CN103495541B - 多孔矩形六面体超声变幅器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多孔矩形六面体超声变幅器，所述超声变幅器的本体为矩形六面体（1），所述矩形六面体（1）的上表面为辐射面（2），所述矩形六面体（1）内设有多个均匀分布且直径相同的竖直圆柱形通孔（5）。本发明通过在矩形六面体内均匀分布竖直圆柱形通孔来改变和控制矩形六面体的超声振动特性，将经由超声换能器和超声变幅杆输入的水平方向超声振动转化为竖直方向的超声振动，并在矩形六面体辐射面的中心区域获得大小均匀的竖直方向振幅，有利于负载任意形状和尺寸的板状工件在竖直方向上实现辅助超声振动。

Description

多孔矩形六面体超声变幅器
技术领域
本发明涉及超声波辅助成形加工技术领域，更具体地说，涉及一种多孔矩形六面体超声变幅器。
背景技术
难加工材料零件的超声辅助成形加工是目前机械加工工艺重点研究的关键问题之一。在超声辅助成形加工中，超声系统通过超声电源、超声换能器和超声变幅杆(或变幅器)产生超声频机械振动并将振动的幅度增大，传递给加工工具或被加工工件，使其产生高频谐振，从而实现超声辅助成形加工。目前，在超声辅助成形加工工艺中，超声振动主要是叠加在加工工具上，基于被加工工件辅助超声振动的工艺较少。这是由于随着工件质量以及尺寸的增大，会对整个超声系统的超声频谐振产生较大影响，从而很难使不同形状和尺寸的工件达到超声频谐振状态。因此，实现任意尺寸和重量工件的辅助超声振动成为科技工作者孜孜不倦追求解决的难题之一。
现有的工件辅助超声振动有两种方法。一种是将超声系统中的一个或多个变幅杆与被加工工件通过螺杆直接连接，对工件实施激振从而实现工件的单向或多向水平超声振动。由于工件和变幅杆固结在一起进行高频谐振，因此工件的尺寸不能是任意的，而必须按照全谐振理论进行设计。另一种是将工件粘接在变幅杆末端，随着变幅杆一起做竖直方向的高频振动，这种方法适用于体积小质量轻的工件，对于谐振状态影响不大。而实际的被加工工件具有任意形状尺寸和重量，因此急需开发能驱动任意形状和尺寸工件进行超声振动的加工装置。
要实现工件的辅助超声振动，关键是使超声变幅器能负载工件产生高频谐振。为了使变幅器在一定范围内适应不同形状和尺寸的工件并与之一起达到谐振状态，变幅器对频率变化的敏感程度应尽可能的低，相近模态的频率差别应尽可能大；变幅器的辐射面位移应尽可能均匀，且在辐射面上应有较大的位移。矩形六面体由于具有极为丰富的三维耦合振动模式，且在某些频率附近谐振频率密集分布，因此矩形六面体是一种有效的宽频带辐射声源。但由于大尺寸矩形六面体存在明显的三维耦合振动，因此需要对矩形六面体的结构进行改进来控制其高频振动特性。目前的主要改进方式是在大尺寸矩形六面体上设置通孔槽和小狭缝的方法来改善矩形六面体端面振幅的均匀性，但该方法不能驱动任意形状和尺寸工件进行高频谐振。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种多孔矩形六面体超声变幅器，可以负载任意形状和尺寸的板状工件在竖直方向上实现辅助超声振动。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多孔矩形六面体超声变幅器，所述超声变幅器的本体为矩形六面体，所述矩形六面体的上表面为辐射面，所述矩形六面体内设有多个均匀分布且直径相同的竖直圆柱形通孔。
在本发明所述的多孔矩形六面体超声变幅器中，所述竖直圆柱形通孔的直径为5～9mm，深度为20～40mm。
在本发明所述的多孔矩形六面体超声变幅器中，竖直圆柱形通孔的密度为24～50个/dm2。
在本发明所述的多孔矩形六面体超声变幅器中，所述矩形六面体的左端面设有用于与超声振动输入设备连接的螺栓孔。
在本发明所述的多孔矩形六面体超声变幅器中，所述螺栓孔设置在所述矩形六面体的左端面的中心位置。
在本发明所述的多孔矩形六面体超声变幅器中，所述矩形六面体的底面设有下螺栓孔，所述下螺栓孔通过螺栓与支腿连接。
