CN103203312A - 超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，包括：换能器主体；线圈支架；壳体，所述壳体包括顶板、底板以及设在所述顶板和所述底板之间的多个超磁致伸缩棒安装管；多个超磁致伸缩棒，所述超磁致伸缩棒分别安装在所述超磁致伸缩棒安装管内；第一导磁片和第二导磁片；上盖板和下盖板；紧固件；磁性件；和线圈，所述线圈绕在所述线圈支架上，所述线圈与所述紧固件同轴，所述线圈中通入超声频交变电流产生交变磁场以驱动所述超磁致伸缩棒产生纵-扭复合振动。根据本发明实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，减少了零部件，简化了换能器的结构，使换能器结构更为紧凑，有利于超声能量的高效传输。
Description
技术领域
本发明涉及超声精密仪器加工技术领域，更具体地，涉及一种超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器。
背景技术
目前，在超声加工（如钻孔、铣削等）中，主要采用的是压电纵振换能器，即以压电陶瓷作为电-机能量转换元件，产生的机械振动为纵向振动（即沿主轴轴向）。研究表明，在超声加工中引入扭转振动（即沿主轴切向），能够减小切削扭矩和切削力（如钻削力、铣削力等），提高加工质量，延长刀具寿命。
对于压电换能器，可以通过以下两类方法来产生扭振：
1.制作切向极化的压电陶瓷晶堆。对压电陶瓷晶片作切向极化的制作工艺比较复杂，尤其是扇形晶片的切向极化，当尺寸较大时，会出现诸如电击穿、极化不完全等许多问题。因此尽管这种方法结构简单，但功率容量不大，在目前的陶瓷生产工艺水平下，很难研制出大功率高性能的扭转振动换能器。
2.通过一些具有特殊结构的传振装置，将振动模式从纵振或弯振转换为扭振。如：1)利用压电纵振或弯振换能模块在变幅杆的切向做推挽振动产生扭振；2）利用压电纵振换能器和具有螺旋形沟槽的变幅杆配合产生扭振；3)利用压电纵振换能器和斜槽式传振杆配合产生扭振。
这些方法多出了振动转换装置，结构比较复杂，能量转换效率较低，输出功率较小，对于大功率旋转超声加工而言适用性不高。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种结构简单、能量转换效率高的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器。
根据本发明实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，包括：换能器主体；线圈支架，所述线圈支架设在所述换能器主体上；壳体，所述壳体包括顶板、底板以及设在所述顶板和所述底板之间的多个超磁致伸缩棒安装管，多个所述超磁致伸缩棒安装管分别与所述顶板和底板连通且与所述底板的上表面之间倾斜成预定角度，所述顶板和底板上分别形成有安装孔；多个超磁致伸缩棒，所述超磁致伸缩棒分别安装在所述超磁致伸缩棒安装管内；第一导磁片和第二导磁片，所述第一导磁片和第二导磁片设在所述线圈支架内，且所述第一导磁片设在所述顶板的上方，所述第二导磁片设在所述底板的下方；上盖板和下盖板，所述上盖板和下盖板设在所述线圈支架内，且所述上盖板设在所述第一导磁片的上方，所述下盖板设在所述第二导磁片的下方；紧固件，所述紧固件依次穿过所述上盖板、第一导磁片、顶板和底板上的安装孔、第二导磁片和下盖板并将其紧固；磁性件，所述磁性件设在所述顶板和所述底板之间且分布在所述紧固件外周；和线圈，所述线圈绕在所述线圈支架上，所述线圈与所述紧固件同轴，所述线圈中通入超声频交变电流产生交变磁场以驱动所述超磁致伸缩棒产生纵-扭复合振动。
根据本发明实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，利用倾斜成一定角度的超磁致伸缩棒直接产生纵-扭复合振动，减少了零部件，简化了换能器的结构，使换能器结构更为紧凑，有利于超声能量的高效传输；大大提高了能量转换效率，在同等条件下增大了输出功率和输出振幅；超磁致伸缩材料的声速低，并且改变了传统的振动模式转换装置，有利于换能器的小型化设计，减小了换能器质量，适合在超声加工中应用。
