CN107297317A - 实现单激励纵‑扭复合超声振动的一体式转换方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现单激励纵‑扭复合超声振动的一体式转换方法及装置，针对应用空间和振动频率，根据超声系统内部满足“二分之一波长”叠加规律，对压电陶瓷片、铜电极及反射端进行两段式换能器“夹心式”设计，其几何尺寸满足“四分之一波长”要求，相邻两压电陶瓷片的纵向极化方向相反，压电陶瓷片净化后通过粘合剂进行粘合；利用连接螺栓将反射端、压电陶瓷片、铜电极及发射端串接固定在一起，在发射端上开螺旋槽，将单激励的纵向振动转换为纵‑扭振动，通过改变螺旋槽的结构参数，来改变纵‑扭幅值比。本发明单激励产生的纵向振动在螺旋体与圆柱面接触的根部分解为沿着螺旋线方向和垂直螺旋线方向的振动，从而实现工具头的单激励纵扭复合超声振动。
Description
技术领域：
本发明涉及一种超声振动加工机械领域，特别是涉及一种实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换方法及装置。
背景技术：
随着硬脆材料，特别是纳米复相陶瓷和金属基复合材料加工需求日益增多，功率超声加工技术得到广泛的应用。传统的超声加工较多采用单一振动形式，随着超声振动理论与实践的不断改进和完善，纵-扭、纵-弯等复合振动形式得到发展。研究表明，在单激励纵-扭复合超声振动形式下，薄板焊接工艺得到克服与完善（Tsujino J，Complex vibrationultrasonic welding systems with large area welding tips,Ultrasonics，2002）；硬脆材料的被加工表面、铣削稳定性及刀具磨损得到大幅度改善（皮钧, 纵扭共振超声铣削研究，中国机械工程，2009）。应不同应用空间的要求，不仅需对工件或刀具施加不同方向的超声振动，且在保证较大的输出振幅的情况下，几何尺寸也应满足空间位置的要求。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设计合理、减小占用空间、纵-扭复合振动效果好且容易实施的实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换方法及装置。
本发明的技术方案是：
一种实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换方法及装置，其技术方案是：针对应用空间和振动频率的需求，根据超声系统内部满足“二分之一波长”叠加规律，对压电陶瓷片、铜电极及反射端进行两段式换能器“夹心式”设计，其几何尺寸满足“四分之一波长”设计要求，相邻两压电陶瓷片的纵向极化方向相反，压电陶瓷片净化后通过粘合剂进行粘合；利用连接螺栓将反射端、压电陶瓷片、铜电极及发射端串接固定在一起，在发射端上开螺旋槽，将单激励的纵向振动转换为纵-扭振动，通过改变螺旋槽的结构参数，来改变纵-扭幅值比。
将阶梯型变幅杆与锥形变幅杆进行优势互补，形成圆锥过渡阶梯型发射端，所述螺旋槽的结构参数包括螺旋槽的线数、宽度b、深度h及螺旋角a；所述反射端使用重金属制成，所述发射端使用轻金属和中碳钢制成。
所述螺旋槽位于所述发射端的过渡圆锥体上，或者，所述螺旋槽位于所述发射端的大端圆柱体与过渡圆锥体上，或者，所述螺旋槽位于所述发射端的圆锥体，其中，所述圆锥体是由原过渡圆锥体延伸至法兰盘靠近小端端面。
在发射端的法兰盘的两个端面上以发射端的轴线为中心线分别开设减震沟和减震孔，所述减震孔圆心对称阵列均布；在所述发射端的小端的末端处开设锥孔和螺纹，以匹配相应的弹簧夹头及压帽；对所述反射端进行沉头设计，改用内六角螺栓连接，对反射端进行阶梯台、圆锥台以及附加沉头设计，缩短反射端端面的径向尺寸。
几何尺寸不仅局限为“二分之一波长”，根据实际生产需求，发射端可采用“（n/2+1/4）波长”设计。
本发明的有益效果是：
1、本发明单激励产生的纵向振动在螺旋体与圆柱面接触的根部分解为沿着螺旋线方向和垂直螺旋线方向的振动，当这两种振动的振动频率与螺旋体的局部弯曲振动频率接近或相同时，螺旋体将产生纵向共振和弯曲共振，等效于螺旋体沿圆周面进行扭转振动，但发射端的结构阻尼会造成输出端的纵向振动与扭转振动产生相位差，从而实现工具头的单激励纵-扭复合超声振动。
