CN104772270A - 输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆 - Google Patents

Abstract

一种输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆，在变幅杆的中心线轴向小端内侧加工有矩形通孔，矩形通孔的外孔壁与小端之间的距离t为2mm～0.18变幅杆长度L，该变幅杆的几何形状是两端面为垂直于中心线的平行平面、侧面为圆台旋转曲面的棒状体。由于本发明采用在圆锥变幅杆的中心线轴向距离输出端的一定距离处加工有一个矩形通孔，在纵振动谐振频率处工作，输出端除了有变幅杆的纵振动外，还会激励有弯曲振动的分量。纵振动和弯曲振动的分量的叠加，开孔圆锥变幅杆的振幅放大系数比相同形状相同材料制作的实心圆锥变幅杆的振幅放大系数提高2.5～6.8倍，大大提高了工作效率。

Description

输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆

技术领域

本发明属于机械振动技术领域，具体涉及到超声换能器的超声变幅杆。

背景技术

超声变幅杆可广泛地应用于化工、石油、清洗、机械加工、食品、医药、汽车、仪器仪表、纺织、机械加工(如车削、打孔、研磨、塑料焊接、金属焊接)等领域中。它是超声振动系统中一个重要组件，与超声换能器相连接，主要作用是把超声换能器输出的机械振动的质点位移或速度进行放大，并将超声能量集中在变幅杆输出端的面积上即起着聚能的作用，也称变速杆或聚能器。通常超声换能器输出端的振幅较小，只有几微米，超声变幅杆能把振幅放大到超声处理或超声加工所需要几十甚至几百微米的振幅上。因此，超声变幅杆对提高超声振动系统的工作效率，延长换能器的使用寿命有着重要的意义。

为了放大质点的振动位移或速度，一般是变幅杆的输入端与换能器输出端相连接，变幅杆输入端的面积较大、输出端的面积较小，这样可将超声能量集中在较小的输出端面积上，从而实现聚能的作用，如悬链线形、指数形、圆锥形、高斯形等传统的变截面变幅杆，其输入端面积大，输出端面积小。为了提高超声处理和超声加工的效率，实际应用中，超声塑料焊接、超声金属焊接、超声打孔等，在换能器的输入电功率不变的情况下，变幅杆放大系数越大，则工作时间越短，工作效率也越高。在振动系统中，若采用一个变幅杆没有达到工作所要求的振动幅度，则通常采用多个变幅杆级联起来。

功率超声振动系统中的变幅杆主要起着放大振幅作用，以便进行超声加工和超声处理。为了提高超声处理和超声加工的效率，实际应用中，例如超声塑料焊接、超声金属焊接、超声打孔等，在换能器的输入电功率不变的情况下，变幅杆放大系数越大，则工作时间越短，工作效率也越高。传统的变截面实心体变幅杆的振幅放大系数有限，对大振幅的功率超声应用，往往不能满足要求。解决的方法第一种是将多级变幅杆级联在一起，第二种是加大换能器的输入电功率，第一种方法会增大成本，第二种方法会减短换能器的使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述装置的缺点，提供一种设计合理、结构简单、振幅放大系数大的输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在变幅杆的中心线轴向小端内侧加工有矩形通孔，矩形通孔的外孔壁与小端之间的距离t为2mm～0.18变幅杆长度L，该变幅杆的几何形状是两端面为垂直于中心线的平行平面、侧面为圆台旋转曲面的棒状体。

本发明的圆台旋转曲面为：以直角坐标系中的曲线

y＝D(1-αx)，其中

为母线、x轴为旋转轴形成的旋转曲面，0≤x≤变幅杆长度L，式中y为坐标x截面处的半径，D为变幅杆的大端直径，d为变幅杆的小端直径。

本发明的变幅杆的大端直径D为变幅杆长度L的0.15～0.4倍，小端直径d至少比大端直径D小于2mm。

本发明的矩形通孔的长度b为变幅杆长度L的0.15～0.6倍、宽度a为变幅杆小端直径d的0.3～0.8倍。

本发明的变幅杆长度L为40～200mm。

由于本发明采用在圆锥变幅杆的中心线轴向距离输出端的一定距离处加工有一个矩形通孔，在纵振动谐振频率处工作，输出端除了有变幅杆的纵振动外，还会激励有弯曲振动的分量。纵振动和弯曲振动的分量的叠加，开孔圆锥变幅杆的振幅放大系数比相同形状相同材料制作的实心圆锥变幅杆的振幅放大系数提高2.5～6.8倍，大大提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

