阅读说明：本技术 非接触式电能传输的高频振动主轴系统及拘束件制造方法 (Non-contact type electric energy transmission high-frequency vibration main shaft system and restraint piece manufacturing method ) 是由 陈政雄 柯全武 王浩唐 于 2019-07-22 设计创作，主要内容包括：一种非接触式电能传输的高频振动主轴系统及拘束件制造方法,该高频振动主轴系统包括有：一主轴；一刀把；一电能传输装置,包括有一第一感应模块及一第二感应模块；第二感应模块设置于主轴或刀把,第二感应模块用以通过非接触电磁感应方式接收来自第一感应模块的电能；一振荡器,设置于刀把,振荡器与第二感应模块电性连接以接收电能,并且用以受控制而致使刀具产生振动；一拘束件,位于第一、第二感应模块之间。藉由拘束件的设计,可有助于提升第二感应模块的结构强度与稳定性,从而可提升主轴系统的最高转速。(A high-frequency vibration main shaft system of non-contact electric energy transmission and a manufacturing method of a restraint piece are provided, the high-frequency vibration main shaft system comprises: a main shaft; a tool holder; the electric energy transmission device comprises a first induction module and a second induction module; the second induction module is arranged on the spindle or the tool holder and used for receiving the electric energy from the first induction module in a non-contact electromagnetic induction mode; the oscillator is arranged on the cutter handle, is electrically connected with the second induction module to receive electric energy and is used for being controlled to cause the cutter to vibrate; a restraining member located between the first and second sensing modules. By means of the design of the restraint piece, the structural strength and stability of the second sensing module can be improved, and therefore the highest rotating speed of the spindle system can be improved.)

非接触式电能传输的高频振动主轴系统及拘束件制造方法

技术领域

本发明与机械加工设备有关；特别是指一种旋转振动加工的非接触式电能传输的高频振动主轴系统及拘束件制造方法。

背景技术

在机械加工设备领域当中，随着科技快速发展，对于具硬脆性或黏性等特性的难切削或研磨材料的加工需求日益增加，而对于加工的质量与效率也有了更高的要求，因此，利用可旋转振动的主轴系统，对加工刀具产生高频的振荡来对工件进行研磨、切削或穿孔等加工也逐渐受到重视，其中，前述的加工方式，可使得工件表面上的微粒因受高频振荡而自工件分离，除了可降低加工时所产生之加工屑或模料屑等细屑外，以降低切削阻力并增加刀具寿命外，还可使得工件的受加工面更为细致，从而提升工件的精度与质量。

现今主轴系统的发展主流为具有非接触式电能传输功能的旋转主轴，然而受限于现有主轴系统在结构设计上的缺陷，其主轴的极限转速无法作进一步突破，否则主轴在旋转时所产生的离心力将会导致主轴系统之电能传输装置破裂、解体，因此，现有的主轴系统仍有诸多待改善的地方。

发明内容

有鉴于此，本发明之目的在于提供一种高频振动主轴系统，可强化、补强主轴系统之电能传输装置的结构强度，以提升主轴系统的性能以及突破主轴最高转速的限制。

缘以达成上述目的，本发明提供的一种非接触式电能传输的高频振动主轴系统包括有：一主轴；一刀把，以可拆离的方式结合在该主轴上，该刀把用以结合一刀具；一电能传输装置，包括有一第一感应模块以及一第二感应模块，该第一感应模块与该第二感应模块之间相距有一间隔；该第二感应模块设置于该主轴或该刀把，该第二感应模块用以通过非接触电磁感应方式接收来自第一感应模块的电能；一振荡器，设置于该刀把，该振荡器与该第二感应模块电性连接以接收该电能，并且用以受控制而致使该刀具产生振动；一拘束件，设置于该第二感应模块上，且位于该第一感应模块与该第二感应模块之间。

