CN109176913A - 一种超声波静音钻 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波特种加工领域，属于墙体钻孔装置，尤其是一种超声波静音钻，包括一手持机架，所述手持机架后端部安装有一电机，该电机的输出端和主轴连接，所述主轴的前端部同轴安装有一超声波换能器，该超声波换能器的前端部由手持机架伸出，所述超声波换能器的前端部安装有多级变幅杆，最前端变幅杆的端部安装有工具头，所述超声波换能器和超声波发生器相连接；所述手持机架的前端安装有一换能器固定架，该换能器固定架内安装有所述超声波换能器，所述换能器固定架的后端部和主轴同轴安装，在主轴的作用下换能器固定架带动超声波换能器同步转动；所述超声波换能器包括前盖板，压电陶瓷和后盖板。

Description

一种超声波静音钻

技术领域

本发明涉及超声波特种加工领域，属于墙体钻孔装置，尤其是一种超声波静音钻。

背景技术

冲击钻是在加工，建筑等领域中最为常用的墙体开孔设备。现有冲击钻一般包括冲击电钻的冲击机构有犬牙式和滚珠式两种。以滚珠式冲击电钻为例，其结构包括电钻由动盘、定盘、钢球等。动盘通过螺纹与主轴相连，并带有12个钢球；定盘利用销钉固定在机壳上，并带有4个钢球，在推力作用下，12个钢球沿4个钢球滚动，使硬质合金钻头产生旋转冲击运动，能在砖、砌块、混凝土等脆性材料上钻孔。上述装置在使用过程中存在一定的不足，会产生极大的噪音和大量的粉尘，对长时间处于施工环境中的操作人员产生不良影响。

为解决上述问题，有的厂商研发了静音钻，现有静音钻的结构多将钻头通过弹簧软轴联结至隔音处理后的动力头，以弹性软连接来阻隔动力头发出的噪音，实现降低钻孔噪音的效果。但上述装置在实际使用过程中相较于传统冲击钻，降低了钻头的转速，因此会导致钻孔切削的效率变低，当应用在质地比较坚硬的混凝土墙面时，钻孔非常困难，不能满足工作需要。

目前市面内尚没有一款即可保证钻孔效率又可降低施工现场分贝的钻孔装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构合理，钻孔效率高，有效降低施工声音，吸收施工过程中产生粉尘的一种超声波静音钻。

本发明采取的技术方案是：

一种超声波静音钻，包括一手持机架，所述手持机架后端部安装有一电机，该电机的输出端和主轴连接，其特征在于：所述主轴的前端部同轴安装有一超声波换能器，该超声波换能器的前端部由手持机架伸出，所述超声波换能器的前端部安装有多级变幅杆，最前端变幅杆的端部安装有工具头，所述超声波换能器和超声波发生器相连接。

而且，所述手持机架的前端安装有一超声波换能器固定架，该超声波换能器固定架内安装有所述超声波换能器，所述超声波换能器固定架的后端部和主轴同轴安装，在主轴的作用下超声波换能器固定架带动超声波换能器同步转动。

而且，所述超声波换能器包括前盖板，压电陶瓷和后盖板，该前盖板，压电陶瓷和后盖板顺次设置经螺杆安装固定，经所述压电陶瓷制出的电极将超声波换能器和超声波发生器相连接。

而且，所述前盖板的前端外缘一体制有连接法兰，通过连接法兰将超声波换能器和超声波换能器固定架安装固定。

而且，所述手持机架内在主轴外侧制出一密封的气室，该气室和外部的静音吸尘器相连通，在所述工具头、多级变幅杆、超声波换能器和主轴的内缘中部分别制出连通的气道，该气道位于主轴一侧的端部和气室相连通，该气道位于工具头一侧的端部和外部环境相连通。

而且，所述超声波发生器包括中央控制模块，该中央控制模块和一频率调节单元的控制端相连接，所述频率调节单元的信号输出端和超声波信号输出单元相连接，该超声波信号输出单元与超声波换能器相连接。

而且，所述超声波发生器内分别安装有频率显示单元和电流显示单元，该频率显示单元和电流显示单元分别和中央控制单元相连接。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明中，电机配合主轴保留了现有技术中的转动系统，通过超声波换能器配合超声波发生器和多级变幅杆，替代现有技术形成一种新的冲击技术，其原理是超声波发生器产生一个高频高电压信号作用于超声波换能器，超声波换能器把超声频率电能转换为超声频率机械能，产生的机械振动，再经过弹性硬质材料制作多级变幅杆进行机械振幅多级放大，使得工具头机械振幅足够大，工具头以每秒大于等于两万次的速度对被作用对象进行冲击、切削、研磨，并伴有“气蚀”现象，瞬间将被作用对象变成粉尘满足高效静音的击碎目标设计要求。