在图1中，本发明的输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆由变幅杆1构成。本实例变幅杆1的两端面为垂直于中心线的平行平面、侧面为圆台旋转曲面的棒状体，侧面的几何形状是以直角坐标系中的曲线

y＝D(1-αx)，其中

为母线、x轴为旋转轴形成的旋转曲面，0≤x≤变幅杆长度L，式中y为坐标x截面处的半径，D为变幅杆1的大端直径，在使用时，变幅杆1的大端与超声换能器相联，d为变幅杆1的小端直径，变幅杆1的小端为输出端。本实施例变幅杆长度L为120mm，变幅杆1的大端直径D为36mm、小端直径d为20mm，大端直径D为变幅杆长度L的0.3倍。根据实际情况，小端直径d可在小于大端直径D的2mm范围内取值。制作变幅杆1的材料为45﹟钢材。在变幅杆1的中心线轴向距离小端t为12mm处加工有矩形通孔，矩形通孔的外孔壁与输出端之间的距离t为0.10变幅杆长度L，矩形通孔的长度b为26mm、宽度a为10mm，矩形通孔的长度b为变幅杆长度L的0.3倍，矩形通孔的宽度a为变幅杆小端直径d的0.5倍。这种结构的输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆与实心体圆锥形超声纵振动变幅杆相比，采用ANSYS有限元软件计算得到，实心体圆锥形超声纵振动变幅杆的纵振动频率为22.5kHz、放大系数为1.8，本实施例的纵振动频率为23.0kHz、小端弯曲振动频率为32.5kHz、放大系数为6.0。

这种结构的输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆，在纵振动谐振频率处工作，输出端除了有变幅杆的纵振动外，还会激励有弯曲振动的分量。纵振动和弯曲振动的分量的叠加，本实施例的振幅放大系数比实心体圆锥形超声纵振动变幅杆的放大系数提高2.5～6.8倍，大大提高了工作效率。

实施例2

本实例变幅杆1的两端面为垂直于中心线的平行平面、侧面为圆台旋转曲面的棒状体，侧面的几何形状是以直角坐标系中的曲线

y＝D(1-αx)，其中

为母线、x轴为旋转轴形成的旋转曲面，0≤x≤变幅杆长度L，式中y为坐标x截面处的半径，D为变幅杆1的大端直径，变幅杆1的大端为输入端、小端为输出端。本实施例变幅杆长度L、变幅杆1的大端直径D、变幅杆1的小端直径d的几何尺寸以及制作的材料与实施例1相同，在变幅杆1的中心线轴向距离小端t为2mm处加工有矩形通孔，矩形通孔的长度b为18mm，矩形通孔的长度b为变幅杆长度L的0.15倍，矩形通孔的宽度a为6mm，矩形通孔的宽度a为变幅杆1小端直径d的0.3倍。这种结构的输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆与实心体圆锥形超声纵振动变幅杆相比，采用ANSYS有限元软件计算得到，实心体圆锥形超声纵振动变幅杆的纵振动频率为22.5kHz、放大系数为1.8，本实施例的纵振动频率为22.95kHz、小端弯曲振动频率为38.35kHz、放大系数能达到4.5。

