CN105950857A - 耐磨高锰钢制件的加工装置 - Google Patents

耐磨高锰钢制件的加工装置 Download PDF

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CN105950857A
CN105950857A CN201610552711.9A CN201610552711A CN105950857A CN 105950857 A CN105950857 A CN 105950857A CN 201610552711 A CN201610552711 A CN 201610552711A CN 105950857 A CN105950857 A CN 105950857A
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不公告发明人
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杨林
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D10/00Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation

Abstract

本发明提供一种钢板加工装置,包括机身,所述机身上设置有铣刀电机,所述铣刀电机下端设置有铣刀,所述机身上设置有轨道,所述铣刀电机设置在轨道上,铣刀电机可沿轨道左右移动,所述铣刀电机上端设置有升降气缸,铣刀电机通过升降气缸上下工作,所述机身下方设置有圆形工作台,所述圆形工作台上设置有卡紧装置。通过圆形工作台上的卡紧装置将长条钢板竖直夹紧,并通过上下运动的铣刀电机带动铣刀进行加工,节省空间,并且在圆形工作台上设置多个卡紧装置,一次加工,工作效率高且不占用空间,适用于中小型企业。

Description

耐磨高锰钢制件的加工装置
技术领域
[0001] 本发明涉及机械领域,具体涉及的是耐磨高锰钢制件的加工装置。
背景技术
[0002] 相关技术中,以ZGMnl3钢(其化学成分大致为0.9~1.2%C,11~14%Mn,0.3~ 0.6%SK0.04%S,<0.07 %P)为代表的耐磨高锰钢,通常是在其制件整体经过1000°C温 度左右的水韧处理后得到单相奥氏体的组织状态下来使用的。由于表层的奥氏体组织在强 烈的冲击载荷或接触应力作用下,能够迅速产生加工硬化而使表层硬度急剧升高,从而使 耐磨高锰钢具有了优异的耐磨性能。外加冲击载荷越大,其表层自身的硬化效果就越好。在 外加载荷持续作用下,虽然表层硬化层将不断地磨耗掉,但次表层的奥氏体将会连续不断 地形成新的加工硬化层,从而保证高锰钢在使用过程中一直保持着高的耐磨性能。并且,耐 磨高锰钢在表层硬度得到提高的同时,其内部仍为具有良好韧性的奥氏体。因此,经水韧处 理后的耐磨高锰钢在具有优异耐磨性的同时,还能承受较大的冲击载荷而不破裂。耐磨高 锰钢的这一特殊性使其在冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等机械装备中,如破碎机锤头、 齿板、乳臼壁、挖壁机斗齿、球磨机衬板、铁路道岔等中长期得以广泛地应用。除了耐磨高锰 钢铸件在切割加工的过程中存在有较大的困难之外,而且还由于耐磨高锰钢经过水韧处理 后所获得的单相奥氏体组织具有非常高的形变强化能力,而使得高锰钢在机械加工过程 中,在切削刀具的作用下,其表层的切削部位会迅速产生加工硬化,而使切削加工性能急剧 降低,导致了材料很难进一步切削加工。
发明内容
[0003] 针对上述问题,本发明的目的是提供一种耐磨高锰钢制件的加工装置,解决高锰 钢在机械加工过程中,在切削刀具的作用下,其表层的切削部位会迅速产生加工硬化,而使 切削加工性能急剧降低,导致了材料很难进一步切削加工的技术问题。
[0004] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是耐磨高锰钢制件的加工装置,包 括框架、旋转变压器、换能器、变幅杆和工具头。所述换能器上方的两侧设置旋转变压器,所 述变幅杆包括上端部分、变截面部分和下端部分,所述上端部分直接连接换能器的底面,所 述下端部分直接连接工具头,所述变截面的形状根据下列公式计算
Figure CN105950857AD00041
Figure CN105950857AD00042
其中,P(x)为变幅杆的横截面面积函数,k为圆波数,D(x) 为轮廓半径函数,Do为上端部分的半径,PQ为上端部分与变截面部分连接处的横截面面积, Pi为下端部分与变截面部分连接处的横截面面积,下端部分的长度根据下列公式计算:
Figure CN105950857AD00043
[0005] 所述换能器包括前金属盖板、后金属盖板以及厚度方向极化的压电陶瓷圆环,偶 数个所述压电陶瓷圆环共轴连接形成压电陶瓷晶堆,压电陶瓷晶堆中相邻两个压电陶瓷圆 环极化方向相反。根据实际需要设定换能器的共振频率后通过下列公式得到换能器的几何 尺寸:
[0006] (1)所述换能器的等效电路图如图3所示,虚线将整个电路划分为三个部分,分别 为前盖板等效电路、后盖板等效电路和压电陶瓷晶堆等效电路,其中,ZbL和ZfL分别是换能 器后、前两端的负载阻抗,根据实际需要设定;
[0007] (2)所述换能器的振动频率方程为
Figure CN105950857AD00051
[0009] 前金属盖板输入机械阻抗为
Figure CN105950857AD00052
,后金属盖板输入机械阻抗为
Figure CN105950857AD00053
.换能器的机械阻抗为;
Figure CN105950857AD00054
[0010]
Figure CN105950857AD00055
k2= c〇/C2,C2是前金属盖板中的声速,p2、E2、〇2分别是前金属盖板的密度、杨氏模量和泊松 系数,h和&是前金属盖板的厚度和横截面的面积;
[0011] (3)由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,即ZbL = ZfL = 0,若 忽略机械损耗和介电损耗,换能器的共振频率方程为IZiliO;若考虑机械损耗,输入电阻 抗为最小时,换能器的共振频率方程为I Zi | = | Zi |min,通过换能器的振动频率方程计算得到 换能器的具体尺寸;
