CN107116019A - 双频率超声振动加工换能器及其工作模式 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双频率超声振动加工换能器及其工作模式，其包括工具头、筒夹、变幅杆、压电陶瓷和预紧螺丝组件，变幅杆的前端部设有弹力夹头，工具头插入弹力夹头，筒夹套设在弹力夹头上并使弹力夹头将工具头夹紧；压电陶瓷通过预紧螺丝组件设置在变幅杆的尾端面；本发明的结构设计巧妙，通过合理设定变幅杆和压电陶瓷的长度以及变幅杆的结构形状，使得工具头在双频率下能稳定高效的工作，只需要在驱动器程序软件上进行相应的参数设定，便可以根据不同加工需求来选择低频或高频率的工作模式，从而实现使用合适的频率来进行材料加工，使工作达到理想的加工效果，有效保证加工效果，提升产品质量，灵活性高，适用范围广，利于广泛推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及换能器技术领域，特别涉及一种双频率超声振动加工换能器及其工作模式。
背景技术
旋转超声加工是利用电主轴或刀柄的高速旋转能量与超声波能量共同作用，对材料去除的一种新型加工方式。当前，包括陶瓷、碳化硅、蓝宝石等硬脆性材料已经逐渐广泛应用于各个领域，比如手机中框、后盖板等3C消费品。硬脆性材料由于具有高强度、高韧性、高脆性等材料特性，传统加工方法存在很多问题，比如崩边、产生火花、断刀等，有些材料根本无法加工。旋转超声加工被认为是这类硬脆性材料加工的最有潜力的解决方案。超声能量是旋转超声加工中最为关键的参数，其起到提高加工效率、提高刀具寿命、提高加工质量等作用。换能器(Transducer)是超声加工中提供超声能量的核心执行机构，其工作原理为利用压电逆效应将频率电信号转换为高频超声振动，并将超声能传输到被加工材料。换能器作为超声能量传递的载体，其工作性能直接影响到加工品质、刀具寿命、加工效率等。不同的材料需要不同的加工频率与振幅，需要精确控制换能器的超声能量传递与振动模式。
当前使用的超声加工换能器都是单一频率的换能器，一般在20-30kHz或50-60kHz频段。当加工不同的材料时，如果采用单一的频率，其加工的效果并不理想。因此，对多频率的超声换能器与加工方式，工业界提出很实际的需求。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种结构设计巧妙、合理，可以实现在两种超声振动频率下切换工作的双频率超声振动加工换能器。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种双频率超声振动加工换能器，其包括工具头、筒夹、变幅杆、压电陶瓷和预紧螺丝组件，变幅杆上按由前至后呈台阶状依次增大形成第一台阶轴部、第二台阶轴部和第三台阶轴部，所述第一台阶轴部的前端部设有弹力夹头，所述工具头插入弹力夹头，所述筒夹套设在弹力夹头上并使弹力夹头将工具头夹紧；变幅杆的尾端部径向凸起形成一节环；该节环是换能器与外部件的联接与安装的位置，也是其振动为零的节点位置，以减少超声能量的最小受外界所影响。压电陶瓷通过预紧螺丝组件设置在变幅杆的尾端面；所述变幅杆的长度为21～40mm，所述压电陶瓷的长度为6～9mm。压电陶瓷产生第一频率超声振动时，带动所述变幅杆工作，从而带动所述工具头产生超声波机械振动；其中所述第一频率超声振动的频率为20～30kHz，此时双频率超声振动加工换能器为半波长；所述压电陶瓷产生第二频率超声振动时，带动所述变幅杆工作，从而带动所述工具头产生超声波机械振动；其中所述第二超声振动的频率为50～60kHz，此时双频率超声振动加工换能器为全波长。
作为本发明的进一步改进，所述变幅杆和节环为一体连接结构。
作为本发明的进一步改进，所述预紧螺丝组件包括锁紧螺丝和后盖板，变幅杆的尾端面中心位置轴向凸起形成安装凸台，不仅装配效果好，且保证超声能量的传递路径，提升超声能量传递效率，具有良好的工作性能。该安装凸台的中心位置设有与锁紧螺丝相适配的螺纹孔，压电陶瓷放置在安装凸台上，所述后盖板放置在压电陶瓷的背面，所述锁紧螺丝依次贯穿后盖板和压电陶瓷，并拧入螺纹孔锁紧。