另外，根据本发明实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述顶板和底板分别形成为圆形，且所述底板的直径小于所述顶板的直径，所述安装孔分别设在所述顶板和底板的中心位置。
根据本发明的一个实施例，所述超磁致伸缩棒为四个，四个所述超磁致伸缩棒沿所述底板的外周间隔开均匀分布。
根据本发明的一个实施例，所述紧固件为螺栓，所述螺栓与所述下盖板通过螺纹连接。
根据本发明的一个实施例，所述线圈的竖直高度大于所述超磁致伸缩棒的竖直高度。
根据本发明的一个实施例，所述线圈支架与所述换能器主体一体形成。
根据本发明的一个实施例，所述超磁致伸缩棒为多个间隔开布置的切片，多个所述切片之间通过环氧树脂粘接。
根据本发明的一个实施例，所述换能器还包括：冷却管，所述冷却管的一端伸入到所述线圈支架和所述壳体之间的间隙内。
根据本发明的一个实施例，所述磁性件为永磁体。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器的分离设计的结构示意图；
图2是根据本发明另一个实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器的一体式设计的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器的壳体的侧视图；
图4是根据本发明一个实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器的壳体的一个角度的示意图；
图5是根据本发明一个实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器的壳体的另一个角度的示意图；（因为权利要求中保留了对壳体结构的描述，也就是超磁致伸缩棒的外壳，而没有另外提出超磁致伸缩棒的外壳，因此，图3-图5中还是保留壳体的说法，说明书同）
图6是根据本发明一个实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器的超磁致伸缩棒与所述底板的俯视图；
图7是根据本发明一个实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器的超磁致伸缩棒与所述底板的另一个角度的示意图；
图8是根据本发明一个实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器的磁场方向的分解示意图；
图9是根据本发明一个实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器的超磁致伸缩棒机械振动分解示意图；
图10是根据本发明一个实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器的超磁致伸缩棒的切片结构示意图；
图11是根据本发明一个实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器的超磁致伸缩棒的切片的另一结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图具体描述根据本发明实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器。
如图1至图11所示，根据本发明实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器包括：换能器主体、线圈支架10、壳体20、多个超磁致伸缩棒30、第一导磁片41和第二导磁片42，上盖板51和下盖板52，紧固件60、磁性件70和线圈80。
具体而言，如图1和图2所示，线圈支架10设在换能器主体上，线圈支架10内形成有一定的空间用于安装壳体20。壳体20设在线圈支架10内，如图3至图7所示，