2、本发明中，换能固定架用于实现主轴和超声波换能器的连接，进而带动超声波换能的机械传统；超声波换能器采用前盖板，压电陶瓷和后盖板形式夹心式结构，即把压电陶瓷堆片夹持在两个金属块之间，通过夹持给压电材料一定的预应力，是超声波换能器工作时不至于受到大张力；压电陶瓷作为压电晶体，在压电晶体上加一外电场，在此电场作用下，压电晶体内部电极化状态会发生相应的变化，产生与外加电场强度成正比的应变现象，这一现象称为逆压电效应。压电晶体通过逆压电效应可以将电能转换成机械能。

3、本发明中，气室的作用在于将气道和外部的静音吸尘器相连通，气道位于工具头内的端部和外部的施工环境相连接，因此，在施工过程中，可将施工过程产生的粉尘沿气道和气室吸入静音吸尘器内，从而实现无尘施工的设计要求，优化现场施工环境。

4、本发明中，超声波发生器内安装的中央控制模块作为中空单元对超声波发生器的进行有效控制，其经过频率调节单元可控制超声波信号输出单元输出的超声频率电能的频率，频率显示单元和电流显示单元则用于对超声波发生器实时的频率和电流进行显示，便于操作人员进行必要的调整和控制。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的模块示意图；

图3为本发明中超声波换能器部分的结构示意图；

图4为本发明中机械传动结构的结构示意图。

1连接头 2前轴承 3超声波换能器 4平面轴承 5超声波换能器固定架 6气室 7后轴承 8电机座 9电机 10联轴器 11吸气口 12工具头 13二级变幅杆 31前盖板 32螺杆 33压电陶瓷 34后盖板

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

1、本发明的实施方式：

一种超声波静音钻，包括一手持机架，所述手持机架后端部安装有一电机，该电机的输出端通过联轴器和主轴连接，本发明的创新在于，所述主轴的前端部同轴安装有一超声波换能器，该超声波换能器的前端部由手持机架伸出，所述超声波换能器的前端部安装有多级变幅杆，最前端变幅杆的端部安装有工具头，所述超声波换能器和超声波发生器相连接。

本实施例中，所述手持机架的前端安装有一超声波换能器固定架，该超声波换能器固定架内安装有所述超声波换能器，所述超声波换能器固定架的后端部和主轴同轴安装，在主轴的作用下超声波换能器固定架带动超声波换能器同步转动。

本实施例中，所述超声波换能器包括前盖板，压电陶瓷和后盖板，该前盖板，压电陶瓷和后盖板顺次设置经螺杆安装固定，经所述压电陶瓷制出的电极将超声波换能器和超声波发生器相连接，所述前盖板的前端部一体制出一级变幅杆，该一级变幅杆的前端部设置有连接头，所述连接头用于和二级变幅杆；所述前盖板的前端外缘一体制有连接法兰，通过连接法兰将超声波换能器和超声波换能器固定架安装固定。

本实施例中，所述多级变幅杆优选采用两级复合形变幅杆，即一级变幅杆和二级变幅杆进行安装。

本实施例中，工具头部分采用的材料是钨钴类硬质合金，属于高密度材料，合金工具头的洛氏硬度值为92。

本实施例中，所述手持机架内在主轴外侧制出一密封的气室，该气室和外部的静音吸尘器相连通，在所述工具头、多级变幅杆、超声波换能器和主轴的内缘中部分别制出连通的气道，该气道位于主轴一侧的端部和气室相连通，该气道位于工具头一侧的端部制有吸气口，所述气道经该吸气口和外部环境相连通。

本实施例中，所述超声波发生器包括中央控制模块，该中央控制模块和一频率调节单元的控制端相连接，所述频率调节单元的信号输出端和超声波信号输出单元相连接，该超声波信号输出单元与超声波换能器相连接。

