TWI740724B - 超音波刀把及超音波刀把冷卻與切屑導流系統 - Google Patents

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Abstract

一種超音波刀把及超音波刀把冷卻與切屑導流系統，超音波刀把包含：刀座，設置於工具機主軸，刀座底部具有環形出氣通道，環形出氣通道由內環與外環構成，外環套設於內環外，內環具有第一面與第二面，外環具有第三面與第四面，第一面與第三面相互平行且具有間隙，第二面底部具有內側斜面，內側斜面與第一面間具有第一夾角，第四面底部具有外側斜面，外側斜面與第三面間具有第二夾角；以及超音波振盪子，設置於刀座內，以提供超音波振盪作用於刀具上。

Description

超音波刀把及超音波刀把冷卻與切屑導流系統
本發明涉及工具機技術領域，尤指一種超音波刀把及超音波刀把冷卻與切屑導流系統。
基於優異的複合材料和硬脆材料加工性能，催生了超音波加工需求。
例如，玻璃纖維強化聚合物(GFRP)是結構核心材料(適用於航空、風能、船舶、運輸、建築等技術產業)市場的大宗，由於GFRP具有優異的材料特性，減輕了整體重量又具有相當的經濟特性，因此廣泛使用於航空及汽車產業。
複合材料加工採用超音波刀把配合超音波振盪子，然而目前遭遇問題是，考量材料汙染問題，複合材料加工過程無法使用液態切削液。少了液態切削液冷卻，超音波振盪子自身所產生的熱與切削熱累積無法散去，導致加工精度降低並造成超音波頻率飄移。此外，複合材料加工產生細微粉塵，不僅影響人員健康，且會縮短機台壽命。
習知的解決方法是，以冷卻水或冷壓氣體，經導管或殼體傳遞至超音波振盪子熱源處，對超音波振盪子進行冷卻後，將熱源直接排出 超音波刀把外部。至於細微粉塵則是利用高壓氣體形成氣牆防止切屑噴飛。但是上述習知方法不僅冷卻及排屑的效果不彰，超音波振盪子及刀具無法有效散熱、粉塵收集效率不佳，而且會增加整體機台體積，造成機台結構複雜。
據此，如何發展出一種對超音波刀把能有效冷卻及排屑，且結構簡單的「超音波刀把及超音波刀把冷卻與切屑導流系統」，是相關技術領域人士亟待解決之課題。
於一實施例中，本發明提出一種超音波刀把，其包含：刀座，設置於工具機主軸，刀座之底部具有環形出氣通道，環形出氣通道由內環與外環構成，外環套設於內環外，內環具有相對之第一面與第二面，外環具有相對之第三面與第四面，第一面與第三面相互平行且具有一間隙，間隙之上下兩端分別為一進氣端與一出氣端，第二面之底部具有一內側斜面，內側斜面與第一面之間具有第一夾角，第四面之底部具有外側斜面，外側斜面與第三面之間具有第二夾角；以及超音波振盪子，設置於刀座之腔室內，提供超音波振盪作用於一刀具，腔室與間隙形成通路。
於一實施例中，本發明提出一種具有本發明所提供之超音波刀把之超音波刀把冷卻與切屑導流系統，其包含：壓縮空氣產生裝置，提供壓縮空氣進入超音波刀把；集塵罩，罩設於超音波刀把之外圍，集塵罩之底部開放；以及 抽氣裝置，連通集塵罩之內部，提供抽吸力使壓縮空氣進入刀座後，流經腔室，由進氣端進入環形出氣通道，由出氣端流出刀座後，再將壓縮空氣抽吸出集塵罩。
100:超音波刀把
10:刀座
13:腔室
14:通道
20:刀具
30:超音波振盪子
40:工具機主軸
50:待加工件
60:環形出氣通道
61:內環
611:第一面
612:第二面
613:內側斜面
614:頂部斜面
62:外環
621:第三面
622:第四面
623:外側斜面
200:超音波刀把冷卻與切屑導流系統
202:空氣供應器
204:第一過濾器
205:壓縮空氣產生裝置
2051:馬達
206:第二過濾器
208:噴油器
210:壓力調節器
212:壓力計
213:集塵罩
2131:毛刷
214:粉塵濾除器
218:抽氣裝置
C:軸心方向
D:差距
G:間隙
G1:進氣端
G2:出氣端
H61,H62:水平高度
L:長度方向
PA:壓縮空氣
PAC:濾除粉塵的乾淨壓縮空氣
PAD:含有加工粉塵的壓縮空氣
θ1:第一夾角
θ2:第二夾角
θ3:第三夾角
圖1為本發明之超音波刀把設置於工具機主軸之結構示意圖。
圖2為圖1之A部放大結構示意圖。
圖3為本發明之超音波刀把冷卻與切屑導流系統之架構示意圖。
圖4為本發明之超音波刀把冷卻與切屑導流系統之壓縮空氣流動路徑之示意圖。
請參閱圖1及圖2所示，本發明所提供之一種超音波刀把100，包含一刀座10及一超音波振盪子30，其中一刀具20設置於該刀座10之底部。
刀座10適於設置於工具機主軸40，刀座10之底部具有環形出氣通道60。環形出氣通道60可呈任意環狀，例如，圓環狀。
環形出氣通道60由一內環61與一外環62構成。外環62套設於內環61外。內環61具有相對之第一面611與第二面612，外環62具有相對之第三面621與第四面622。第一面611與第三面621相互平行且 具有一間隙G。間隙G之上下兩端分別為一進氣端G1與一出氣端G2。間隙G大於0公厘(mm)且等於或小於1.2公厘。
第二面612之底部具有一內側斜面613，內側斜面613與第一面611之間具有一第一夾角θ1。第四面622之底部具有一外側斜面623，外側斜面623與第三面621之間具有一第二夾角θ2。第一夾角θ1與第二夾角θ2大於0度且等於或小於45度。第一夾角θ1大於或等於第二夾角θ2。