作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷为锆钛酸铅压电陶瓷。
作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷的数量为多块，各相邻压电陶瓷之间采用高粘性材料进行粘接。
作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷、变幅杆和预紧螺丝组件的中心线在同一直线上。
一种上述的双频率超声振动加工换能器的工作模式，所述双频率超声振动加工换能器产生第一频率超声振动时，带动所述变幅杆工作，从而带动所述工具头产生超声波机械振动；其中所述第一频率超声振动的频率为20～30kHz，此时双频率超声振动加工换能器为半波长；或所述双频率超声振动加工换能器产生第二频率超声振动时，带动所述变幅杆工作，从而带动所述工具头产生超声波机械振动；其中所述第二超声振动的频率为50～60kHz，此时双频率超声振动加工换能器为全波长。
本发明的有益效果为：本发明的结构设计巧妙，通过合理设定变幅杆和压电陶瓷的长度以及变幅杆的结构形状，使得工具头在双频率下能稳定高效的工作，只需要在驱动器程序软件上进行相应的参数设定，便可以根据不同加工需求来选择低频或高频率的工作模式，从而实现使用合适的频率来进行材料加工，使工作达到理想的加工效果，有效保证加工效果，提升产品质量；同时可以通过筒夹便能快速更换不能功能的工具头，操作简易，且装配精度高，定位效果好，另外整体结构简单，易于实现，成本低，利于广泛推广应用。
下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的分解结构示意图。
具体实施方式
实施例：见图1和图2，本发明提供的一种双频率超声振动加工换能器，其包括工具头1、筒夹2、变幅杆3、压电陶瓷4和预紧螺丝组件5，变幅杆3上按由前至后呈台阶状依次增大形成第一台阶轴部31、第二台阶轴部32和第三台阶轴部33，所述第一台阶轴部31的前端部设有弹力夹头34，所述工具头1插入弹力夹头34，所述筒夹2套设在弹力夹头34上并使弹力夹头34将工具头1夹紧；第三台阶轴部33的尾端部径向凸起形成一节环35；较佳的，所述变幅杆3和节环35为一体连接结构，连接牢固，结构稳定性好。所述节环35上呈圆心对称设有多个安装孔，有效地减少了超声能量与外部件扩散或避免外部振动信号的干扰，确保了超声能量有效传递到工具头1上，提升加工效果。该节环35是换能器与外部件的联接与安装的位置，也是其振动为零的节点位置，以减少超声能量的最小受外界所影响。压电陶瓷4通过预紧螺丝组件5设置在变幅杆3的尾端面。所述变幅杆3的长度为21～40mm，所述压电陶瓷4的长度为6～9mm。通过合理设定变幅杆3和压电陶瓷4的长度以及变幅杆3的结构形状，使得工具头1在双频率下能稳定高效的工作。
具体的，所述预紧螺丝组件5包括锁紧螺丝51和后盖板52，第三台阶轴部33的尾端面中心位置轴向凸起形成安装凸台，不仅装配效果好，且保证超声能量的传递路径，提升超声能量传递效率，具有良好的工作性能。该安装凸台的中心位置设有与锁紧螺丝51相适配的螺纹孔，压电陶瓷4放置在安装凸台上，所述后盖板52放置在压电陶瓷4的背面，所述锁紧螺丝51依次贯穿后盖板52和压电陶瓷4，并拧入螺纹孔锁紧。较佳的，还在所述后盖板52与压电陶瓷4之间设有绝缘垫片53，不仅绝缘效果好，也使得配合更为牢固、紧密。
本实施例中，所述压电陶瓷4优选为锆钛酸铅压电陶瓷，具有更优良的压电和介电性能。
具体的，所述压电陶瓷4的数量为多块，各相邻压电陶瓷4之间采用高粘性材料进行粘接。以用利于超声能量最大传输。
所述压电陶瓷4、变幅杆3和预紧螺丝组件5的中心线在同一直线上，进而提升的超声能量效率。在本实施例中，所述后盖板52与压电陶瓷4的外表面粗糙度为0.4，所述变幅杆3表面的粗糙度为0.8，这样尽可能地减少超声能量的损耗与寄生模态的生成。