壳体20包括顶板21、底板22以及设在顶板21和底板22之间的多个超磁致伸缩棒安装管23，多个超磁致伸缩棒安装管24分别与顶板21和底板22连通且与底板22的上表面之间倾斜成预定角度，顶板21和底板22上分别形成有安装孔23。
多个超磁致伸缩棒30分别安装在超磁致伸缩棒安装管24内（如图1和图2所示），且超磁致伸缩棒30的上端和下端分别通过顶板21和底板22上的通孔与第一导磁片41和第二导磁片42连接。
第一导磁片41和第二导磁片42设在线圈支架10内，且第一导磁片41设在顶板21的上方，第二导磁片42设在底板22的下方。上盖板51和下盖板52设在线圈支架10内，且上盖板51设在第一导磁片41的上方，下盖板52设在第二导磁片42的下方。
紧固件60依次穿过上盖板51、第一导磁片41、顶板21和底板22上的安装孔23、第二导磁片42和下盖板52并将其紧固。磁性件70设在顶板21和底板22之间且分布在紧固件60外周。
线圈80绕在线圈支架10上，线圈80与紧固件60同轴，线圈80中通入超声频交变电流产生交变磁场以驱动超磁致伸缩棒30产生纵-扭复合振动。换言之，上盖板51、下盖板52和线圈支架10配合，在线圈80通入超声频交变电流时，将第一导磁片41和第二导磁片42以及线圈80产生的超声频交变磁场与超磁致伸缩棒30构成完整的磁回路，从而驱动超磁致伸缩棒30产生纵-扭复合振动。
线圈80的两端与超声波发生器的两极相接，超声波发生器产生的超声频交变电流流经线圈80，由电磁感应原理可知，将在空间产生超声频的交变磁场，磁场方向沿换能器的轴向（磁场的具体方向由线圈80中电流的流向决定），这一交变磁场即为超磁致伸缩棒30的驱动磁场。
由此，根据本发明实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，利用倾斜成一定角度的超磁致伸缩棒30直接产生纵-扭复合振动，减少了零部件，简化了换能器的结构，使换能器结构更为紧凑，有利于超声能量的高效传输；大大提高了能量转换效率，在同等条件下增大了输出功率和输出振幅；超磁致伸缩材料的声速低，并且改变了传统的振动模式转换装置，有利于换能器的小型化设计，减小了换能器质量，适合在超声加工中应用。
下面结合图8和图9具体描述根据本发明实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器的工作原理。
由于每个超磁致伸缩棒30分别与顶板21和底板22相连且与底板22的上表面之间倾斜成预定角度，换言之，在换能器安装之后，超磁致伸缩棒30的轴向与换能器主体的轴向成预定角度，其主要通过对每个圆柱状超磁致伸缩棒30的两端进行平行斜切得到。因为超磁致伸缩棒30的轴向为宏观易磁化方向，则超磁致伸缩棒30的宏观易磁化方向与超声频交变磁场的方向形成预定角度。
如图8所示，将超声频交变磁场分解为平行于超磁致伸缩棒30的轴向和垂直于超磁致伸缩棒30的轴向的两个分磁场，对于合适的磁场大小，在这两个分磁场作用下，超磁致伸缩棒30将沿两个分磁场的方向产生形变（即机械振动），其形变的长度分别为：
Δl平=λ平l平
Δl垂=λ垂l垂
其中，Δl平、Δl垂分别为超磁致伸缩棒30沿其轴向和垂直于其轴向的形变长度，λ平、λ垂分别为超磁致伸缩棒30沿其轴向和垂直于其轴向的线磁致伸缩系数，l平、l垂分别为超磁致伸缩棒30沿其轴向和垂直于其轴向的初始长度。
由于超磁致伸缩棒30的轴向为宏观易磁化方向，有λ平>λ垂；又l平为超磁致伸缩棒30的初始长度尺寸，l垂为超磁致伸缩棒30的初始直径尺寸，超磁致伸缩棒30为细长棒，对于细长棒而言有l平>l垂；因而Δl平>Δl垂，可以忽略超磁致伸缩棒30垂直于其轴向方向的形变，只考虑沿其轴向的形变（即机械振动）。
如图9所示，超磁致伸缩棒30的轴线与下导磁片42的一条直径垂直相交，这样的位置关系保证了超磁致伸缩棒30沿其轴向的机械振动可分解为下导磁片42端面垂向的机械振动（即纵向振动）和圆周切向的机械振动（即扭转振动），从而带动下导磁片42和下盖板52进行纵-扭复合振动，并通过下盖板52输出超声频纵-扭复合振动。