在本发明所述的多孔矩形六面体超声变幅器中，所述竖直圆柱形通孔的上部为用于装夹固定工件的螺纹孔。
实施本发明的多孔矩形六面体超声变幅器，具有以下有益效果：
本发明通过在矩形六面体内均匀分布竖直圆柱形通孔来改变和控制矩形六面体的超声振动特性，将经由超声换能器和超声变幅杆输入的水平方向超声振动转化为竖直方向的超声振动，并在矩形六面体辐射面的中心区域获得大小均匀的竖直方向振幅，有利于负载任意形状和尺寸的板状工件在竖直方向上实现辅助超声振动。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明多孔矩形六面体超声变幅器的剖视图；
图2是本发明多孔矩形六面体超声变幅器的俯视图；
图3是本发明多孔矩形六面体超声变幅器的左视图；
图4a是多孔矩形六面体超声变幅器的有限元仿真结果的中间区域位移/频率变化曲线；
图4b是多孔矩形六面体超声变幅器的有限元仿真结果的Z轴位移云图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-图3所示，本发明的多孔矩形六面体超声变幅器的本体为矩形六面体1，矩形六面体1的上表面为辐射面2。矩形六面体1内设有多个均匀分布的竖直圆柱形通孔5，多个竖直圆柱形通孔5的直径相同。
矩形六面体1的左端面3可以设置螺栓孔6，螺栓孔6优选设置在矩形六面体1左端面3的中心位置。用于与超声换能器、超声变幅杆等超声振动输入设备连接。超声换能器和超声变幅杆等设备输入的水平超声纵波在遇到竖直均匀分布的圆柱形通孔5时，由于超声波在固-气分界面上产生折射、反射和散射现象，部分超声波改变了原有的水平传播方向，沿孔壁的竖直方向进行传播，从而在矩形六面体1辐射面2的中心区域获得大小均匀的竖直方向振幅，有利于实现任意形状和尺寸的板状工件在竖直方向上的辅助超声振动。
进一步的，竖直圆柱形通孔5的直径为5～9mm，深度为20～40mm。孔的密度为24～50个/dm2。保证可在辐射面2的中心区域获得较均匀的最大振幅。
进一步的，矩形六面体1的底面4设有下螺栓孔7，下螺栓孔7通过螺栓与支腿8连接。本实施例中有四个对称设置的下螺栓孔7，使超声变幅器整体能水平固定在工作台上。
进一步的，竖直圆柱形通孔5的上部为螺纹孔9，用于装夹固定工件。
对于本实施例的矩形六面体1超声变幅器，采用有限元仿真分析后，可得到的最优振动特性如图4a、图4b所示。矩形六面体1中辐射面2的面积为2dm2，矩形六面体1超声变幅器中均布竖直圆柱形孔，孔数为9×9，孔径7mm，孔深40mm，工作频率接近20KHz，可在上表面2(即辐射面)的中心区域获得较均匀的最大振幅，如图4b中深色区域所示，当输入振幅为10um时，中心最大振幅可达6.37um。有利于在中心区域实现对工件的负载，并实现均匀的超声振动。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种多孔矩形六面体超声变幅器，所述超声变幅器的本体为矩形六面体（1），其特征在于，所述矩形六面体（1）的上表面为辐射面（2），所述矩形六面体（1）内只在竖直方向设有多个均匀分布且直径相同的竖直圆柱形通孔（5），所述竖直圆柱形通孔（5）的直径为5~9mm，深度为20~40mm，竖直圆柱形通孔（5）的密度为24~50个/dm2。
2.根据权利要求1所述的多孔矩形六面体超声变幅器，其特征在于，所述矩形六面体（1）的左端面（3）设有用于与超声振动输入设备连接的螺栓孔（6）。
3.根据权利要求2所述的多孔矩形六面体超声变幅器，其特征在于，所述螺栓孔（6）设置在所述矩形六面体（1）的左端面（3）的中心位置。
4.根据权利要求1所述的多孔矩形六面体超声变幅器，其特征在于，所述矩形六面体（1）的底面（4）设有下螺栓孔（7），所述下螺栓孔（7）通过螺栓与支腿（8）连接。
5.根据权利要求1所述的多孔矩形六面体超声变幅器，其特征在于，所述竖直圆柱形通孔（5）的上部为用于装夹固定工件的螺纹孔（9）。
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