[0012] ⑷由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,g|]ZbL = ZfL = 0,当 输入电阻抗为无效大时,忽略损耗,换能器的反共振频率方程为I Zi | = m;当输入电阻抗为 无效大时,考虑损耗,换能器的反共振频率方程为I Zi | = | Zi | max,通过换能器的振动频率方 程计算得到换能器的具体尺寸;
[0013] 所述换能器还包括外壳、设于外壳上表面的上端盖、设于外壳下表面的下端盖和 固定法兰,所述外壳固定所述压电陶瓷圆环、前金属盖板和后金属盖板,所述上端盖包括固 定柱,所述固定柱设于上端盖的中心轴位置并向上延伸至旋转变压器内,且向下延伸至上 端盖的下方,所述变幅杆向上延伸至换能器的内部,且变幅杆与固定柱之间设有连接件、上 弹簧和下弹簧,所述上弹簧的上端连接固定柱的下端,所述上弹簧的下端连接连接件,所述 下弹簧的上端连接连接件,所述下弹簧的下端连接变幅杆。
[0014] 作为优选,相邻两个压电陶瓷圆环间还设有金属电极,金属电极的厚度为0.02- 0.2mm〇
[0015] 作为优选,根据实际需要设定换能器的共振频率后通过下列公式得到换能器的几 何尺寸:(1)首先对换能器的频率方程进行推导:截面AB为位移节面,位移节面AB将换能器 分成两个四分之一波长的振子,即L f+h以及Lb+h均为振动波长的四分之一,每个四分之一 波长的振子都是由压电陶瓷晶片及金属盖板组成,位移节面前与前金属盖板之间的压电陶 瓷进队的长度记为L f,位移节面后与后金属盖板之间的压电陶瓷晶堆的长度记为Lb,若压电 陶瓷晶堆由P个厚度为1的压电陶瓷圆环组成,则有L f+Lb = Pl且1远小于厚度振动的波长。位 移波节前的四分之一波长振子的共振方程为tan(k丄£^&11(1«1 2)=2。/&,位移波节后的四 分之一波长振子的共振方程为tanGO^tanU山)= Ζ。/^,其中,Zo是单个压电陶瓷圆环的 特性阻抗,ljPh分别是后、前金属盖板的厚度;(2)根据实际需要设定共振频率,并通过得 到的共振频率方程得到换能器具体尺寸。
[0016] 作为优选,所述固定法兰的中心轴位置留有开孔,所述开孔的内侧沿其圆周方向 设有包围变幅杆变截面部分的弹性橡胶圈。且所述固定法兰的上表面间隔设有多个可伸缩 结构,并通过可伸缩结构连接所述下端盖。
[0017] 本发明的有益效果:利用形状因数攀比较所述变幅杆所能达到最大振幅,形状因数 譽表达式如下:
Figure CN105950857AD00061
[0019]
Figure CN105950857AD00062
,pc为仅与材料有关的变幅杆的材料机械阻抗。
[0020] 通过ANSYS谐响应分析可以获得A值,经计算,所述变幅杆的A值为0.371 X 10_12m/ Pa,设计固有频率和面积因数与所述变幅杆相同的阶梯型变幅杆,计算得到A值为0.090X 10-12m/Pa。
附图说明
[0021] 利用附图对发明作进一步说明,但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制, 对于本领域的普通技术人员,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据以下附图获得其 它的附图。
[0022] 图1是本发明的结构示意图。
[0023] 图2是本发明换能器的等效电路图。
[0024] 图3是本发明的压电陶瓷圆环结构示意图。
[0025]图4是本发明的结构示意图。
[0026] 附图标记:1、框架,2、旋转变压器,3、换能器,4、变幅杆,5、工具头。
具体实施方式
[0027] 结合以下实施例对本发明作进一步描述。
[0028] 实施例一
[0029] 本发明的装置,如图1所示,包括框架、旋转变压器、换能器、变幅杆和工具头。所述 换能器上方的两侧设置旋转变压器。
[0030] 相较于指数形状、圆锥形状、悬链线形状等的变幅杆,阶梯型变幅杆放大系数最大, 但是应力分布集中,容易断裂,工作安全性较差。所述变幅杆采用阶梯型,包括上端部分、变截 面部分和下端部分,所述上端部分直接连接换能器的底面,所述下端部分直接连接工具头。所 述变截面的形状根据下列公式计算:
Figure CN105950857AD00063
其中,P(x)为变幅杆的横截面面积函数,k为圆波数,D(x)为轮廓半径函数,Do为上端部分的 半径,Po为上端部分与变截面部分连接处的横截面面积,Pi为下端部分与变截面部分连接处 的横截面面积。
[0031] 下端部分的长度根据下列公式计算:
Figure CN105950857AD00071
[0032] 于变幅杆上增加变截面部分可有利于将作用于节面上的应力均匀分散,减少变幅 杆断裂的可能性。
[0033] 所述换能器包括前金属盖板、后金属盖板以及厚度方向极化的压电陶瓷圆环。偶 数个所述压电陶瓷圆环共轴连接形成压电陶瓷晶堆,压电陶瓷晶堆中相邻两个压电陶瓷圆 环极化方向相反,偶数个压电陶瓷圆环连接可使得前金属盖板、后金属盖板与同一极性的 电极连接,同时可与电路的接地端连接,避免前金属盖板、后金属盖板与压电陶瓷晶堆之间 绝缘垫圈的设置。相邻两个压电陶瓷圆环间还设有金属电极,金属电极的厚度为0.02- 0.2mm〇
[0034] 根据实际需要设定换能器的共振频率,通过下列公式得到换能器的几何尺寸:
[0035] (1)所述换能器的等效电路图如图3所示,虚线将整个电路划分为三个部分,分别 为前盖板等效电路、后盖板等效电路和压电陶瓷晶堆等效电路,其中,Z bL和ZfL分别是换能 器后、前两端的负载阻抗,根据实际需要设定;
[0036] (2)所述换能器的振动频率方程为
Figure CN105950857AD00072
[0038] 前金属盖板输入机械阻抗
Figure CN105950857AD00073
,后金属盖板输入机械阻抗为
Figure CN105950857AD00074
[0039]
Figure CN105950857AD00075
k2= C〇/C2,C2是前金属盖板中的声速,p2、E2、〇2分别是前金属盖板的密度、杨氏模量和泊松 系数,12和&是前金属盖板的厚度和横截面的面积;
[0040] (3)由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,即ZbL = ZfL = 0,若 忽略机械损耗和介电损耗,换能器的共振频率方程为|Zi |=0;若考虑机械损耗,输入电阻 抗为最小时,换能器的共振频率方程为I Zi | = | Zi |min,通过换能器的振动频率方程计算得到 换能器的具体尺寸;