其中，需要理解的是，每个超磁致伸缩棒30与底板22的上表面之间倾斜形成的预定角度没有特殊限制，具体地，该预定角度与外磁场强度和超磁致伸缩棒30的饱和磁化强度有关。
根据本发明的一个实施例，顶板21和底板22分别形成为圆形，且底板22的直径小于顶板21的直径，安装孔23分别设在顶板21和底板22的中心位置。由此，顶板21和底板22同轴分布，紧固件60分别穿过顶板21和底板22的中心位置将其紧固，紧固效果好，装配方便。
关于紧固件60的选择没有特殊限制，只要能将换能器的各部件装配完整即可。根据本发明的一个实施例，紧固件60为螺栓，螺栓与下盖板52通过螺纹连接。由此，通过螺纹连接可以对超磁致伸缩棒30施加均匀的预紧力，使超磁致伸缩棒30处于压缩状态。
超磁致伸缩棒30的个数可以根据顶板21和底板22的结构以及实际使用过程中的功率需求进行合理调节，由于顶板21和底板22分别形成为圆形，因此超磁致伸缩棒30的个数至少为两个，并且两个超磁致伸缩棒30沿顶板21和底板22的中心对称。优选地，根据本发明的一个实施例，超磁致伸缩棒30为四个，四个超磁致伸缩棒30沿底板22的外周间隔开均匀分布（如图3至图7所示）。由此，四个超磁致伸缩棒30沿底板22的外周均匀分布，四个超磁致伸缩棒30产生同向的纵-扭复合振动，并带动下导磁片42和下盖板52进行纵-扭复合振动，能保证较大的超声功率输出。
根据本发明的一个实施例，线圈80的竖直高度大于超磁致伸缩棒30的竖直高度。由此，线圈80沿换能器轴向的尺寸比超磁致伸缩棒30长，可以保证超磁致伸缩棒30所处磁场的均匀。
关于线圈支架10与换能器主体的结合方式没有特殊限制，可以根据应用场合的不同进行合理调节。根据本发明的一个实施例，线圈支架10与换能器主体一体形成。当换能器应用于旋转应用场合时，还可采用分离设计。
如图10和图11所示，根据本发明的一个实施例，超磁致伸缩棒30为多个间隔开布置的切片32，多个切片32之间通过环氧树脂粘接。其中，切片32的形状没有特殊限制，可以为多个条纹均匀且平行分布的条纹状结构（如图10所示），也可以为沿切片32的中心向外间隔开且平均散开分布的发散型结构（如图11所示）。由此，该结构可以减少超声振动头在工作时产生的涡流损耗，提高输出功率。
考虑到换能器在工作过程中会产生一定的热量，为了保证换能器的正常进行，需要对其进行冷却处理。根据本发明的一个实施例，换能器还包括：冷却管90，冷却管90的一端伸入到线圈支架10和壳体20之间的间隙内。其中，冷却方式可以采用空气冷却或者冷却液冷却，即冷却管90的另一端与空气压缩机或冷却液泵相连，冷却介质通过冷却管90流经超磁致伸缩棒30和线圈80之间的空隙，可同时对超磁致伸缩棒30和线圈80进行冷却。冷却管90可放置多股，在不同位置对超磁致伸缩棒30和线圈80进行冷却。冷却管90的固定位置没有特殊限制，当线圈支架10与换能器主体采用分离设计时，可将冷却管90固定在线圈支架10上。由此，壳体20与线圈支架10之间的间隙较大，使得壳体20与外界的接触面积大，冷却介质能够完全到达超磁致伸缩棒30的外侧，有利于降低加工过程中超磁致伸缩棒30和线圈80的温度，确保其低于居里点，可以保证加工的顺利进行，并且延长设备的整体使用寿命。
关于磁性件70的选择没有特殊限制，只要能为超磁致伸缩棒30提供偏置磁场，避免超磁致伸缩棒30产生倍频现象即可。优选地，根据本发明的一个实施例，磁性件70为永磁体。由此，永磁体不仅磁性强，使用寿命长，而且来源广泛，成本低廉。
根据本发明实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器在使用时，首先根据实际应用需要，选择线圈80以及线圈支架10的设计方式以及超磁致伸缩棒30的个数，并将其装配完整。
接着，将线圈80的两端与超声波发生器的两级相接，冷却管90与空气压缩机（空冷）或冷却液泵（液冷）相接，换能器下盖板52与负载（如变幅杆、刀具等）相接。