其中，该第二感应模块包括有一磁芯以及一线圈，该磁芯系呈环型，该线圈系环设于该磁芯的外周；该拘束件系包覆该磁芯以及该线圈。

其中，该第二感应模块包括有一磁芯以及一线圈，该磁芯系呈环型，且该磁芯具两个沿径向向外凸出的凸部以及位于该两个凸部之间的一凹部；该线圈系环设于该磁芯的该凹部当中；该拘束件系至少位于该磁芯之一该凸部与该第一感应模块之间。

其中，该拘束件包括有一第一部分以及一第二部分，该第一部分位于一该凸部与该第一感应模块之间，该第二部分位于另一该凸部与该第一感应模块之间。

其中，该第一部分与该第二部分为相分离地分别设置于该两个凸部上。

其中，该拘束件系由非导磁性材料制成。

其中，该拘束件系以复合材料制成。

其中，该拘束件系以碳纤维制成。

其中，该拘束件系缠绕于该第二感应模块的外周，用以提供一拘束力，以抵抗该第二感应模块旋转时所产生的离心力。

其中，该拘束件包括有缠绕在该第二感应模块外周之至少一层以上的碳纤维材料，且其厚度系介于0.25mm至5mm之间。

其中，该拘束件包括有一套设在该碳纤维材料外部的一复合材料。

缘以达成上述目的，本发明提供的一种应用于高频振动主轴系统之拘束件的制造方法，该高频振动主轴包括有一第一感应模块与一第二感应模块，该第二感应模块用以通过非接触电磁感应方式接收来自该第一感应模块的电能，该第二感应模块包括有一磁芯以及一线圈，该磁芯系呈环型，该线圈系环设于该磁芯的外周；该拘束件系包覆该磁芯，该制造方法包括有以下步骤：将预浸渍于第一黏着剂的碳纤维材料以一预定束缚力缠绕于该磁芯上；烘烤该磁芯一预定时间，以使得该碳纤维材料上的所述第一黏着剂经烘烤后固化。

其中，该磁芯具有两个沿径向向外凸出的凸部以及位于该两个凸部之间的一凹部；该线圈系环设于该磁芯的该凹部当中；于步骤A中，该碳纤维材料所缠绕的范围系超出该两个凸部。

其中，于烘烤完成后，系修除该碳纤维材料超出该两个凸部的部分，以使得该碳纤维材料与该两个凸部齐平。

其中，于烘烤完成后，将一以复合材料制成之套管套设于该磁芯，并该套管的内表面包覆该磁芯以及该碳纤维材料，该套管内部涂布有第二黏着剂；固化该第二黏着剂，以使得该复合材料固定于该碳纤维材料以及该磁芯上。

其中，包括有预先于该磁芯外部设置有一复合材料；该碳纤维材料系包覆该复合材料，使得该复合材料位于该磁芯以及该碳纤维材料之间。

本发明之效果在于，藉由前述拘束件的设计，可有效地提供第二感应模块适当的拘束力，藉此，当第二感应模块旋转时，其磁芯可受到适当地拘束，以对抗旋转时所产生的离心力，从而可提升主轴系统的结构强度，并可有助于提升主轴系统的最高转速。

附图说明

图1为本发明一第一实施例之高频振动主轴系统的刀把的立体图。

图2为上述第一实施例之高频振动主轴系统的刀把的剖视图。

图3为图2的局部放大图。

图4为另一实施例之高频振动主轴系统的刀把的局部放大剖视图，揭示另一种型态的拘束件。

图5为本发明一第二实施例之高频振动主轴系统的立体图。

图6为上述第二实施例之高频振动主轴系统的局部放大剖视图。

图7至图9为本发明之高频振动主轴系统之拘束件制造方法的示意图。

图10为本发明另一实施例之拘束件制造方法的示意图。

具体实施方式

为能更清楚地说明本发明，兹举多个实施例并配合附图详细说明如后。请参图1至图3所示，为本发明一第一实施例之高频振动主轴系统100，其包括有一主轴10、一刀把20、一振荡器30、一电能传输装置40以及一拘束件50。