[0041] (4)由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,即ZbL = ZfL = 0,当 输入电阻抗为无效大时,忽略损耗,换能器的反共振频率方程为I Zi | = m;当输入电阻抗为 无效大时,考虑损耗,换能器的反共振频率方程为I Zi | = | Zi | max,通过换能器的振动频率方 程计算得到换能器的具体尺寸。
[0042] 在本实施例中,如图3所示,通过下列方法得到换能器的尺寸:(1)首先对换能器的 频率方程进行推导:截面AB为位移节面,位移节面AB将换能器分成两个四分之一波长的振 子,即L f+12以及Lb+h均为振动波长的四分之一,每个四分之一波长的振子都是由压电陶瓷 晶片及金属盖板组成,位移节面前与前金属盖板之间的压电陶瓷进队的长度记为L f,位移 节面后与后金属盖板之间的压电陶瓷晶堆的长度记为Lb,若压电陶瓷晶堆由P个厚度为1的 压电陶瓷圆环组成,则有L f+Lb = Pl且1远小于厚度振动的波长。位移波节前的四分之一波长 振子的共振方程为tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf,位移波节后的四分之一波长振子的共振方 程为〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2£,其中,2()是单个压电陶瓷圆环的特性阻抗,11和12分别是 后、前金属盖板的厚度;(2)根据实际需要设定共振频率,并通过得到的共振频率方程得到 换能器具体尺寸。
[0043] 相关技术中,变幅杆作为连接换能器和工具头的中间部件,一般采用螺纹连接,但 是由于螺纹连接存在间隙,振动传输过程中有能量损失,且高频振动易造成螺纹疲劳失效。
[0044] 所述换能器还包括外壳、设于外壳上表面的上端盖、设于外壳下表面的下端盖和 固定法兰,所述外壳固定所述压电陶瓷圆环、前金属盖板和后金属盖板,所述上端盖包括固 定柱,所述固定柱设于上端盖的中心轴位置并向上延伸至旋转变压器内,且向下延伸至上 端盖的下方,实现旋转变压器与换能器的连接。所述变幅杆向上延伸至换能器的内部,且变 幅杆与固定柱之间设有连接件、上弹簧和下弹簧,所述上弹簧的上端连接固定柱的下端,所 述上弹簧的下端连接连接件,所述下弹簧的上端连接连接件,所述下弹簧的下端连接变幅 杆。所述连接件可以为铁块等。通过上弹簧、连接件和下弹簧实现变幅杆与换能器的一体 化,避免使用容易造成疲劳损耗的螺纹连接,工作时,向固定柱传播的超声振动被上弹簧、 下弹簧所吸收,减缓振动能量传向固定柱,避免固定柱与旋转变压器之间的连接受到振动 损耗,最大化地将振动能量传输至变幅杆。
[0045] 所述固定法兰的中心轴位置留有开孔,所述开孔的内侧沿其圆周方向设有包围变 幅杆变截面部分的弹性橡胶圈。且所述固定法兰的上表面间隔设有多个可伸缩结构,并通 过可伸缩结构连接所述下端盖。调节不同的频率时,通过可伸缩结构可使得所述固定法兰 相对换能器上下运动,从而最大限度地保护并固定变幅杆的同时减少变幅杆振动频率的传 递,提尚振动能量的利用率。
[0046] 在本实施例中,所述换能器的前金属盖板和后金属盖板的厚度均为17mm,压电陶 瓷晶堆的厚度为12mm,前金属盖板、后金属盖板和压电陶瓷晶堆的直径均为35mm。
[0047]在本实施例中,所述变幅杆是由钛合金材料制成的,其超声频率为30KHz。
[0048]在本实施例中,所述变幅杆的上端部分的端面直径为30mm,其长度为12mm,下端部 分的端面直径为15mm,其长度为36mm。所述变幅杆与工具头为一体,所述工具头的末端电镀 或烧结金刚砂磨料。
[0049]利用形状因数-比较所述变幅杆所能达到最大振幅,形状因数擎表达式如下:
Figure CN105950857AD00081
[0051 ]
Figure CN105950857AD00082
>PC为仅与材料有关的变幅杆的材料机械阻抗。
[0052] 通过ANSYS谐响应分析可以获得A值,经计算,所述变幅杆的A值为0.371 X 10_12m/ Pa,设计固有频率和面积因数与所述变幅杆相同的阶梯型变幅杆,计算得到A值为0.090X 10-12m/Pa〇 [0053] 实施例二
[0054]本发明的装置,如图1所示,包括框架、旋转变压器、换能器、变幅杆和工具头。所述 换能器上方的两侧设置旋转变压器。
[0055]相较于指数形状、圆锥形状、悬链线形状等的变幅杆,阶梯型变幅杆放大系数最大, 但是应力分布集中,容易断裂,工作安全性较差。所述变幅杆采用阶梯型,包括上端部分、变截 面部分和下端部分,所述上端部分直接连接换能器的底面,所述下端部分直接连接工具头。所 述变截面的形状根据下列公式计算:
Figure CN105950857AD00091
中,P(x)为变幅杆的横截面面积函数,k为圆波数,D(x)为轮廓半径函数,Do为上端部分的半 径,Po为上端部分与变截面部分连接处的横截面面积,P:为下端部分与变截面部分连接处的 横截面面积。
[0056] 下端部分的长度根据下列公式计算:
Figure CN105950857AD00092
[0057] 于变幅杆上增加变截面部分可有利于将作用于节面上的应力均匀分散,减少变幅 杆断裂的可能性。
[0058] 所述换能器包括前金属盖板、后金属盖板以及厚度方向极化的压电陶瓷圆环。偶 数个所述压电陶瓷圆环共轴连接形成压电陶瓷晶堆,压电陶瓷晶堆中相邻两个压电陶瓷圆 环极化方向相反,偶数个压电陶瓷圆环连接可使得前金属盖板、后金属盖板与同一极性的 电极连接,同时可与电路的接地端连接,避免前金属盖板、后金属盖板与压电陶瓷晶堆之间 绝缘垫圈的设置。相邻两个压电陶瓷圆环间还设有金属电极,金属电极的厚度为0.02- 0.2mm〇
[0059] 根据实际需要设定换能器的共振频率,通过下列公式得到换能器的几何尺寸:
[0060] (1)所述换能器的等效电路图如图2所示,虚线将整个电路划分为三个部分,分别 为前盖板等效电路、后盖板等效电路和压电陶瓷晶堆等效电路,其中,Z bL和ZfL分别是换能 器后、前两端的负载阻抗,根据实际需要设定;
[0061 ] (2)所述换能器的振动频率方程为
Figure CN105950857AD00093
[0063] 前金属盖板输入机械阻抗为
Figure CN105950857AD00094
后金属盖板输入机械阻抗为
Figure CN105950857AD00095
>换能器的机械阻抗为
Figure CN105950857AD00096