2、本发明放大系数指变幅杆在共振频率下，输出端与输入端质点位移或速度之比，为了保证较大放大系数同时，避免截面突变处产生过大应力，将阶梯型变幅杆与锥形变幅杆优势互补，形成圆锥过渡阶梯型发射端，其几何尺寸满足“四分之一波长”设计要求。
3、本发明根据超声系统内部满足“二分之一波长”叠加规律，对压电陶瓷片、铜电极及反射端进行两段式换能器“夹心式”设计，其几何尺寸满足“四分之一波长”设计要求。相邻两压电陶瓷片的纵向极化方向相反，压电陶瓷片净化后通过专用粘合剂进行粘合。
4、本发明反射端使用重金属，例如铜合金、合金钢等；发射端使用轻金属和中碳钢(包括中碳合金钢)，例如钛合金、铝合金45钢等，能够更好地实现能量传递。
5、本发明在法兰盘的两个端面上以发射端的轴线为中心线分别开设减震沟和减震孔，减震孔圆心对称阵列均布，有效地防止振动能量流的损耗。另外，在发射端的小端的末端处开设锥孔和螺纹，以匹配相应的弹簧夹头及压帽，能够灵活调整工具头的伸出长度。
6、本发明纵-扭复合超声振动一体式转换装置的几何尺寸不仅局限为“二分之一波长”，根据实际生产需求，发射端可以进行“（n/2+1/4）波长”设计，纵-扭复合超声振动一体式转换装置的几何尺寸可设计为“二分之一波长的整数倍”，灵活多用。
7、本发明为了缩短转换装置的整体尺寸，对反射端进行沉头设计，改用内六角螺栓连接，缩短反射端的轴向尺寸；对反射端进行阶梯台、圆锥台以及附加沉头设计，缩短反射端端面的径向尺寸。
8、本发明对换能器和变幅杆的进行整体式设计，将阶梯型变幅杆与锥形变幅杆优势互补，形成圆锥过渡阶梯型发射端，避免截面突变处产生过大应力，易于推广实施，具有良好的经济效益。
附图说明：
图1为实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换装置的结构示意图；
图2为图1中发射端的结构示意图；
图3为图1中发射端的开槽方式结构示意图之一；
图4为图1中发射端的开槽方式结构示意图之二；
图5为图1中发射端的开槽方式结构示意图之三；
图6为图1中忽略螺旋槽的发射端的剖面结构示意图。
具体实施方式：
实施例：参见图1-图6，图中，1-连接螺栓，2-反射端，3-压电陶瓷片，4-铜电极，5-发射端，6-法兰盘，7-螺旋槽，8-螺旋体，9-减震沟，10-螺纹孔，11-减震孔，12-锥孔，13-螺纹。
实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换方法及装置，其技术方案是是：针对严格的应用空间需求及振动频率需求，进行了“四分之一波长”换能器和“四分之一波长”复合变幅杆的一体式理论设计，获得一体式转换装置的几何模型。
利用连接螺栓1将反射端2、压电陶瓷片3、铜电极4及发射端5进行螺纹连接，在发射端5上开螺旋槽7，从而达到能量在转换的基础上实现纵-扭复合振动的目的。相邻压电陶瓷片3纵向极化方向相反，压电陶瓷片3净化后采用粘合剂粘合，并进行老化处理。
结合有限元模态分析和谐响应分析，通过修正法兰盘6节点位置、大端小端长度、螺旋槽7位置及形状等结构参数，优化几何模型。其中，槽深h的表达式为：；螺旋角a的表达式为：，一般在30°～ 60°范围内取值，其中，P为螺旋槽7的螺距；螺旋槽7的线数根据发射端5的尺寸决定，一般在3～6范围内取值。结合有限元模态分析结果，在发射端末端实现“纵-扭”方向的超声振动的转换及输出。
压电陶瓷片3预应力为3000-3500N/cm2，根据压电陶瓷片3的面积和连接螺栓1的横截面积，计算一体式转换装置的预紧力，并通过测力矩扳手施加预紧力，进一步保证接触面间紧密贴合。连接螺栓1采用高强度外六方螺栓。
为了更好地实现能量传递，反射端2使用重金属，例如铜合金、合金钢等；发射端5使用轻金属和中碳钢(包括中碳合金钢)，例如钛合金、铝合金45钢等。
为了防止振动能量流的损耗，在法兰盘6的两个端面上以发射端5的轴线为中心线分别开设减震沟9和减震孔11，减震孔11圆心对称阵列均布。为了灵活调整工具头的伸出长度，在发射端5的小端的末端处开设锥孔12和螺纹13，以匹配相应的弹簧夹头及压帽。
为保证纵-扭复合超声振动一体式转换装置的各接触面紧密贴合，有利于波的传递，所有接触面及圆周面需进行精磨，保证一定的粗糙度及跳动要求。为了缩短转换装置的整体尺寸，可对反射端2进行沉头设计，改用内六角螺栓连接，缩短反射端2的轴向尺寸；可对反射端2进行阶梯台、圆锥台以及附加沉头设计，缩短反射端2端面的径向尺寸。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换方法，其特征是：针对应用空间和振动频率的需求，根据超声系统内部满足“二分之一波长”叠加规律，对压电陶瓷片、铜电极及反射端进行两段式换能器“夹心式”设计，其几何尺寸满足“四分之一波长”设计要求，相邻两压电陶瓷片的纵向极化方向相反，压电陶瓷片净化后通过粘合剂进行粘合；利用连接螺栓将反射端、压电陶瓷片、铜电极及发射端串接固定在一起，在发射端上开螺旋槽，将单激励的纵向振动转换为纵-扭振动，通过改变螺旋槽的结构参数，来改变纵-扭幅值比。
2.根据权利要求1所述的实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换方法，其特征是：将阶梯型变幅杆与锥形变幅杆进行优势互补，形成圆锥过渡阶梯型发射端，所述螺旋槽的结构参数包括螺旋槽的线数、宽度b、深度h及螺旋角a；所述反射端使用重金属制成，所述发射端使用轻金属和中碳钢制成。
3.根据权利要求1所述的实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换方法，其特征是：所述螺旋槽位于所述发射端的过渡圆锥体上，或者，所述螺旋槽位于所述发射端的大端圆柱体与过渡圆锥体上，或者，所述螺旋槽位于所述发射端的圆锥体，其中，所述圆锥体是由原过渡圆锥体延伸至法兰盘靠近小端端面。
4.根据权利要求1所述的实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换方法，其特征是：在发射端的法兰盘的两个端面上以发射端的轴线为中心线分别开设减震沟和减震孔，所述减震孔圆心对称阵列均布；在所述发射端的小端的末端处开设锥孔和螺纹，以匹配相应的弹簧夹头及压帽；对所述反射端进行沉头设计，改用内六角螺栓连接，对反射端进行阶梯台、圆锥台以及附加沉头设计，缩短反射端端面的径向尺寸。
5.根据权利要求1所述的实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换方法，其特征是：几何尺寸不仅局限为“二分之一波长”，根据实际生产需求，发射端可采用“（n/2+1/4）波长”设计。
6.一种实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换装置，包括反射端、压电陶瓷、铜电极和发射端，其特征是：利用连接螺栓将所述反射端、压电陶瓷片、铜电极及发射端串接固定在一起，所述发射端上设置有螺旋槽，将单激励的纵向振动转换为纵-扭振动，通过改变所述螺旋槽的结构参数，来改变纵-扭幅值比；相邻所述压电陶瓷片的纵向极化方向相反，所述压电陶瓷片与所述铜电极采用“夹心式”结构，所述压电陶瓷片及铜电极的个数以及发射端的几何尺寸分别根据“四分之一波长”理论设计完成，缩短转换装置轴向尺寸。
7.根据权利要求6所述的实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换装置，其特征是：所述发射端为圆锥过渡阶梯型，所述螺旋槽的结构参数包括螺旋槽的线数、宽度b、深度h及螺旋角a；所述反射端使用重金属制成，所述发射端使用轻金属和中碳钢制成。
8.根据权利要求6所述的实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换装置，其特征是：所述螺旋槽位于所述发射端的过渡圆锥体上，或者，所述螺旋槽位于所述发射端的大端圆柱体与过渡圆锥体上，或者，所述螺旋槽位于所述发射端的圆锥体，其中，所述圆锥体是由原过渡圆锥体延伸至法兰盘靠近小端端面。
9.根据权利要求6所述的实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换方法，其特征是：所述发射端的法兰盘的两个端面上以发射端的轴线为中心线分别开设减震沟和减震孔，所述减震孔圆心对称阵列均布；在所述发射端的小端的末端处开设锥孔和螺纹，以匹配相应的弹簧夹头及压帽；对所述反射端进行沉头设计，改用内六角螺栓连接，对反射端进行阶梯台、圆锥台以及附加沉头设计，缩短反射端端面的径向尺寸。
10.根据权利要求6所述的实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换装置，其特征是：几何尺寸不仅局限为“二分之一波长”，根据实际生产需求，发射端可采用“（n/2+1/4）波长”设计，一体式转换装置的几何尺寸可设计为“二分之一波长的整数倍”。
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