CN102284970B - 非金属材料多丝线切割用的旋转超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非金属材料多丝线切割用的旋转超声换能器。包括压电陶瓷组、变幅杆、硬铝块和导向轮；导向轮中心开有两端直径大而中间直径小的阶梯孔，变幅杆一端穿过导向轮中心小孔后，用锁紧螺母固定在导向轮中心一端小孔端面上，变幅杆另一端的大锥端面顶在导向轮中心另一端小孔的端面上，变幅杆另一端的小锥端面上的旋转轴连接支架孔内依次向外安装有压电陶瓷组和硬铝块后，用螺栓固定连接，在导向轮外圆柱面沿轴向开有多条等距分布的环形槽。本发明将变幅杆的轴向振动转换为导向轮的径向振动，从而很方便地使钢丝绳在切割材料过程中产生纵向振动，极大地提高了切割精度和效率，适合于红外半导体、陶瓷，玻璃等硬脆性非金属材料。

Description

非金属材料多丝线切割用的旋转超声换能器

技术领域

本发明涉及用于非金属材料切割加工装置，尤其是涉及一种非金属材料多丝线切割用的旋转超声换能器。

背景技术

一直以来，对于非金属的切割大多都是用外圆切或者是内圆切。切割出来的产品经常出现切割面粗糙、崩边、及有残余应力等问题，尤其是对贵重材料切割时，由于刀口过宽会导致材料损耗大。随着光伏产业的兴起，大量进口国外的多片线切割机，价格不菲，每台机器800多万元，一般企业配置都在20-40台左右。原理是在保证机械精度的前提下，利用钢丝做直线移动带动磨料对工件进行切割。由于要求精度比较高，切割效率不高，所用耗材钢丝及磨料都是一次性使用。再者是做集成电路、尤其是红外半导体材料的切割，据了解每公斤材料的价格都是上万，目前还是用外圆切或者是内圆切在下料，陶瓷、玻璃行业也是如此。

虽然有人把超声振动用在了一些金刚石线锯上，但它是直接将超声波变幅杆压在金刚石钢丝上进行纵向声能的传递。这种方法的缺点是金刚石钢丝不但对工件进行切割，同时也对变幅杆进行切割，钢丝很容易断，而且此种方案只能一根变幅杆对应一条金刚石钢丝，多条钢丝同时切割则需要对应数量的变幅杆驱动，造成了很大的资源浪费，难以提升切割效率。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种非金属材料多丝线切割用的旋转超声换能器，该换能器能将轴向振动转换为径向振动，换能器的导向轮表面上有多条线槽，能同时搭载多条钢丝同步地产生超声振动，利用超声加工技术对材料进行同步切割。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括压电陶瓷组、变幅杆、硬铝块和导向轮；导向轮中心开有两端直径大而中间直径小的阶梯孔，变幅杆一端穿过导向轮中心小孔后，用锁紧螺母固定在导向轮中心一端小孔端面上，变幅杆另一端的大锥端面顶在导向轮中心另一端小孔的端面上，变幅杆另一端的小锥端面上的旋转轴连接支架孔内依次向外安装有压电陶瓷组和硬铝块后，用螺栓固定连接，在导向轮外圆柱面沿轴向开有多条等距分布的环形槽。

所述的环形槽条数，是根据被切割材料的加工要求而设定。

本发明具有的有益效果是：

本发明很方便的将变幅杆的轴向振动转换为导向轮的径向振动，通过一个换能器可以同时驱动多条切割用钢丝振动，从而很方便地使钢丝绳在切割材料过程中产生纵向振动，极大地提高了切割精度和效率，适合于红外半导体、陶瓷，玻璃等硬脆性非金属材料。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明的变幅杆结构示意图。

图3是本发明的导向轮结构示意图。

图4是本发明使用状态俯视示意图。

图5是图4的主视图。

图中：1.切割用的钢丝，2.螺栓，3.硬铝块，4.压电陶瓷组，5.旋转轴连接支架，6.变幅杆，7.锁紧螺母，8.导向轮，9.被动轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，本发明包括压电陶瓷组4、变幅杆6、硬铝块3和导向轮8；导向轮8中心开有两端直径大而中间直径小的阶梯孔，变幅杆6一端穿过导向轮8中心小孔后，用锁紧螺母7固定在导向轮8中心一端小孔端面上，变幅杆6另一端的大锥端面顶在导向轮8中心另一端小孔的端面上，变幅杆6另一端的小锥端面上的旋转轴连接支架5孔内依次向外安装有压电陶瓷组4和硬铝块3后，用螺栓2固定连接，旋转轴连接支架5通过传动轴与电机连接；在导向轮8外圆柱面沿轴向开有多条等距分布的环形槽。