[0064]
Figure CN105950857AD00097
k2= C〇/C2,C2是前金属盖板中的声速,p2、E2、〇2分别是前金属盖板的密度、杨氏模量和泊松 系数,12和&是前金属盖板的厚度和横截面的面积;
[0065] (3)由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,即ZbL = ZfL = 0,若 忽略机械损耗和介电损耗,换能器的共振频率方程为|Zi |=0;若考虑机械损耗,输入电阻 抗为最小时,换能器的共振频率方程为I Zi | = | Zi |min,通过换能器的振动频率方程计算得到 换能器的具体尺寸;
[0066] (4)由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,即ZbL = ZfL = 0,当 输入电阻抗为无效大时,忽略损耗,换能器的反共振频率方程为I Zi | = m;当输入电阻抗为 无效大时,考虑损耗,换能器的反共振频率方程为I Zi | = | Zi | max,通过换能器的振动频率方 程计算得到换能器的具体尺寸。
[0067] 在本实施例中,如图3所示,通过下列方法得到换能器的尺寸:(1)首先对换能器的 频率方程进行推导:截面AB为位移节面,位移节面AB将换能器分成两个四分之一波长的振 子,即Lf+12以及Lb+h均为振动波长的四分之一,每个四分之一波长的振子都是由压电陶瓷 晶片及金属盖板组成,位移节面前与前金属盖板之间的压电陶瓷进队的长度记为Lf,位移 节面后与后金属盖板之间的压电陶瓷晶堆的长度记为L b,若压电陶瓷晶堆由P个厚度为1的 压电陶瓷圆环组成,则有Lf+Lb = Pl且1远小于厚度振动的波长。位移波节前的四分之一波长 振子的共振方程为tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf,位移波节后的四分之一波长振子的共振方 程为〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2£,其中,2()是单个压电陶瓷圆环的特性阻抗,11和12分别是 后、前金属盖板的厚度;(2)根据实际需要设定共振频率,并通过得到的共振频率方程得到 换能器具体尺寸。
[0068] 相关技术中,变幅杆作为连接换能器和工具头的中间部件,一般采用螺纹连接,但 是由于螺纹连接存在间隙,振动传输过程中有能量损失,且高频振动易造成螺纹疲劳失效。
[0069] 所述换能器还包括外壳、设于外壳上表面的上端盖、设于外壳下表面的下端盖和 固定法兰,所述外壳固定所述压电陶瓷圆环、前金属盖板和后金属盖板,所述上端盖包括固 定柱,所述固定柱设于上端盖的中心轴位置并向上延伸至旋转变压器内,且向下延伸至上 端盖的下方,实现旋转变压器与换能器的连接。所述变幅杆向上延伸至换能器的内部,且变 幅杆与固定柱之间设有连接件、上弹簧和下弹簧,所述上弹簧的上端连接固定柱的下端,所 述上弹簧的下端连接连接件,所述下弹簧的上端连接连接件,所述下弹簧的下端连接变幅 杆。所述连接件可以为铁块等。通过上弹簧、连接件和下弹簧实现变幅杆与换能器的一体 化,避免使用容易造成疲劳损耗的螺纹连接,工作时,向固定柱传播的超声振动被上弹簧、 下弹簧所吸收,减缓振动能量传向固定柱,避免固定柱与旋转变压器之间的连接受到振动 损耗,最大化地将振动能量传输至变幅杆。
[0070] 所述固定法兰的中心轴位置留有开孔,所述开孔的内侧沿其圆周方向设有包围变 幅杆变截面部分的弹性橡胶圈。且所述固定法兰的上表面间隔设有多个可伸缩结构,并通 过可伸缩结构连接所述下端盖。调节不同的频率时,通过可伸缩结构可使得所述固定法兰 相对换能器上下运动,从而最大限度地保护并固定变幅杆的同时减少变幅杆振动频率的传 递,提尚振动能量的利用率。
[0071] 在本实施例中,所述换能器的前金属盖板和后金属盖板的厚度均为18mm,压电陶 瓷晶堆的厚度为13mm,前金属盖板、后金属盖板和压电陶瓷晶堆的直径均为36mm。
[0072]在本实施例中,所述变幅杆是由钛合金材料制成的,其超声频率为30KHz。
[0073]在本实施例中,所述变幅杆的上端部分的端面直径为32mm,其长度为12mm,下端部 分的端面直径为16mm,其长度为37mm。所述变幅杆与工具头为一体,所述工具头的末端电镀 或烧结金刚砂磨料。
[0074] 利用形状因数擊比较所述变幅杆所能达到最大振幅,形状因数響表达式如下:
[0075] ρ -
[0076]
Figure CN105950857AD00101
>PC为仅与材料有关的变幅杆的材料机械阻抗。
[0077] 通过ANSYS谐响应分析可以获得A值,经计算,所述变幅杆的A值为0.389 X 10_12m/ Pa,设计固有频率和面积因数与所述变幅杆相同的阶梯型变幅杆,计算得到A值为0.090X 10-12m/Pa。
[0078] 实施例三
[0079] 本发明的装置,如图1所示,包括框架、旋转变压器、换能器、变幅杆和工具头。所述 换能器上方的两侧设置旋转变压器。
[0080] 相较于指数形状、圆锥形状、悬链线形状等的变幅杆,阶梯型变幅杆放大系数最大, 但是应力分布集中,容易断裂,工作安全性较差。所述变幅杆采用阶梯型,包括上端部分、变截 面部分和下端部分,所述上端部分直接连接换能器的底面,所述下端部分直接连接工具头。所
Figure CN105950857AD00111
述变截面的形状根据下列公式计算:
Figure CN105950857AD00112
其中,P(x)为变幅杆的横截面面积函数,k为圆波数,D(x)为轮廓半径函数,Do为上端部分的 半径,Po为上端部分与变截面部分连接处的横截面面积,Pi为下端部分与变截面部分连接处 的横截面面积。
[0081] 下端部分的长度根据下列公式计算:
[0082] 于变幅杆上增加变截面部分可有利于将作用于节面上的应力均匀分散,减少变幅 杆断裂的可能性。
[0083] 所述换能器包括前金属盖板、后金属盖板以及厚度方向极化的压电陶瓷圆环。偶 数个所述压电陶瓷圆环共轴连接形成压电陶瓷晶堆,压电陶瓷晶堆中相邻两个压电陶瓷圆 环极化方向相反,偶数个压电陶瓷圆环连接可使得前金属盖板、后金属盖板与同一极性的 电极连接,同时可与电路的接地端连接,避免前金属盖板、后金属盖板与压电陶瓷晶堆之间 绝缘垫圈的设置。相邻两个压电陶瓷圆环间还设有金属电极,金属电极的厚度为0.02-0.2mm〇
[0084] 根据实际需要设定换能器的共振频率,通过下列公式得到换能器的几何尺寸:
[0085] (1)所述换能器的等效电路图如图3所示,虚线将整个电路划分为三个部分,分别 为前盖板等效电路、后盖板等效电路和压电陶瓷晶堆等效电路,其中,ZbL和ZfL分别是换能 器后、前两端的负载阻抗,根据实际需要设定;
[0086] (2)所述换能器的振动频率方程为
Figure CN105950857AD00113
[0088] 前金属盖板输入机械阻抗为
Figure CN105950857AD00114
后金属盖板输入机械阻抗为
Figure CN105950857AD00115
Figure CN105950857AD00116
换能器的机械阻抗
[0089]
Figure CN105950857AD00117
k2= C〇/C2,C2是前金属盖板中的声速,p2、E2、〇2分别是前金属盖板的密度、杨氏模量和泊松 系数,12和&是前金属盖板的厚度和横截面的面积;
[0090] (3)由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,即ZbL = ZfL = 0,若 忽略机械损耗和介电损耗,换能器的共振频率方程为|Zi |=0;若考虑机械损耗,输入电阻 抗为最小时,换能器的共振频率方程为I Zi | = | Zi |min,通过换能器的振动频率方程计算得到 换能器的具体尺寸;
[0091] (4)由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,即ZbL = ZfL = 0,当 输入电阻抗为无效大时,忽略损耗,换能器的反共振频率方程为I Zi I = c-;当输入电阻抗为 无效大时,考虑损耗,换能器的反共振频率方程为I Zi | = | Zi | max,通过换能器的振动频率方 程计算得到换能器的具体尺寸。
[0092] 在本实施例中,如图3所示,通过下列方法得到换能器的尺寸:(1)首先对换能器的 频率方程进行推导:截面AB为位移节面,位移节面AB将换能器分成两个四分之一波长的振 子,即L f+12以及Lb+h均为振动波长的四分之一,每个四分之一波长的振子都是由压电陶瓷 晶片及金属盖板组成,位移节面前与前金属盖板之间的压电陶瓷进队的长度记为L f,位移 节面后与后金属盖板之间的压电陶瓷晶堆的长度记为Lb,若压电陶瓷晶堆由P个厚度为1的 压电陶瓷圆环组成,则有L f+Lb = Pl且1远小于厚度振动的波长。位移波节前的四分之一波长 振子的共振方程为tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf,位移波节后的四分之一波长振子的共振方 程为〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2£,其中,2()是单个压电陶瓷圆环的特性阻抗,11和12分别是 后、前金属盖板的厚度;(2)根据实际需要设定共振频率,并通过得到的共振频率方程得到 换能器具体尺寸。
[0093] 相关技术中,变幅杆作为连接换能器和工具头的中间部件,一般采用螺纹连接,但 是由于螺纹连接存在间隙,振动传输过程中有能量损失,且高频振动易造成螺纹疲劳失效。
[0094] 所述换能器还包括外壳、设于外壳上表面的上端盖、设于外壳下表面的下端盖和 固定法兰,所述外壳固定所述压电陶瓷圆环、前金属盖板和后金属盖板,所述上端盖包括固 定柱,所述固定柱设于上端盖的中心轴位置并向上延伸至旋转变压器内,且向下延伸至上 端盖的下方,实现旋转变压器与换能器的连接。所述变幅杆向上延伸至换能器的内部,且变 幅杆与固定柱之间设有连接件、上弹簧和下弹簧,所述上弹簧的上端连接固定柱的下端,所 述上弹簧的下端连接连接件,所述下弹簧的上端连接连接件,所述下弹簧的下端连接变幅 杆。所述连接件可以为铁块等。通过上弹簧、连接件和下弹簧实现变幅杆与换能器的一体 化,避免使用容易造成疲劳损耗的螺纹连接,工作时,向固定柱传播的超声振动被上弹簧、 下弹簧所吸收,减缓振动能量传向固定柱,避免固定柱与旋转变压器之间的连接受到振动 损耗,最大化地将振动能量传输至变幅杆。
[0095] 所述固定法兰的中心轴位置留有开孔,所述开孔的内侧沿其圆周方向设有包围变 幅杆变截面部分的弹性橡胶圈。且所述固定法兰的上表面间隔设有多个可伸缩结构,并通 过可伸缩结构连接所述下端盖。调节不同的频率时,通过可伸缩结构可使得所述固定法兰 相对换能器上下运动,从而最大限度地保护并固定变幅杆的同时减少变幅杆振动频率的传 递,提尚振动能量的利用率。
[0096] 在本实施例中,所述换能器的前金属盖板和后金属盖板的厚度均为16mm,压电陶 瓷晶堆的厚度为11mm,前金属盖板、后金属盖板和压电陶瓷晶堆的直径均为32mm。
[0097]在本实施例中,所述变幅杆是由钛合金材料制成的,其超声频率为30KHz。
[0098]在本实施例中,所述变幅杆的上端部分的端面直径为28mm,其长度为10mm,下端部 分的端面直径为13mm,其长度为32mm。所述变幅杆与工具头为一体,所述工具头的末端电镀 或烧结金刚砂磨料。
[0099]利用形状因数-比较所述变幅杆所能达到最大振幅,形状因数變表达式如下:
Figure CN105950857AD00121
[0101]
Figure CN105950857AD00131
pc为仅与材料有关的变幅杆的材料机械阻抗。
[0102] 通过ANSYS谐响应分析可以获得A值,经计算,所述变幅杆的A值为0.365 X 10_12m/ Pa,设计固有频率和面积因数与所述变幅杆相同的阶梯型变幅杆,计算得到A值为0.090X 10-12m/Pa。
[0103] 实施例四
[0104] 本发明的装置,如图1所示,包括框架、旋转变压器、换能器、变幅杆和工具头。所述 换能器上方的两侧设置旋转变压器。
[0105] 相较于指数形状、圆锥形状、悬链线形状等的变幅杆,阶梯型变幅杆放大系数最大, 但是应力分布集中,容易断裂,工作安全性较差。所述变幅杆采用阶梯型,包括上端部分、变截 面部分和下端部分,所述上端部分直接连接换能器的底面,所述下端部分直接连接工具头。所 述变截面的形状根据下列公式计算:
Figure CN105950857AD00132
Figure CN105950857AD00133
中,P(x)为变幅杆的横截面面积函数,k为圆波数,D(x)为轮廓半径函数,Do为上端部分的半 径,Po为上端部分与变截面部分连接处的横截面面积,Pi为下端部分与变截面部分连接处的 横截面面积。
[0106] 下端部分的长度根据下列公式计算