该刀把20系以可拆离的方式结合于该主轴10上，且该刀把20用以结合一刀具22，用以对一工件进行加工。于实务上，所述刀把系结合在主轴的转动件上，举例而言，于一实施例中，主轴包括有一主轴座以及一心轴，该心轴系以可转动的方式结合于该主轴座当中，而刀把系结合于该心轴上，并受该心轴的驱动而转动。

该振荡器30系设置于该刀把20，用以受控制而致使与该刀把20相连接之刀具22产生振动。举例而言，于本实施例当中，所述振荡器30系设置于该刀把20的内部容置空间当中，该振荡器30可以是由电容性组件或压电组件等振动组件所制成，例如可以是由压电陶瓷片所制成，并可受电能的驱动而产生高频率振荡，并以直接或间接的方式带动刀把20上的刀具22产生振动。

该电能传输装置40包括有一第一感应模块60以及一第二感应模块70。该第一感应模块60系与一电源供应器(未图示)电性连接，用以接收该电源供应器所提供的电能，并将该电能进一步传递给第二感应模块70，且该第一感应模块60与该第二感应模块70之间系相距有一间隔；该第二感应模块70用以通过非接触电磁感应方式接收来自第一感应模块60的电能。另外，该电源供应器可进一步连接有一控制器，该控制器可根据所应用之工件或加工需求的不同，输出控制讯号给电源供应器及振荡器，以输出相应的振动波形与频率。

于一实施例当中，所述第一感应模块60系固定于主轴10上，而所述第二感应模块70系设置于刀把20上，更进一步地说，于本实施例当中，所述刀把20的外周面系形成有一结合槽，所述第二感应模块70系设置于该结合槽当中，而固定设置于该刀把20上。另外，于本实施例当中，所述第二感应模块70包括有一磁芯72以及一线圈74。该磁芯72系以陶瓷材料经由粉末压铸技术制成，该磁芯72系呈环型，且环绕设置于刀把20上。该线圈74系环设于该磁芯72的外周。

该拘束件50系设置于该第二感应模块70上，且位于该第一感应模块60以及该第二感应模块70之间，用以固定及定位该第二感应模块70。于一实施例当中，所述拘束件50系呈环型，并套接在第二感应模块70的外周，而使得第二感应模块70位于该拘束件50与刀把20之间，另外，于一实施例中，所述拘束件50系可通过缠绕的方式缠绕于第二感应模块70的外周，用以对第二感应模块70提供适当的拘束力，以抵抗第二感应模块70旋转时的离心力。

另外，优选地，所述的拘束件50系由非导磁性的材料所制成，藉此，除了可有效地提供第二感应模块70良好的拘束效果，以及补强第二感应模块70的结构强度，以抵抗、抵消或缓和刀把20与第二感应模块70旋转时所产生的离心力之外，由于拘束件50为非导磁性材料制成，因此，并不会影响第一感应模块60与第二感应模块70之间电磁感应的传输效率。另外，于一情况下，当第二感应模块70破裂时，例如磁芯72或线圈74破裂时，通过缠绕于第二感应模块70的拘束件50的设计，拘束件50的拘束与包覆效果，还可避免第二感应模块70破裂的碎片或碎屑甩出，而可起到提升使用高频振动主轴系统100的安全性的效果。

值得一提的是，于一实施例中，优选地，所述的拘束件50系以复合材料制成，选用复合材料的好处在于其具有比金属材料更高的结构强度，以及良好的抗张强度(抗拉强度)与高张力，且还具备密度低、比重轻、质量轻等特性，从而可有利于轻量化的设计。更进一步地，优选地，所述拘束件50主要由碳纤维制成，但不以此为限，于其他应用上，亦可采用其他复合材料或其他纤维，诸如玻璃、陶瓷、芳纶纤维、碳化硅纤维等。此外，于一实施例当中，所述拘束件50系以在第二感应模块70外周缠绕至少一层以上的带状碳纤维材料所构成，优选地，其厚度系介于0.25mm至5mm之间，如此一来，可以在提供足够结构支撑强度与材料成本上取得良好的平衡。另外，于一实施例中，在该拘束件50可进一步包括有一复合材料53，该复合材料53系包覆于该碳纤维材料的外部，该复合材料53可选用但不限于工程塑料，藉以进一步强化该拘束件50对于第二感应模块60的拘束效果。