本实施例中，所述超声波发生器内分别安装有频率显示单元和电流显示单元，该频率显示单元和电流显示单元分别和中央控制单元相连接。

本实施例中，在换能器固定架的外缘套装有前轴承，主轴外缘中部套装有平面轴承，联轴器前端的主轴外缘外套装有后轴承。

本实施例中，所述静音吸尘器包括过滤单元、真空室、静音泵和集尘室，所述静音泵和真空室连接，该真空室的进气端经过滤单元和起到相连通，所述真空室和集尘室连通安装。本实施例中，所述超声波发生器内安装有一控制面板，该控制面板的信号输出端和中央控制单元相连接。

2、有关变幅杆的设计：

变幅杆的共振长度l、放大系数Mp、形状因数φ、位移节点Xo、输入力阻抗Zi和弯曲劲度等参数加以描述的。其中放大系数Mp是指变幅杆工作在共振频率时，输出端与输入端的质点位移或速度的比值；形状因数φ是衡量变幅杆所能达到的最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关，φ值越大，通过变幅杆所能达到的最大振动速度也越大，如等截面杆的φ值为1，常用变幅杆的φ值都接近于3，某些特殊形状变幅杆，φ值可达到5左右；输入力阻抗Zi定义为输入端策动力与质点振动速度的复数比值。在实际应用中常常要求输入力阻抗随频率及负荷的变化而变化的幅度要小；弯曲劲度是弯曲柔性的倒数，弯曲劲度也与变幅杆的几何形状有关。变幅杆越长，弯曲柔顺性越大，实际应用时要避免。

上述变幅杆各性能参数是根据纵振动波动方程、杆的面积函数及边界条件来确定的。

由于本设备主要应用于墙面打孔或一些硬质材料，属于高强度应用场合，常常要求变幅杆末端具有很大的振幅，这就要求变幅杆的形状因数φ及放大系数Mp值都尽可能的大，如果选择单一变幅杆，它的φ值和Mp值常出现此优彼劣的现象，很难二者兼顾。为了改变这一状况，就必须采用复合形变幅杆的形式来弥补不足以提高其输出性能。经计算，最终选择两级复合形变幅杆，一级变幅杆采用四分之一波长指数、二级变幅杆采用四分之一波长等截面设计。

3、有关超声波换能器的设计：

超声波换能器的封装形式采用夹心式，即把压电陶瓷堆片夹持在两个金属块之间，通过夹持给压电材料一定的预应力，是超声波换能器工作时不至于受到大张力，主要部件由压电陶瓷、金属材料制出的前后盖板、预应力螺杆等组成。

其中，压电材料是研制压电超声波换能器的重要环节之一，目前常用的压电陶瓷材料分三个系，一元系：钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾、偏铌酸钾等；二元系：锆钛酸铅及其系列、铌酸钾钠、偏铌酸铅钡等；三元系：铌镁-锆-钛酸铅、铌锌-锆-钛酸铅、铌锰-锆-钛酸铅等，依据本设备的最大功率，工作电流，工作电压和连续作业时间这几个参数，选用二元系的锆钛酸铅系列压电陶瓷制作超声波换能器。

本设备超声波换能器压电陶瓷由四片压电陶瓷环组成，压电晶片间采用机械串联，电端并联的方法连接，相邻两片的极化方向相反，以保证压电陶瓷能协调一致地振动，晶片之间以及晶片与金属盖板之间，用铍青铜片作为电极，其厚度为0.5mm，螺杆与晶片之间，要用绝缘套管，以免高压打火。前后盖板采用钛铝合金材料，结合表面要研磨，为了是保证良好的机械耦合，螺杆需用高强度螺栓钢制成，抗张强度在80kg/mm²(1kg/mm²＝9.8MPa)，螺纹采用圆弧式。

对于不同的应用范围，可设计不同的前盖板形状，如：锥形、指数型、阶梯型、梯形等，后盖板变化不大，一般都是圆柱形后端加倒角。依据本设备的应用场合，要把能量聚集到很小的面积上。采用前盖板作为前级辐射头，由于大功率超声波换能器往往要求功率密度高，工作时间2至3个小时左右，前盖板除必须选择抗疲劳强度好的钛铝合金材料外，还必须选择机械损耗小的形状，即选择指数型前盖板。

4、有关超声波发生器的设计：

超声波发生器也称超声电源，它是一种用以产生并向超声波换能器提供超声频电能的装置。按照所采用的工作原理，可以把超声波发生器分为模拟电路和数字电路两大类。模拟电路超声波发生器又分为振荡-放大型和逆变型两种。