[0107] 于变幅杆上增加变截面部分可有利于将作用于节面上的应力均匀分散,减少变幅 杆断裂的可能性。
[0108] 所述换能器包括前金属盖板、后金属盖板以及厚度方向极化的压电陶瓷圆环。偶 数个所述压电陶瓷圆环共轴连接形成压电陶瓷晶堆,压电陶瓷晶堆中相邻两个压电陶瓷圆 环极化方向相反,偶数个压电陶瓷圆环连接可使得前金属盖板、后金属盖板与同一极性的 电极连接,同时可与电路的接地端连接,避免前金属盖板、后金属盖板与压电陶瓷晶堆之间 绝缘垫圈的设置。相邻两个压电陶瓷圆环间还设有金属电极,金属电极的厚度为0.02-0.2mm〇
[0109] 根据实际需要设定换能器的共振频率,通过下列公式得到换能器的几何尺寸:
[0110] (1)所述换能器的等效电路图如图2所示,虚线将整个电路划分为三个部分,分别 为前盖板等效电路、后盖板等效电路和压电陶瓷晶堆等效电路,其中,Z bL和ZfL分别是换能 器后、前两端的负载阻抗,根据实际需要设定; (2)所述换能器的振动频率方程为
Figure CN105950857AD00134
[0113] 前金属盖板输入机械阻抗为
Figure CN105950857AD00135
,后金属盖板输入机械阻抗为
Figure CN105950857AD00136
,换能器的机械阻抗:
Figure CN105950857AD00137
[0114]
Figure CN105950857AD00138
k2= C〇/C2,C2是前金属盖板中的声速,p2、E2、〇2分别是前金属盖板的密度、杨氏模量和泊松 系数,12和&是前金属盖板的厚度和横截面的面积;
[0115] (3)由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,即ZbL = ZfL = 0,若 忽略机械损耗和介电损耗,换能器的共振频率方程为IZiliO;若考虑机械损耗,输入电阻 抗为最小时,换能器的共振频率方程为I Zi | = | Zi |min,通过换能器的振动频率方程计算得到 换能器的具体尺寸;
[0116] (4)由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,即ZbL = ZfL = 0,当 输入电阻抗为无效大时,忽略损耗,换能器的反共振频率方程为I Zi | = m;当输入电阻抗为 无效大时,考虑损耗,换能器的反共振频率方程为I Zi | = | Zi | max,通过换能器的振动频率方 程计算得到换能器的具体尺寸。
[0117] 在本实施例中,如图3所示,通过下列方法得到换能器的尺寸:(1)首先对换能器的 频率方程进行推导:截面AB为位移节面,位移节面AB将换能器分成两个四分之一波长的振 子,即L f+12以及Lb+h均为振动波长的四分之一,每个四分之一波长的振子都是由压电陶瓷 晶片及金属盖板组成,位移节面前与前金属盖板之间的压电陶瓷进队的长度记为L f,位移 节面后与后金属盖板之间的压电陶瓷晶堆的长度记为Lb,若压电陶瓷晶堆由P个厚度为1的 压电陶瓷圆环组成,则有L f+Lb = Pl且1远小于厚度振动的波长。位移波节前的四分之一波长 振子的共振方程为tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf,位移波节后的四分之一波长振子的共振方 程为〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2£,其中,2()是单个压电陶瓷圆环的特性阻抗,11和12分别是 后、前金属盖板的厚度;(2)根据实际需要设定共振频率,并通过得到的共振频率方程得到 换能器具体尺寸。
[0118] 相关技术中,变幅杆作为连接换能器和工具头的中间部件,一般采用螺纹连接,但 是由于螺纹连接存在间隙,振动传输过程中有能量损失,且高频振动易造成螺纹疲劳失效。 [0119]所述换能器还包括外壳、设于外壳上表面的上端盖、设于外壳下表面的下端盖和 固定法兰,所述外壳固定所述压电陶瓷圆环、前金属盖板和后金属盖板,所述上端盖包括固 定柱,所述固定柱设于上端盖的中心轴位置并向上延伸至旋转变压器内,且向下延伸至上 端盖的下方,实现旋转变压器与换能器的连接。所述变幅杆向上延伸至换能器的内部,且变 幅杆与固定柱之间设有连接件、上弹簧和下弹簧,所述上弹簧的上端连接固定柱的下端,所 述上弹簧的下端连接连接件,所述下弹簧的上端连接连接件,所述下弹簧的下端连接变幅 杆。所述连接件可以为铁块等。通过上弹簧、连接件和下弹簧实现变幅杆与换能器的一体 化,避免使用容易造成疲劳损耗的螺纹连接,工作时,向固定柱传播的超声振动被上弹簧、 下弹簧所吸收,减缓振动能量传向固定柱,避免固定柱与旋转变压器之间的连接受到振动 损耗,最大化地将振动能量传输至变幅杆。
[0120] 所述固定法兰的中心轴位置留有开孔,所述开孔的内侧沿其圆周方向设有包围变 幅杆变截面部分的弹性橡胶圈。且所述固定法兰的上表面间隔设有多个可伸缩结构,并通 过可伸缩结构连接所述下端盖。调节不同的频率时,通过可伸缩结构可使得所述固定法兰 相对换能器上下运动,从而最大限度地保护并固定变幅杆的同时减少变幅杆振动频率的传 递,提尚振动能量的利用率。
[0121] 在本实施例中,所述换能器的前金属盖板和后金属盖板的厚度均为20mm,压电陶 瓷晶堆的厚度为15mm,前金属盖板、后金属盖板和压电陶瓷晶堆的直径均为39mm。
[0122] 在本实施例中,所述变幅杆是由钛合金材料制成的,其超声频率为30KHz。
[0123] 在本实施例中,所述变幅杆的上端部分的端面直径为25mm,其长度为10mm,下端部 分的端面直径为l〇mm,其长度为30mm。所述变幅杆与工具头为一体,所述工具头的末端电镀 或烧结金刚砂磨料。
[0124] 利用形状因数-比较所述变幅杆所能达到最大振幅,形状因数嘗表达式如下:
[0125] φ 二 Ape,
[0126]
Figure CN105950857AD00151
,PC为仅与材料有关的变幅杆的材料机械阻抗。
[0127] 通过ANSYS谐响应分析可以获得A值,经计算,所述变幅杆的A值为0.326 X 10_12m/ Pa,设计固有频率和面积因数与所述变幅杆相同的阶梯型变幅杆,计算得到A值为0.090X 10-12m/Pa。
[0128] 实施例五
[0129] 本发明的装置,如图1所示,包括框架、旋转变压器、换能器、变幅杆和工具头。所述 换能器上方的两侧设置旋转变压器。
[0130] 相较于指数形状、圆锥形状、悬链线形状等的变幅杆,阶梯型变幅杆放大系数最大, 但是应力分布集中,容易断裂,工作安全性较差。所述变幅杆采用阶梯型,包括上端部分、变截 面部分和下端部分,所述上端部分直接连接换能器的底面,所述下端部分直接连接工具头。所
Figure CN105950857AD00152
述变截面的形状根据下列公式计算:
Figure CN105950857AD00153
其中,P(x)为变幅杆的横截面面积函数,k为圆波数,D(x)为轮廓半径函数,Do为上端部分的 半径,Po为上端部分与变截面部分连接处的横截面面积,Pi为下端部分与变截面部分连接处 的横截面面积。
[0131] 下端部分的长度根据下列公式计算:
[0132] 于变幅杆上增加变截面部分可有利于将作用于节面上的应力均匀分散,减少变幅 杆断裂的可能性。
[0133] 所述换能器包括前金属盖板、后金属盖板以及厚度方向极化的压电陶瓷圆环。偶 数个所述压电陶瓷圆环共轴连接形成压电陶瓷晶堆,压电陶瓷晶堆中相邻两个压电陶瓷圆 环极化方向相反,偶数个压电陶瓷圆环连接可使得前金属盖板、后金属盖板与同一极性的 电极连接,同时可与电路的接地端连接,避免前金属盖板、后金属盖板与压电陶瓷晶堆之间 绝缘垫圈的设置。相邻两个压电陶瓷圆环间还设有金属电极,金属电极的厚度为0.02-0.2mm〇
[0134] 根据实际需要设定换能器的共振频率,通过下列公式得到换能器的几何尺寸:
[0135] (1)所述换能器的等效电路图如图2所示,虚线将整个电路划分为三个部分,分别 为前盖板等效电路、后盖板等效电路和压电陶瓷晶堆等效电路,其中,Z bL和ZfL分别是换能 器后、前两端的负载阻抗,根据实际需要设定;
[0136] (2)所述换能器的振动频率方程为
Figure CN105950857AD00154
[0138]前金属盖板输入机械阻抗为
Figure CN105950857AD00155
,后金属盖板输入机械阻抗为
Figure CN105950857AD00161
,换能器的机械阻抗为
Figure CN105950857AD00162
[0139]
Figure CN105950857AD00163
k2= C〇/C2,C2是前金属盖板中的声速,p2、E2、〇2分别是前金属盖板的密度、杨氏模量和泊松 系数,12和&是前金属盖板的厚度和横截面的面积;
[0140] (3)由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,即ZbL = ZfL = 0,若 忽略机械损耗和介电损耗,换能器的共振频率方程为IZiliO;若考虑机械损耗,输入电阻 抗为最小时,换能器的共振频率方程为I Zi | = | Zi |min,通过换能器的振动频率方程计算得到 换能器的具体尺寸;
[0141] (4)由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,即ZbL = ZfL = 0,当 输入电阻抗为无效大时,忽略损耗,换能器的反共振频率方程为I Zi | = m;当输入电阻抗为 无效大时,考虑损耗,换能器的反共振频率方程为I Zi | = | Zi | max,通过换能器的振动频率方 程计算得到换能器的具体尺寸。
[0142] 在本实施例中,如图3所示,通过下列方法得到换能器的尺寸:(1)首先对换能器的 频率方程进行推导:截面AB为位移节面,位移节面AB将换能器分成两个四分之一波长的振 子,即L f+12以及Lb+h均为振动波长的四分之一,每个四分之一波长的振子都是由压电陶瓷 晶片及金属盖板组成,位移节面前与前金属盖板之间的压电陶瓷进队的长度记为L f,位移 节面后与后金属盖板之间的压电陶瓷晶堆的长度记为Lb,若压电陶瓷晶堆由P个厚度为1的 压电陶瓷圆环组成,则有L f+Lb = Pl且1远小于厚度振动的波长。位移波节前的四分之一波长 振子的共振方程为tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf,位移波节后的四分之一波长振子的共振方 程为〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2£,其中,2()是单个压电陶瓷圆环的特性阻抗,11和12分别是 后、前金属盖板的厚度;(2)根据实际需要设定共振频率,并通过得到的共振频率方程得到 换能器具体尺寸。
[0143] 相关技术中,变幅杆作为连接换能器和工具头的中间部件,一般采用螺纹连接,但 是由于螺纹连接存在间隙,振动传输过程中有能量损失,且高频振动易造成螺纹疲劳失效。
[0144] 所述换能器还包括外壳、设于外壳上表面的上端盖、设于外壳下表面的下端盖和 固定法兰,所述外壳固定所述压电陶瓷圆环、前金属盖板和后金属盖板,所述上端盖包括固 定柱,所述固定柱设于上端盖的中心轴位置并向上延伸至旋转变压器内,且向下延伸至上 端盖的下方,实现旋转变压器与换能器的连接。所述变幅杆向上延伸至换能器的内部,且变 幅杆与固定柱之间设有连接件、上弹簧和下弹簧,所述上弹簧的上端连接固定柱的下端,所 述上弹簧的下端连接连接件,所述下弹簧的上端连接连接件,所述下弹簧的下端连接变幅 杆。所述连接件可以为铁块等。通过上弹簧、连接件和下弹簧实现变幅杆与换能器的一体 化,避免使用容易造成疲劳损耗的螺纹连接,工作时,向固定柱传播的超声振动被上弹簧、 下弹簧所吸收,减缓振动能量传向固定柱,避免固定柱与旋转变压器之间的连接受到振动 损耗,最大化地将振动能量传输至变幅杆。
[0145] 所述固定法兰的中心轴位置留有开孔,所述开孔的内侧沿其圆周方向设有包围变 幅杆变截面部分的弹性橡胶圈。且所述固定法兰的上表面间隔设有多个可伸缩结构,并通 过可伸缩结构连接所述下端盖。调节不同的频率时,通过可伸缩结构可使得所述固定法兰 相对换能器上下运动,从而最大限度地保护并固定变幅杆的同时减少变幅杆振动频率的传 递,提尚振动能量的利用率。
[0146] 在本实施例中,所述换能器的前金属盖板和后金属盖板的厚度均为17mm,压电陶 瓷晶堆的厚度为12mm,前金属盖板、后金属盖板和压电陶瓷晶堆的直径均为35mm。
[0147] 在本实施例中,所述变幅杆是由钛合金材料制成的,其超声频率为30KHz。
[0148] 在本实施例中,所述变幅杆的上端部分的端面直径为40mm,其长度为25mm,下端部 分的端面直径为21mm,其长度为40mm。所述变幅杆与工具头为一体,所述工具头的末端电镀 或烧结金刚砂磨料。
[0149] 利用形状因数警比较所述变幅杆所能达到最大振幅,形状因数變表达式如下:
[0150] 备n、4pC.,
[0151]
Figure CN105950857AD00171