于上述第一实施例当中，拘束件50系完全包覆该第二感应模块70，即完全包覆、覆盖磁芯72与线圈74，但于其他应用上，并不以此为限。举例而言，请配合图4所示，于一实施例中，所述磁芯具有两个沿径向向外凸出的凸部72a、72b以及位于该两个凸部72a、72b之间的一凹部72c，线圈74系设置于该凹部72c当中，且位于该两个凸部72a、72b之间。其拘束件包括有一第一部分51以及一第二部分52，该第一部分51与该第二部分52系相分离地分别设置于该两个凸部72a、72b上，并且未遮蔽该线圈74，而该第一部分51系位于一该凸部72a与第一感应模块(未图示)之间，该第二部分52系位于另一该凸部72b与第一感应模块之间。通过前述拘束件的第一部分51与该第二部分52分别包覆磁芯72之该两个凸部72a、72b的设计，可有效地提供磁芯72适当的支撑力，从而可抵抗、抵消或缓和磁芯72旋转时所产生的离心力。

另外一提的是，于一实施例中，所述的拘束件系包括有缠绕于该第二感应模块70外周的一第一复合材料，以及套接于该第一复合材料的一第二复合材料，例如，在前述实施例当中，系以碳纤维材料为例，该第二复合材料系以工程塑料为例，但于其他应用上，并不以此为限，于一些实施例当中，该第二复合材料可进一步选用碳纤维管；另外，于一些实施例中，该第一复合材料可选用工程塑料，而该第二复合材料可选用碳纤维管或工程塑料套管等。

请参图5及图6所示，为本发明一第二实施例的高振动主轴系统200，其与前述实施例的基础架构大致相同，均具有一主轴210、一刀把220、一电能传输装置230、一振荡器(未图示)以及一拘束件240。

该主轴210包括有一主轴座212以及一心轴214，该心轴214系设置于该主轴座212当中，并可相对该主轴座212转动。该刀把220系结合在该心轴214上，并可受该心轴214的带动而旋转。

该电能传输装置230与前述实施例大致相同，均具有一第一感应模块250以及一第二感应模块260，特别的是，该第一感应模块250系设置于主轴座212上，该第一感应模块250包括有一第一磁芯252以及一第一线圈254，该第一磁芯252系呈环型，该第一线圈254系设置于该第一磁芯的内周面；而该第二感应模块260系设置于心轴214上，并围绕该心轴214，该第二感应模块260包括有一第二磁芯262以及一第二线圈264，该第二磁芯262系呈环型，该第二线圈264系设置于该第二磁芯262的外周面，且该第二磁芯262与该第一磁芯252系在径向上相面对。特别的是，该第一磁芯252与该第二磁芯262在轴向方向的剖面系呈对称的“ㄈ”型结构，即，两侧分别具有一沿径向延伸的凸部，而位于两个凸部之间形成有一凹部，可供容置相应的线圈(第一线圈与第二线圈)，通过上述设计，除了可有助于容置与定位线圈的位置之外，其磁芯结构还具有结构简单、体积精巧等优点，有助于缩短磁芯的制造时间与生产成本，并且在大量生产与低成本生产皆具有其优势。

所述拘束件240系设置于第二感应模块260上，并位于第一感应模块250与第二感应模块260之间。其中，所述拘束件240的材质选用与结构大致上与前述第一实施例的拘束件50相同，于此不再赘述。