实施例3

本实例变幅杆1的两端面为垂直于中心线的平行平面、侧面为圆台旋转曲面的棒状体，侧面的几何形状是以直角坐标系中的曲线

y＝D(1-αx)，其中

为母线、x轴为旋转轴形成的旋转曲面，0≤x≤变幅杆长度L，式中y为坐标x截面处的半径，D为变幅杆1的大端直径，变幅杆1的大端为输入端、小端为输出端。本实施例变幅杆长度L、变幅杆1的大端直径D、变幅杆1的小端直径d的几何尺寸以及制作的材料与实施例1相同，在变幅杆1的中心线轴向距离小端t为21.6mm处加工有矩形通孔，矩形通孔的外孔壁与小端之间的距离t为0.18变幅杆长度L，矩形通孔的长度b为72mm，矩形通孔的长度b为变幅杆长度L的0.6倍，矩形通孔的宽度a为16mm，矩形通孔的宽度a为变幅杆小端直径d的0.8倍。这种结构的输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆与实心体圆锥形超声纵振动变幅杆相比，采用ANSYS有限元软件计算得到，实心体圆锥形超声纵振动变幅杆的纵振动频率为22.5kHz、放大系数为1.8，本实施例的纵振动频率为14.2kHz、小端弯曲振动频率为15.9kHz、放大系数能达到12.2。

实施例4

在以上的实施例1～3中，变幅杆1的几何形状、制作变幅杆1所用的材料与实施例1相同，变幅杆长度L为40mm，变幅杆1的大端直径D与变幅杆长度L的比与相应的实施例相同，小端直径d比大端直径D小于2mm的范围内任意选取，本实施例变幅杆1的大端直径D为6mm，小端直径d为4mm，在变幅杆1的中心线轴向小端内侧加工有矩形通孔，矩形通孔的外孔壁与小端之间的距离t与变幅杆长度L的比与相应的实施例相同。矩形通孔的长度b为6mm、矩形通孔的宽度a为1.2mm，矩形通孔的长度b为变幅杆长度L的0.15倍，矩形通孔的宽度a为变幅杆小端直径d的0.3倍。

实施例5

在以上的实施例1～3中，变幅杆1的几何形状、制作变幅杆1所用的材料与实施例1相同，变幅杆长度L为200mm，变幅杆1的大端直径D与变幅杆长度L的比与相应的实施例相同，小端直径d比大端直径D小于2mm的范围内任意选取，本实施例幅杆1的大端直径D为80mm，幅杆1的大端直径D为变幅杆长度L的0.4倍，小端直径d为40mm，在变幅杆1的中心线轴向小端内侧加工有矩形通孔，矩形通孔的外孔壁与小端之间的距离t与变幅杆长度L的比与相应的实施例相同。矩形通孔的长度b为120mm，矩形通孔的宽度a为32mm，矩形通孔的长度b为变幅杆长度L的0.6倍，矩形通孔的宽度a为变幅杆小端直径d的0.8倍。

Claims (6)

1.一种输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆，其特征在于：在变幅杆(1)的中心线轴向小端内侧加工有矩形通孔，矩形通孔的外孔壁与小端之间的距离t为2mm～0.18变幅杆长度L，该变幅杆(1)的几何形状是两端面为垂直于中心线的平行平面、侧面为圆台旋转曲面的棒状体。

2.根据权利要求1所述的输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆，其特征在于所述的圆台旋转曲面为：以直角坐标系中的曲线

y＝D(1-αx)，其中

为母线、x轴为旋转轴形成的旋转曲面，0≤x≤变幅杆长度L，式中y为坐标x截面处的半径，D为变幅杆(1)的大端直径，d为变幅杆(1)的小端直径。

3.根据权利要求1或2所述的输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆，其特征在于：所述的变幅杆(1)的大端直径D为变幅杆长度L的0.15～0.4倍，小端直径d至少比大端直径D小于2mm。

4.根据权利要求1所述的输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆，其特征在于：所述的矩形通孔的长度b为变幅杆长度L的0.15～0.6倍、宽度a为变幅杆小端直径d的0.3～0.8倍。

5.根据权利要求1或2或4所述的输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆，其特征在于：所述的变幅杆长度L为40～200mm。

6.根据权利要求3所述的输出端轴向开孔的圆锥形超声纵振动变幅杆，其特征在于：所述的变幅杆长度L为40～200mm。