第一面611之頂部具有一頂部斜面614，頂部斜面614與第三面621之間形成一第三夾角θ3，第三夾角θ3大於或等於0度且等於或小於45度。如此，使得進氣端G1與間隙G配合可呈現漏斗狀，但不予以限制。
內環61之底緣之水平高度H61等於或高於外環62之底緣之水平高度H62，或外環62向下延伸(即長度方向L)之長度相等或稍大於內環61。於本實施例中，內環61之底緣之水平高度H61與外環62之底緣之水平高度H62之間具有一差距D，亦即是二底緣之間在水平高度上具有一差距D，且此差距D可等於0或等於或小於5公厘，但不予限制。
刀具20設置於刀座10之底部，刀具20之軸心方向C與第一面611或第三面621相互平行。一般而言，刀座10、刀具20、超音波振盪子30與工具機主軸40同軸設置。刀具20是用以對待加工件(圖中未示出)進行加工，刀具20的型態視所需加工的待加工件不同而異，待加工件例如可為玻璃纖維強化聚合物(GFRP)等之複合材料和硬脆材料。
超音波振盪子30設置於刀座10之腔室13內且位於刀具20的上方，提供超音波振盪作用於刀具20。腔室13與間隙G藉由一通道14形成一通路。通道14的型態不限圖示態樣，可連通腔室13與間隙G即可。
壓縮空氣PA進入腔室13後，可由通道14進入環形出氣通道60而後流出刀座10，如圖2虛線路徑所示。
請參閱圖3及圖4所示，本發明所提供之超音波刀把冷卻與切屑導流系統200，其包含超音波刀把100、壓縮空氣產生裝置205、集塵罩213及抽氣裝置218。
壓縮空氣產生裝置205用以提供壓縮空氣PA。
集塵罩213罩設於超音波刀把100之外圍，集塵罩213之底部開放。集塵罩213之長度方向L平行刀具20之軸心方向C具有可伸縮性，於本實施例中，集塵罩213具有如燈籠般的連續皺摺，但不限於此。於集塵罩213之底部之週緣設有毛刷2131可抵靠於待加工件50的頂部。
抽氣裝置218連通集塵罩213之內部並提供抽吸力。
於圖3所示架構中，超音波刀把冷卻與切屑導流系統200更包括一空氣供應器202、一第一過濾器204、一第二過濾器206、一噴油器208、一壓力調節器210、一壓力計212、一粉塵濾除器214。
空氣供應器202提供空氣進入第一過濾器204，由第一過濾器204對空氣進行初步過濾，而後進入壓縮空氣產生裝置205。
壓縮空氣產生裝置205藉由馬達2051提供驅動力以產生壓縮空氣PA依序通過第二過濾器206、噴油器208、壓力調節器210、壓力計212之後，可將壓力合乎需求且乾淨的壓縮空氣PA送入超音波刀把100。
請參閱圖4所示，壓縮空氣PA首先進入工具機主軸40，再流入超音波刀把100之刀座10。當壓縮空氣PA進入刀座10後，首先流經腔室13藉由氣流帶走超音波震盪子30的熱量，對超音波振盪子30進行冷卻，能避免超音波頻率飄移現象。
而後，請參閱圖2與圖4所示，壓縮空氣PA經由通道14由進氣端G1進入環形出氣通道60，再由出氣端G2流出刀座10。由於刀座10具有特殊的環形出氣通道60設計，因此可以使得壓縮空氣PA於流出環形出氣通道60後形成強勁氣流，藉以對刀具20進行冷卻，如圖4所示。
必須說明的是，由於環形出氣通道60為一環形通道，因此壓縮空氣PA由環形出氣通道60流出時會於刀具20外圍形成一以軸心方向C為中心的環形氣幕，圖4顯示兩道壓縮空氣PA由刀座10的底部噴出僅作為示意圖，並不代表僅有兩道壓縮空氣PA噴出。
請參閱圖4所示，當壓縮空氣PA由刀座10流出後，會與待加工件50產生碰撞而轉而向上，並與集塵罩213內的加工粉塵混合，形成含有加工粉塵的壓縮空氣PAD。藉由集塵罩213底部週緣之毛刷2131抵靠於待加工件50的頂部，不僅可將加工粉塵包圍於集塵罩213內，並可減少壓縮空氣PA、PAD外洩。
而後，藉由圖3所示抽氣裝置218所提供的抽吸力可將集塵罩213內之含有加工粉塵的壓縮空氣PAD由集塵罩213之內部抽出。請參閱圖3所示，含有加工粉塵的壓縮空氣PAD進入粉塵濾除器214後，由粉塵濾除器214將粉塵過濾至粉塵收集器216中，再由抽氣裝置218將已濾除粉塵的乾淨壓縮空氣PAC排出。
綜上所述，本發明所提供之超音波刀把及超音波刀把冷卻與切屑導流系統，利用壓縮空氣流經超音波刀震盪子腔室，藉由氣流帶走超音波震盪子熱量，對超音波振盪子直接進行冷卻，以及，超音波刀把具有特殊的環形出氣通道設計，利用少量壓縮空氣吹出”層流態”氣流，同時吸入大量環境空氣，從而產生比所消耗壓縮空氣更大的強勁氣流，經驗證可最高至40倍，藉以對刀具進行冷卻，並提高粉塵回收效果；以及，透過集塵罩內的環型氣幕阻擋飛濺的切削粉塵，搭配優化集塵出風口設計提高粉塵回收效率。結構簡單，效率佳，可有效解決超音波振盪子及刀具無法有效散熱，切削複合材料粉塵收集效率不佳等問題。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10:刀座
13:腔室
14:通道
30:超音波振盪子
60:環形出氣通道
61:內環
611:第一面
612:第二面
613:內側斜面
614:頂部斜面
62:外環
621:第三面
622:第四面
623:外側斜面
D:差距
G:間隙
G1:進氣端
G2:出氣端
H61,H62:水平高度
PA:壓縮空氣
θ1:第一夾角
θ2:第二夾角
θ3:第三夾角