所述的环形槽条数，是根据被切割材料的加工要求而设定。

如图4和图5所示，使用时，被动轮9外圆柱面沿轴也开有与导向轮8相等条数等距分布的环形槽，每条环形槽中分别安装切割用的钢丝1，导向轮8转动后经多条钢丝1带动被动轮9转动。

交变电信号通过压电陶瓷组4后，使得电陶瓷组4产生机械振动，机械振动作用在变幅杆6上，使变幅杆6产生轴向振动，变幅杆6中将沿轴向产生纵波，质点振动位移方向平行于轴向，根据弹性形变的泊松效应，轴向的变形会引起横向的形变，因此质点产生轴向位移的同时也产生垂直于轴向的位移。变幅杆6与导向轮8级联后使导向轮8产生径向振动。导向轮8可通过旋转轴连接支架5与电机旋转轴实现连接，带动导向轮8旋转。

结合图1、图2、图3、图4、图5所示，进一步说明本发明的技术方案和工作过程。

多丝线切割用旋转超声换能器，包括：硬铝块3、压电陶瓷组4、变幅杆6和导向轮8。压电陶瓷组4被硬铝块3和变幅杆6夹紧后通过螺栓2 固定，变幅杆6轴向带有内螺纹孔，用于固定螺栓2，将变幅杆6沿轴向穿过导向轮8，导向轮8中间开有圆孔，再通过锁紧螺母7将变幅杆6固定在导向轮8上，变幅杆6的端部带有外螺纹，用于锁紧螺母7的固定，旋转轴连接支架5与变幅杆6为一个整体。以上连接形式都属于机械连接，由机械连接产生的固定强度是足够的，从而不会在使用过程由于外部振动而造成的位移或脱落。通过集流环在压电陶瓷组4上加载激励交流电压，使压电陶瓷组4产生机械振动，从而驱动变幅杆6产生纵向振动，变幅杆6的振动传递到与之连接的导向轮8，使得导向轮产生径向振动。根据加工工艺需求的不同，可以通过对变幅杆6尺寸的设定来改变导向轮8的径向振幅，由于本发明所采用的变幅杆8为非规则的，采用传统的解析方法设计较困难，因此可采用有限元法进行分析计算。

对于多丝线切割用旋转超声换能器，本发明的工作过程是，通过集流环在所述多丝线切割用旋转超声换能器上加载交变电压，使得所述线切割用旋转超声换能器上的导向轮8产生径向振动，切割用的钢丝1通过导向轮8和被动轮9张紧，同时旋转轴连接支架5通过传动轴和联轴器与电机旋转轴连接，驱动导向轮8产生旋转，从而带动导线轮表面线槽上的切割用的钢丝1产生直线移动的同时还具有纵向超声振动，将待切割工件平置于加工平台上并利用压紧机构固定住，加工平台的长度小于导向轮8与被动轮9的轴间距，加工平台在外力驱动下可沿着垂直于钢丝1所在的平面上下移动，在待切割的工件表面敷上磨料，切割用的钢丝1带动磨料对工件进行切割，加工平台携带工件沿着垂直于钢丝1所在的平面方向进给，直至切割工作完成，由于超声加工的高频锤击作用，可有效地消除切割面粗糙、崩边、及有残余应力等，可实现多丝的切割加工，可一次可切割600片0.2mm多晶硅片，不但能提高加工效率以及减少动力的消耗，还从根本上改变现有技术存在的问题。

Claims (2)

1.一种非金属材料多丝线切割用的旋转超声换能器，其特征在于：包括压电陶瓷组(4)、变幅杆(6)、硬铝块(3)和导向轮(8)；导向轮(8)中心开有两端直径大而中间直径小的阶梯孔，变幅杆(6)一端穿过导向轮(8)中心小孔后，用锁紧螺母(7)固定在导向轮(8)中心一端小孔端面上，变幅杆(6)另一端的大锥端面顶在导向轮(8)中心另一端小孔的端面上，变幅杆(6)另一端的小锥端面上的旋转轴连接支架(5)孔内依次向外安装有压电陶瓷组(4)和硬铝块(3)后，用螺栓(2)固定连接，在导向轮(8)外圆柱面沿轴向开有多条等距分布的环形槽。

2.根据权利要求1所述的一种非金属材料多丝线切割用的旋转超声换能器，其特征在于：所述的环形槽条数，是根据被切割材料的加工要求而设定。

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