,PC为仅与材料有关的变幅杆的材料机械阻抗。
[0152] 通过ANSYS谐响应分析可以获得A值,经计算,所述变幅杆的A值为0.402 X 10_12m/ Pa,设计固有频率和面积因数与所述变幅杆相同的阶梯型变幅杆,计算得到A值为0.090X 10-12m/Pa。
[0153] 最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对本发明保 护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明,本领域的普通技术人员应 当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实 质和范围。

Claims (7)

1. 耐磨高锰钢制件的加工装置,包括机身,所述机身上设置有铣刀电机,所述铣刀电机 下端设置有铣刀,其特征在于,所述机身上设置有轨道,所述铣刀电机设置在轨道上,铣刀 电机可沿轨道左右移动,所述铣刀电机上端设置有升降气缸,铣刀电机通过升降气缸上下 工作,所述机身下方设置有圆形工作台,所述圆形工作台上设置有卡紧装置。
2. 根据权利要求1所述的耐磨高锰钢制件的加工装置,其特征在于,所述圆形工作台中 心下部设置有转轴,所述转轴带动圆形工作台转动,所述圆形工作台上设置有滑槽,所述卡 紧装置通过滑槽设置在圆形工作台上,所述卡紧装置的数量至少为两个。
3. 根据权利要求2所述的耐磨高锰钢制件的加工装置,其特征在于,所述卡紧装置包括 卡紧块和夹紧螺栓,所述夹紧螺栓控制卡紧块对钢板进行卡紧。
4. 根据权利要求3所述的耐磨高锰钢制件的加工装置,其特征在于,包括框架、旋转变压 器、换能器、变幅杆和工具头;所述换能器上方的两侧设置旋转变压器,所述变幅杆包括上端 部分、变截面部分和下端部分,所述上端部分直接连接换能器的底面,所述下端部分直接连 接工具头,所述变截面的形状根据下列公式计算:
Figure CN105950857AC00021
Figure CN105950857AC00022
,其中,P(x)为变幅杆的横截面面积函数,k为圆波数,D(x)为轮廓半径函数,Do 为上端部分的半径,Po为上端部分与变截面部分连接处的横截面面积,P1为下端部分与变 截面部分连接处的横截面面积,下端部分的长度根据下列公式计算
Figure CN105950857AC00023
所述换 能器包括前金属盖板、后金属盖板以及厚度方向极化的压电陶瓷圆环,偶数个所述压电陶 瓷圆环共轴连接形成压电陶瓷晶堆,压电陶瓷晶堆中相邻两个压电陶瓷圆环极化方向相 反;根据实际需要设定换能器的共振频率后通过下列公式得到换能器的几何尺寸: (1) 所述换能器的等效电路图,虚线将整个电路划分为三个部分,分别为前盖板等效电 路、后盖板等效电路和压电陶瓷晶堆等效电路,其中,Z bL和ZfL分别是换能器后、前两端的负 载阻抗,根据实际需要设定; (2) 所述换能器的振动频率方程为
Figure CN105950857AC00024
前金属盖板输入机械阻抗为
Figure CN105950857AC00025
,后金属盖板输入机械阻抗为
Figure CN105950857AC00026
|换能器的机械阻抗为
Figure CN105950857AC00027
Figure CN105950857AC00028
:,Zf = P2C2S2,k2 = w/c2,C2是前金属盖板中的声速,Ρ2、Ε2、σ2分别是前金属盖板的密度、杨氏模量和泊松系数, 12和&是前金属盖板的厚度和横截面的面积; (3) 由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,即ZbL = ZfL = 0,若忽略机 械损耗和介电损耗,换能器的共振频率方程为ΙΖ, |=0;若考虑机械损耗,输入电阻抗为最 小时,换能器的共振频率方程为I Z, | = | Z, | _,通过换能器的振动频率方程计算得到换能器 的具体尺寸; (4)由于换能器的负载很难确定,因此通常把换能器看成空载,即ZbL = ZfL = 0,当输入电 阻抗为无效大时,忽略损耗,换能器的反共振频率方程为I Zi | = m;当输入电阻抗为无效大 时,考虑损耗,换能器的反共振频率方程为|Zi| = IZikx,通过换能器的振动频率方程计算 得到换能器的具体尺寸; 所述换能器还包括外壳、设于外壳上表面的上端盖、设于外壳下表面的下端盖和固定 法兰,所述外壳固定所述压电陶瓷圆环、前金属盖板和后金属盖板,所述上端盖包括固定 柱,所述固定柱设于上端盖的中心轴位置并向上延伸至旋转变压器内,且向下延伸至上端 盖的下方,所述变幅杆向上延伸至换能器的内部,且变幅杆与固定柱之间设有连接件、上弹 簧和下弹簧,所述上弹簧的上端连接固定柱的下端,所述上弹簧的下端连接连接件,所述下 弹簧的上端连接连接件,所述下弹簧的下端连接变幅杆。
5. 根据权利要求4所述的耐磨高锰钢制件的加工装置,其特征在于,相邻两个压电陶瓷 圆环间还设有金属电极,金属电极的厚度为0.02-0.2mm。
6. 根据权利要求5所述的耐磨高锰钢制件的加工装置,其特征在于,根据实际需要设定 换能器的共振频率后通过下列公式得到换能器的几何尺寸:(1)首先对换能器的频率方程 进行推导:截面AB为位移节面,位移节面AB将换能器分成两个四分之一波长的振子,即L f+h 以及Lb+h均为振动波长的四分之一,每个四分之一波长的振子都是由压电陶瓷晶片及金属 盖板组成,位移节面前与前金属盖板之间的压电陶瓷进队的长度记为L f,位移节面后与后 金属盖板之间的压电陶瓷晶堆的长度记为U,若压电陶瓷晶堆由P个厚度为1的压电陶瓷圆 环组成,则有L f+Lb = Pl且1远小于厚度振动的波长。位移波节前的四分之一波长振子的共振 方程为tanUeLDtanUsldiZo/Zf,位移波节后的四分之一波长振子的共振方程为tan (keLb)tan(kili) =Z〇/Zf,其中,Ζο是单个压电陶瓷圆环的特性阻抗,li和I2分别是后、前金属 盖板的厚度;(2)根据实际需要设定共振频率,并通过得到的共振频率方程得到换能器具体 尺寸。
7. 根据权利要求6所述的耐磨高锰钢制件的加工装置,其特征在于,所述固定法兰的中 心轴位置留有开孔,所述开孔的内侧沿其圆周方向设有包围变幅杆变截面部分的弹性橡胶 圈。且所述固定法兰的上表面间隔设有多个可伸缩结构,并通过可伸缩结构连接所述下端 盖。
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