Claims (6)

  1. 一種超音波刀把，適於設置於工具機主軸，該刀把包含：一刀座，該刀座之底部具有環形出氣通道，該環形出氣通道由一內環與一外環構成，該外環套設於該內環之外，該內環之底緣與該外環之底緣之間在水平高度上具有一差距，該內環具有相對之第一面與第二面，該外環具有相對之第三面與第四面，該第一面與該第三面具有一間隙，該間隙之上下兩端分別為一進氣端與一出氣端，該第二面之底部具有一內側斜面，該內側斜面與該第一面之間具有一第一夾角，該第四面之底部具有一外側斜面，該外側斜面與該第三面之間具有一第二夾角，該第一夾角大於或等於該第二夾角；以及一超音波振盪子，設置於該刀座之腔室內，提供超音波振盪作用於一刀具，該腔室與該間隙形成一通路。
  2. 如請求項1之超音波刀把，其中該第一面之頂部具有一頂部斜面，該頂部斜面與該第三面之間形成一第三夾角，該第三夾角大於或等於0度且等於或小於45度。
  3. 如請求項1之超音波刀把，其中該外環向下延伸之長度相等或稍大於該內環。
  4. 一種利用請求項1至3中任一項之超音波刀把之超音波刀把冷卻與切屑導流系統，其包含：一壓縮空氣產生裝置，提供壓縮空氣進入該超音波刀把；一集塵罩，罩設於該超音波刀把之外圍，該集塵罩之底部開放；以及一抽氣裝置，連通該集塵罩之內部，提供抽吸力使該壓縮空氣進入該 刀座後，流經該腔室，由該進氣端進入該環形出氣通道，由該出氣端流出該刀座後，再將該壓縮空氣抽吸出該集塵罩。
  5. 如請求項4之超音波刀把冷卻與切屑導流系統，其中該集塵罩之該底部之週緣設有毛刷。
  6. 如請求項4之超音波刀把冷卻與切屑導流系統，其中該集塵罩具有連續皺摺，該集塵罩之長度方向平行該刀具之軸心方向具有可伸縮性。
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