请配合图7至图9所示，于后说明一种应用于高频振动主轴系统之拘束件的制造方法，其中，所述的高频振动主轴系统如同前述第一、第二实施例的高频振动主轴系统，于此不再赘述。本发明之拘束件的制造方法包括有以下步骤：

在磁芯72的外周设置有线圈74，该磁芯72与该线圈74与前述第一实施例相同，于此不再赘述。

将预浸渍于以树脂为例的第一黏着剂的碳纤维材料80(例如碳纤维布)以一预定束缚力缠绕于该磁芯72上。优选地，于本实施例中，于缠绕时，系将碳纤维材料80所缠绕的范围超出该磁芯72的两个凸部72a、72b，例如于本实施例中，超出部分的宽度约介于0.25mm至10mm之间；

接着，系对缠绕有碳纤维材料80的磁芯72进行烘烤一预定时间，以使得碳纤维材料80之树脂固化。其中，所选用的烘烤温度可选用80℃至170℃，而选用较高的温度时，则可缩短所需之烘烤时间。另外，所选择之烘烤温度，优选根据磁芯72的材质来设定；另外，于一实施例中，所选用的烘烤温度优选不超过磁芯72的居里温度。

接着，于烘烤完成后，将一套管90套设于该磁芯72，并该套管90的内表面包覆该磁芯72以及该碳纤维材料80，该套管90内部涂布有以缺氧胶为例的第二黏着剂；优选地，在烘烤完成后，请配合图7及图8所示，系先修除该碳纤维材料80超出该两个凸部72a、72b的部分80a、80b，以使得该碳纤维材料80与该两个凸部72a、72b齐平，接着参图9所示，才将该套管90套设于该磁芯72的外周；

于后，固化第二黏着剂，本实施例中是对该磁芯72涂布以油为例的氧气隔绝材料，例如防锈油，以使得套管90的缺氧胶固化，进而使得该套管90固定于该碳纤维材料80以及该磁芯72上，而可形成对于该磁芯72提供适当拘束力的拘束件。

另外，请配合图10所示，于一实施例中，在缠绕碳纤维材料之前，可预先在磁芯72外部先设置有一复合材料92，其中，所述的复合材料可以是但不限于工程塑料，于后，再将碳纤维材料80缠绕在该复合材料92与铁芯72上，而使得复合材料位于该磁芯72以及该碳纤维材料80之间，而后再进行对该碳纤维材料80进行烘烤步骤，以使得该碳纤维材料80经烘烤后固化而成为可提升该磁芯72适当拘束力的拘束件。

通过上述设计，本发明的拘束件制造方法，系以零件形式进行制造，亦即，可先制造出多个设置有拘束件的第二感应模块，而后再将设置有拘束件的第二感应模块应用到电能传输装置，并设置于主轴或是刀把上，从而可提升生产制造的便利性以及提升生产效率，而不用等到整个高频振动主轴系统都安装好了之后才能设置拘束件。

藉此，通过上述拘束件的设计，可有助于提供定位、固定第二感应模块的拘束力，藉以在第二感应模块旋转时，可有效地拘束其磁芯的位置，以对抗、缓和或抵消其旋转时所产生的离心力，从而可有效地提升高频振动主轴系统的结构强度，以及提升高频振动主轴系统的最高转速。

以上所述仅为本发明优选可行实施例而已，举凡应用本发明说明书及申请专利范围所为之等效变化，理应包含在本发明之专利范围内。

附图标记说明

[本发明]

100高频振动主轴系统

10主轴

20刀把 22刀具

30振荡器

40电能传输装置

50拘束件 51第一部分 52第二部分

53复合材料

60第一感应模块

70第二感应模块 72磁芯 74线圈

72a、72b凸部 72c凹部

200高频振动主轴系统

210主轴 212主轴座 214心轴

220刀把

230电能传输装置

240拘束件

250第一感应模块 252第一磁芯 254第一线圈

260第二感应模块 262第二磁芯 264第二线圈