CN103084981B - 一种分体式超声聚焦汽雾冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分体式超声聚焦汽雾冷却装置，该装置由超声振动雾化器和超声振动聚焦器构成，超声振动雾化器包括送液管道、螺栓1、后盖板1、压电陶瓷片1、电极片1、变幅杆1和网孔振动板，所述的后盖板1、压电陶瓷片1、电极片1和变幅杆1通过所述的螺栓1联接夹紧，所述的网孔振动板设置在所述的变幅杆1的前端；超声振动聚焦器包括螺栓2、后盖板2、压电陶瓷片2、电极片2、变幅杆2和聚焦球壳，所述的后盖板2、压电陶瓷片2、电极片2和变幅杆2通过所述的螺栓2联接夹紧，所述的聚焦球壳设置在所述的变幅杆2的前端。本发明具有功率容量大、液体介质雾化效果好、汽雾聚焦冷却效果好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及利用逆压电效应的超声振动聚焦汽雾冷却领域，具体来说，涉及一种分体式超声聚焦汽雾冷却装置。
背景技术
在材料磨削加工过程中，高速回转的砂轮表面存在着随砂轮一起回转的附着气流层，气流层在磨削加工区形成了气障，使冷却液难以进入磨削加工区，致使冷却液起不到冷却作用。材料磨削加工过程中，由于工具切削刃在工件表面的切削、滑移和摩擦的作用，会在磨削加工区产生大量的切削热，使磨削加工区处于高温状态，当温度达到一定临界值后，冷却液在加工切削区产生膜沸腾，沸腾膜使大部分冷却液很难到达磨削加工区的热源表面，同样致使冷却液也起不到应有的冷却作用。
传统的冷却技术采用大量浇注冷却液的冷却方式，基于上述原因，这种方式存在着以下多方面的问题：
1、冷却效果差，影响加工表面质量和加工精度，并且影响切削加工效率和工具寿命；
2、在材料切削加工过程中，工具的高速旋转会使冷却液飞溅，其中含有的油或化学添加剂等成分造成环境污染，损害操作者的健康；
3、冷却液循环使用成本高，废冷却液还会造成环境污染。
传统的大量浇注冷却液的冷却方式存在的问题制约了精密与超精密加工技术的发展，近年来，国内外的专家主要致力于磨削加工区的气流场、切削弧区强化换热、新型冷却液供液方式、新型冷却介质、微量冷却液冷却技术等方面的研究，并取得了一定的研究成果，但是他们大都只关注了冷却的效果，没能很好地解决污染问题。进一步探索高效冷却技术，在保证有效冷却的同时，避免冷却过程的环境污染，是精密与超精密加工技术发展面临的重要课题，所以从保证精密切削质量和实现绿色环保两个方面开展新型的冷却机理与技术研究具有重要的意义。开发绿色、高效的冷却技术已经成为精密加工技术发展的基础和关键技术之一，在保证优良的冷却效果，提高加工效率与加工质量的同时，尽量减少冷却液的用量，从而降低环境污染、保护操作者的健康，实现绿色制造。
为了克服以上冷却技术的不足，公开号为CN101966661A的专利文献公开了一种超声聚焦汽雾冷却器，该超声聚焦汽雾冷却器冷却器采用夹心式换能器结构，具有功率容量较大，汽雾聚焦能力较强的优点，并且在高效冷却的基础上，可以减少冷却液用量，但是该超声聚焦汽雾冷却器，也存在着一些缺陷，这种超声聚焦汽雾冷却器在设计时需要保证压电换能器部分的固有频率和聚焦球壳部分的固有频率相同，聚焦球壳部分必须安装在振子结构的纵向振动波腹的位置，制造和调节修正难度较大；雾化部分和聚焦球壳部分共用一个压电换能器，使分配到雾化器前端部分和聚焦球壳部分的功率较小，致使雾化效果和聚焦效果较差；并且拆卸维修不便；如果该超声聚焦汽雾冷却器中的任何一个零件损坏，就会可能导致整个系统不能工作，要对整个系统进行更换和维修，后期维护成本较高。
发明内容