应用中选用模拟电路，以振荡-放大型为主，这款模拟型超声波发生器主要包括振荡器、放大器、匹配电路与频率自动追踪。

振荡器的作用是产生一个一定频率的信号，用以推动后面的放大部分。它可以是一个独立的振荡器，也可以是一个反馈网络。习惯上，把前一种称为它激式超声波发生器，后一种称为自激式超声波发生器。它激式产生的超声波振荡频率比较稳定，并可在较宽的频率范围内调节。自激式结构简单，易于实现自动追频，依据本设备的负载特点，有较大的频率波动，对自动追频要求较高，因此选择它激式振荡器。

放大器的作用是将振荡信号放大至所需电平。本设备采用集成功率放大器，可将系统的谐波失真降到万分之几，大幅提高超声波发生器的品质。

匹配电路与自动追频，超声波发生器与一般放大电路的一个重要区别在于它的匹配电路部分，一般放大器与负载之间的匹配之牵涉到阻抗变换，而超声波发生器与负载之间的匹配除了阻抗变换之外，还有一项很重要的内容——调谐，即选用一定值的电抗元件，使之在工作频率上与负载中的电抗成分谐振。只有在同时进行了阻抗变换和调谐之后，整个系统才算是达到了匹配，超声波换能器才可以正常工作。在很多时候，超声波换能器是用于负载变动剧烈的场合，即使在负载比较稳定的情况下，超声波换能器(以及与之配合使用的变幅杆、工具头)的参数也会因为发热、老化、磨损、疲劳等原因而发生变化，这些都会使得超声波换能器的谐振频率改变。如果超声波发生器的频率不随之而变，超声波换能器将工作在失谐状态，机械噪音也会随之加大，头部振幅也会下降，使工作效率降低，甚至停振。因此，需要采取措施使超声波发生器的振荡频率随着超声波换能器的谐振频率做相应的变化，以保证超声波换能器始终工作在谐振状态。

经过实践发现实现频率自动追踪的方法是锁相法，当超声波换能器谐振且与超声波发生器匹配时，其输入特性相当于一个纯电阻，此时，加于其上的电压与电流同相。一旦超声波换能器谐振频率改变，此电压与电流之间就会有一个相位差，锁相法的原理就是检测出这个相位差的大小和符号，用此偏差信号去调节振荡器频率，形成一个闭环系统，使相位差减小，直至被锁定在零上。

Claims (7)

1.一种超声波静音钻，包括一手持机架，所述手持机架后端部安装有一电机，该电机的输出端和主轴连接，其特征在于：所述主轴的前端部同轴安装有一超声波换能器，该超声波换能器的前端部由手持机架伸出，所述超声波换能器的前端部安装有多级变幅杆，最前端变幅杆的端部安装有工具头，所述超声波换能器和超声波发生器相连接。

2.根据权利要求1所述的一种超声波静音钻，其特征在于：所述手持机架的前端安装有一换能器固定架，该换能器固定架内安装有所述超声波换能器，所述换能器固定架的后端部和主轴同轴安装，在主轴的作用下换能器固定架带动超声波换能器同步转动。

3.根据权利要求2所述的一种超声波静音钻，其特征在于：所述超声波换能器包括前盖板，压电陶瓷和后盖板，该前盖板，压电陶瓷和后盖板顺次设置经螺杆安装固定，经所述压电陶瓷制出的电极将超声波换能器和超声波发生器相连接。

4.根据权利要求3所述的一种超声波静音钻，其特征在于：所述前盖板的前端外缘一体制有连接法兰，通过连接法兰将换能器和换能器固定架安装固定。

5.根据权利要求1所述的一种超声波静音钻，其特征在于：所述手持机架内在主轴外侧制出一密封的气室，该气室和外部的静音吸尘器相连通，在所述工具头、多级变幅杆、超声波换能器和主轴的内缘中部分别制出连通的气道，该气道位于主轴一侧的端部和气室相连通，该气道位于工具头一侧的端部和外部环境相连通。

6.根据权利要求1所述的一种超声波静音钻，其特征在于：所述超声波发生器包括中央控制模块，该中央控制模块和一频率调节单元的控制端相连接，所述频率调节单元的信号输出端和超声波信号输出单元相连接，该超声波信号输出单元与超声波换能器相连接。

7.根据权利要求6所述的一种超声波静音钻，其特征在于：所述超声波发生器内分别安装有频率显示单元和电流显示单元，该频率显示单元和电流显示单元分别和中央控制单元相连接。