然后调节超声波发生器输出的交变电流的频率，使其为系统的谐振频率；调节超声波发生器输出的交变电流的大小，以产生大小合适的交变磁场。超声波发生器输出的超声频交变电流经线圈80形成空间的超声频交变磁场，该磁场通过第一导磁片41、超磁致伸缩棒30、第二导磁片42形成闭合磁路。在超声频交变磁场的作用下，超磁致伸缩棒30沿其轴向产生超声频的机械振动，超磁致伸缩棒30带动第二导磁片42和下盖板52进行超声频纵-扭复合振动，并通过下盖板52输出超声频纵-扭复合振动。
同时，冷却管90输出气流或冷却液，对超磁致伸缩棒30和线圈80进行冷却，确保其工作温度低于居里点。
总而言之，根据本发明实施例的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，减少了零部件，简化了换能器的结构，使换能器结构更为紧凑，有利于超声能量的高效传输；大大提高了能量转换效率，在同等条件下增大了输出功率和输出振幅；超磁致伸缩材料的声速低，并且改变了传统的振动模式转换装置，有利于换能器的小型化设计，减小了换能器质量，适合在超声加工中应用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，其特征在于，包括：
换能器主体；
线圈支架，所述线圈支架设在所述换能器主体上；
壳体，所述壳体设在所述线圈支架内，所述壳体包括顶板、底板以及设在所述顶板和所述底板之间的多个超磁致伸缩棒安装管，多个所述超磁致伸缩棒安装管分别与所述顶板和底板连通且与所述底板的上表面之间倾斜成预定角度，所述顶板和底板上分别形成有安装孔；
多个超磁致伸缩棒，所述超磁致伸缩棒分别安装在所述超磁致伸缩棒安装管内；
第一导磁片和第二导磁片，所述第一导磁片和第二导磁片设在所述线圈支架内，且所述第一导磁片设在所述顶板的上方，所述第二导磁片设在所述底板的下方；
上盖板和下盖板，所述上盖板和下盖板设在所述线圈支架内，且所述上盖板设在所述第一导磁片的上方，所述下盖板设在所述第二导磁片的下方；
紧固件，所述紧固件依次穿过所述上盖板、第一导磁片、顶板和底板上的安装孔、第二导磁片和下盖板并将其紧固；
磁性件，所述磁性件设在所述顶板和所述底板之间且分布在所述紧固件外周；和
线圈，所述线圈绕在所述线圈支架上，所述线圈与所述紧固件同轴，所述线圈中通入超声频交变电流产生交变磁场以驱动所述超磁致伸缩棒产生纵-扭复合振动。
2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，其特征在于，所述顶板和底板分别形成为圆形，且所述底板的直径小于所述顶板的直径，所述安装孔分别设在所述顶板和底板的中心位置。
3.根据权利要求2所述的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，其特征在于，所述超磁致伸缩棒为四个，四个所述超磁致伸缩棒沿所述底板的外周间隔开均匀分布。
4.根据权利要求1所述的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，其特征在于，所述紧固件为螺栓，所述螺栓与所述下盖板通过螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，其特征在于，所述线圈的竖直高度大于所述超磁致伸缩棒的竖直高度。
6.根据权利要求1所述的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，其特征在于，所述线圈支架与所述换能器主体一体形成。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，其特征在于，所述超磁致伸缩棒为多个间隔开布置的切片，多个所述切片之间通过环氧树脂粘接。
8.根据权利要求7所述的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，其特征在于，所述换能器还包括：冷却管，所述冷却管的一端伸入到所述线圈支架和所述壳体之间的间隙内。
9.根据权利要求7所述的超磁致伸缩纵-扭复合振动超声换能器，其特征在于，所述磁性件为永磁体。
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