为克服以上冷却技术的不足，本发明的目的在于提供一种分体式结构的超声聚焦汽雾冷却装置，该装置由超声振动雾化器和超声振动聚焦器构成，超声振动雾化器包括送液管道、螺栓1、后盖板1、压电陶瓷片1、电极片1、变幅杆1和网孔振动板，超声振动聚焦器包括螺栓2、后盖板2、压电陶瓷片2、电极片2、变幅杆2和聚焦球壳。所述的后盖板1、压电陶瓷片1、电极片1和变幅杆1通过所述的螺栓1联接夹紧，所述的网孔振动板设置在所述的变幅杆1的前端，形成超声振动雾化器。所述的后盖板2、压电陶瓷片2、电极片2和变幅杆2通过所述的螺栓2联接夹紧，所述的聚焦球壳设置在所述的变幅杆2的前端，形成超声振动聚焦器。所述超声振动雾化器前端的网孔振动板和变幅杆1穿过超声振动聚焦器的内孔。该分体式超声聚焦汽雾冷却装置中的超声雾化器和超声聚焦器的换能器独立设计，不需要保证超声雾化器和超声聚焦器的固有频率相同，和一体式的超声聚焦汽雾冷却器相比，该分体式结构超声聚焦汽雾冷却装置制造容易，超声振动聚焦器和超声振动雾化器的相对位置调节方便，超声振动雾化器和超声振动聚焦器的功率均较大，超声雾化和超声聚焦的效果较好，后期维修方便。
更进一步，所述送液管道与一定量供液装置相连。
更进一步，所述分体式超声聚焦汽雾冷却装置的超声振动雾化器与超声电源1连接。
更进一步，所述分体式超声聚焦汽雾冷却装置的超声振动聚焦器与超声电源2连接。
更进一步，所述的分体式超声聚焦汽雾冷却装置的网孔振动板设置在所述的聚焦球壳的声学聚焦焦点靠近超声振动聚焦器一侧。
运行时，当超声振动雾化器的电极片1接入超声电源1的电信号后，超声振动雾化器的压电换能器段就会产生纵向超声简谐振动，并驱动变幅杆1前端的网孔振动板进行超声振动，在变幅杆的纵振激励下，网孔振动板形成了弯曲振动，并达到一定的振动幅值，液态介质流经送液管道至网孔振动板时，受到网孔振动板上微孔的约束作用，并受到网孔振动板的高频超声振动作用，液态介质流经网孔振动板的微孔后在雾化器网孔振动板的前方形成微小雾滴，并向前喷射。由于弯曲振动在实现超声和空气的耦合时耦合系数较高，超声振动能量转化率较高，因此网孔振动板的弯曲振动可以提高雾滴喷射的指向性。由于换能器采用夹心式结构，因此具有功率容量大等优点。雾滴直径受网孔振动板上微孔的约束作用，限制了雾滴直径，且保证了雾滴直径的均匀性。
当超声振动聚焦器的电极片2接入超声电源2的电信号后，超声振动聚焦器的压电换能器部分就会产生纵向超声简谐振动，并驱动变幅杆2前端的聚焦球壳进行超声振动，且超声振动聚焦器的纵向超声简谐振动传递到聚焦球壳后转换为聚焦球壳的弯曲超声振动，聚焦球壳的弯曲超声振动易于与空气介质耦合，有利于超声波能量从聚焦球壳向空气介质中传播，超声波能量沿聚焦球壳的半径方向在聚焦球壳的球心附近汇聚，在聚焦球壳的球心附近形成高声压区域。当聚焦后的超声波能量作用于超声振动雾化器喷出的汽雾后，可以使汽雾得到加速，使其具有更高的动能并通过两种途径进入磨削加工区：一是突破气障后附着在工具表面由工具的回转运动带入磨削加工区；二是汽雾嵌入到工件表面的微观几何峰谷中，随工件的进给运动带入磨削加工区，到达热源表面，从而起到高效的强制冷却作用。
附图说明
图1是本发明的一种分体式超声聚焦汽雾冷却装置的结构示意图；
图2是本发明的一种分体式超声聚焦汽雾冷却装置应用范例的系统结构示意图；
图中标号说明：1.送液管道，2.螺栓1，3.后盖板1，4.压电陶瓷片1，5.电极片1，6.变幅杆1， 7.螺栓2，8.后盖板2，9.压电陶瓷片2，10.电极片2，11.变幅杆2, 12.聚焦球壳，13.网孔振动板，14.送液装置，15.超声电源1， 16.超声电源2
具体实施方式
实施例1
如图2所示，本发明是一种分体式超声聚焦汽雾冷却装置，该装置由超声振动雾化器和超声振动聚焦器构成，超声振动雾化器包括送液管道(1)、螺栓1(2)、后盖板1(3)、压电陶瓷片1(4)、电极片1(5)、变幅杆1(6)和网孔振动板(13)，超声振动聚焦器包括螺栓2(7)、后盖板2(8)、压电陶瓷片2(9)、电极片2(10)、变幅杆2(11)和聚焦球壳(12)，所述的后盖板1(3)、压电陶瓷片1(4)、电极片1(5)和变幅杆1(6)通过所述的螺栓1(2)联接夹紧，所述的网孔振动板(13)设置在所述的变幅杆1(3)的前端，形成所述的超声振动雾化器，所述的后盖板2(8)、压电陶瓷片2(9)、电极片2(10)和变幅杆2(11)通过所述的螺栓2(7)联接夹紧，所述的聚焦球壳设置在所述的变幅杆2(11)的前端，形成超声振动聚焦器，所述超声振动雾化器前端的网孔振动板(13)和变幅杆1(6)穿过超声振动聚焦器的内孔。所述送液管道(1)与一定量供液装置(14)相连。所述分体式超声聚焦汽雾冷却装置的超声振动雾化器和超声振动聚焦器分别与各自的超声电源连接。所述的分体式超声聚焦汽雾冷却装置的网孔振动板(13)设置在所述的聚焦球壳(12)的声学聚焦焦点靠近超声振动聚焦器一侧。
超声振动雾化器压电陶瓷换能器段直径30mm，压电陶瓷片为PZT-8，尺寸为，Ф30×Ф15×5。变幅杆段直径15mm，换能器固有频率为36.32KHz，阻抗为100欧姆，动态电阻为16欧姆。超声电源输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为36.32±0.01KHz。
运行时，当超声振动雾化器的电极片1接入超声电源1的电信号后，超声电源1输出电压为220V，电流为1.5A，超声振动雾化器的压电换能器段产生纵向超声简谐振动，并驱动变幅杆1前端的网孔振动板进行超声振动，在变幅杆的纵振激励下，网孔振动板形成了弯曲振动，并达到一定的振动幅值，液态介质流经送液管道至网孔振动板时，受到网孔振动板上微孔的约束作用，并受到网孔振动板的高频超声振动作用，液态介质流经网孔振动板的微孔后在雾化器网孔振动板的前方形成微小雾滴，并向前喷射。由于弯曲振动在实现超声和空气的耦合时耦合系数较高，超声振动能量转化率较高，因此网孔振动板的弯曲振动可以提高雾滴喷射的指向性。由于换能器采用夹心式结构，因此具有功率容量大等优点。雾滴直径受网孔振动板上微孔的约束作用，限制了雾滴直径，且保证了雾滴直径的均匀性，这种雾化方式雾滴细小均匀，雾化效果容易控制。
超声振动聚焦器压电陶瓷换能器段直径40mm，压电陶瓷片为PZT-8，尺寸为，Ф40×Ф20×6mm，变幅杆段直径26mm，聚焦球壳球缺直径98mm,内径57mm,外径60mm,换能器固有频率为37.28KHz，阻抗为80欧姆，动态电阻为19欧姆。超声电源输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为37.28±0.01KHz。
当超声振动聚焦器的电极片2接入超声电源2的电信号后，超声电源输出电压为230V，电流为2.2A，超声振动聚焦器的压电换能器部分产生纵向超声简谐振动，并驱动变幅杆2前端的聚焦球壳进行超声振动，且超声振动聚焦器的纵向超声简谐振动传递到聚焦球壳后转换为聚焦球壳的弯曲超声振动，聚焦球壳的弯曲超声振动易于与空气介质耦合，有利于超声波能量从聚焦球壳向空气介质中传播，超声波能量沿聚焦球壳的半径方向在聚焦球壳的球心附近汇聚，在聚焦球壳的球心附近形成高声压区域。当聚焦后的超声波能量作用于超声振动雾化器喷出的汽雾后，可以使汽雾得到加速，使其具有更高的动能并通过两种途径进入磨削加工区：一是突破气障后附着在工具表面由工具的回转运动带入磨削加工区；二是汽雾嵌入到工件表面的微观几何峰谷中，随工件的进给运动带入磨削加工区，到达热源表面，从而起到高效的强制冷却作用。
Claims (2)
1.一种分体式超声聚焦汽雾冷却装置，其特征在于，该装置由超声振动雾化器和超声振动聚焦器构成，超声振动雾化器包括送液管道(1)、螺栓1(2)、后盖板1(3)、压电陶瓷片1(4)、电极片1(5)、变幅杆1(6)和网孔振动板(13)，超声振动聚焦器包括螺栓2(7)、后盖板2(8)、压电陶瓷片2(9)、电极片2(10)、变幅杆2(11)和聚焦球壳(12)，所述的后盖板1(3)、压电陶瓷片1(4)、电极片1(5)和变幅杆1(6)通过所述的螺栓1(2)联接夹紧，所述的网孔振动板(13)设置在所述的变幅杆1(3)的前端，形成所述的超声振动雾化器，所述的后盖板2(8)、压电陶瓷片2(9)、电极片2(10)和变幅杆2(11)通过所述的螺栓2(7)联接夹紧，所述的聚焦球壳设置在所述的变幅杆2(11)的前端，形成超声振动聚焦器，所述超声振动雾化器前端的网孔振动板(13)和变幅杆1(6)穿过超声振动聚焦器的内孔。
2.根据权利要求1所述的分体式超声聚焦汽雾冷却装置，其特征在于：所述的分体式超声聚焦汽雾冷却装置的网孔振动板(13)设置在所述的聚焦球壳(12)的声学聚焦焦点靠近超声振动聚焦器一侧。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141119 Termination date: 20170127 |