴端口叠加后合成为二维椭圆振动位移，从而输出轴带动工具头在随主轴旋转的同时作二维超声振动，同时实现了工件的旋转超本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高速旋转超声扭振加工装置，其特征在于：包括输出轴和传输轴，所述输出轴和所述传输轴均为内设阶梯孔的阶梯轴，所述输出轴的一侧连接振动工具头，所述输出轴的另一侧延伸至所述传输轴的内孔内且与所述传输轴固定连接，所述传输轴连接旋转主轴，在所述输出轴内孔内的轴向方向上由里向外依次安装有稀土棒和管形的压电陶瓷；所述稀土棒的一侧设有前辐射块，稀土棒的另一侧设有后辐射块，通过前辐射块和后辐射块使稀土棒安装在输出轴的内孔，在所述稀土棒与所述压电陶瓷之间设有压电陶瓷压筒，所述压电陶瓷安装在所述压电陶瓷压筒与输出轴内孔之间，在所述压电陶瓷压筒的外侧连接有用于密封输出轴内孔的压紧端盖；延伸至所述传输轴内的输出轴上缠绕有用于产生感应电流的感应线圈，所述感应线圈与压电陶瓷内的电极片相连，所述传输轴的外缘上安装有轴承，所述传输轴的外侧还设置有线圈架和位于所述线圈架外缘的外套筒，所述线圈架与所述外套筒形成一个密闭的线圈放置腔，所述线圈架与所述滚动轴承的外圈过盈配合，所述线圈放置腔设置有用于为稀土棒提供交变磁场的且为感应线圈提供感应电流的激励线圈。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：祝锡晶，刘振，成全，王建青，孔文军，曾志强，刘涛，郭策，史丽媛，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：
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