一种上述的双频率超声振动加工换能器的工作模式，所述双频率超声振动加工换能器产生第一频率超声振动时，带动所述变幅杆3工作，从而带动所述工具头1产生超声波机械振动；其中所述第一频率超声振动的频率为20～30kHz，此时双频率超声振动加工换能器为半波长；或所述双频率超声振动加工换能器产生第二频率超声振动时，带动所述变幅杆3工作，从而带动所述工具头1产生超声波机械振动；其中所述第二超声振动的频率为50～60kHz，此时双频率超声振动加工换能器为全波长。
工作时，当超声驱动电路装置发射第一频率（低频）电信号时，双频率超声振动加工换能器产生第一超声振动频率，所述第一超声振动频率为20-30kHz，带动所述变幅杆3工作，从而带动所述工具头1工作，此时双频率超声振动加工换能器为半波长。
同理，当超声驱动电路装置发射第二频率（高频）电信号时，双频率超声振动加工换能器产生第二超声振动频率，所述第二超声振动频率为50-60kHz，带动所述变幅杆3工作，从而带动所述工具头1工作，此时双频率超声振动加工换能器为全波长。实现工具头1在双频率下能稳定高效的工作，只需要在驱动器程序软件上进行相应的参数设定，便可以根据不同加工需求来选择低频或高频率的工作模式，灵活性高，适用范围广，给生产使用带来方便。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似的其它换能器，均在本发明保护范围内。
Claims (7)
1.一种双频率超声振动加工换能器，其特征在于：其包括工具头、筒夹、变幅杆、压电陶瓷和预紧螺丝组件，变幅杆上按由前至后呈台阶状依次增大形成第一台阶轴部、第二台阶轴部和第三台阶轴部，所述第一台阶轴部的前端部设有弹力夹头，所述工具头插入弹力夹头，所述筒夹套设在弹力夹头上并使弹力夹头将工具头夹紧；第三台阶轴部的尾端部径向凸起形成一用来与外部件相安装或联接的节环；压电陶瓷通过预紧螺丝组件设置在变幅杆的尾端面；所述变幅杆的长度为21～40mm，所述压电陶瓷的长度为6～9mm；压电陶瓷产生第一频率超声振动时，带动所述变幅杆工作，从而带动所述工具头产生超声波机械振动；其中所述第一频率超声振动的频率为20～30kHz，此时双频率超声振动加工换能器为半波长；所述压电陶瓷产生第二频率超声振动时，带动所述变幅杆工作，从而带动所述工具头产生超声波机械振动；其中所述第二超声振动的频率为50～60kHz，此时双频率超声振动加工换能器为全波长。
2.根据权利要求1所述的双频率超声振动加工换能器，其特征在于，所述变幅杆和节环为一体连接结构。
3.根据权利要求1所述的双频率超声振动加工换能器，其特征在于，所述预紧螺丝组件包括锁紧螺丝和后盖板，变幅杆的尾端面中心位置轴向凸起形成安装凸台，该安装凸台的中心位置设有与锁紧螺丝相适配的螺纹孔，压电陶瓷放置在安装凸台上，所述后盖板放置在压电陶瓷的背面，所述锁紧螺丝依次贯穿后盖板和压电陶瓷，并拧入螺纹孔锁紧。
4.根据权利要求1所述的双频率超声振动加工换能器，其特征在于，所述压电陶瓷为锆钛酸铅压电陶瓷。
5.根据权利要求4所述的双频率超声振动加工换能器，其特征在于，所述压电陶瓷的数量为多块，各相邻压电陶瓷之间采用高粘性材料进行粘接。
6.根据权利要求1或4所述的双频率超声振动加工换能器，其特征在于，所述压电陶瓷、变幅杆和预紧螺丝组件的中心线在同一直线上。
7.一种权利要求1-6中任意一项所述的双频率超声振动加工换能器的工作模式，其特征在于：
所述双频率超声振动加工换能器产生第一频率超声振动时，带动所述变幅杆工作，从而带动所述工具头产生超声波机械振动；其中所述第一频率超声振动的频率为20～30kHz，此时双频率超声振动加工换能器为半波长；或
所述双频率超声振动加工换能器产生第二频率超声振动时，带动所述变幅杆工作，从而带动所述工具头产生超声波机械振动；其中所述第二超声振动的频率为50～60kHz，此时双频率超声振动加工换能器为全波长。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170901 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |