CN109499829B - 基于声子晶体槽的超声波振动系统及其径向振动抑制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于声子晶体槽的超声波振动系统及其径向振动抑制方法，级联式压电陶瓷复合换能器的输出端上设置有超声波变幅杆，超声波变幅杆的输出端上设置有具有声子晶体周期槽结构的圆柱工具头。本发明的金属圆柱工具头上加工有声子晶体周期槽后具有径向振动频率带隙，将本发明的工作频率包含于金属圆柱工具头径向振动频率带隙内，则金属圆柱工具头的径向振动得到抑制，同时，振动系统中的纵向振动得到加强，且改善了金属圆形工具头纵向辐射面上的纵振动位移分布的均匀程度。

Description

基于声子晶体槽的超声波振动系统及其径向振动抑制方法
技术领域
本发明属于超声振动技术领域，具体涉及到一种基于声子晶体周期槽的大尺寸超声波圆形振动系统及其径向振动抑制的设计方法。
背景技术
随着超声技术的发展，功率超声波技术在机械制造领域的应用日趋广泛，例如超声波机械加工、超声波金属以及塑料焊接、超声波珩磨、超声波金属成型等等。针对此类大功率超声波技术应用，超声波振动系统主要由三部分组成，即夹心式功率超声换能器、超声波变幅杆以及各种不同形状的超声波振动工具头。其中，夹心式功率超声换能器和超声波变幅杆是功率超声振动系统的通用组成部分。一般来说，针对各种不同的功率超声波技术应用，夹心式功率超声换能器和超声波变幅杆的结构和形状是不会发生明显的变化的，但超声波振动工具头则必须适应各种不同的技术需求，也就是说，针对不同的功率超声技术应用，需要设计和加工不同形状及不同用途的超声波振动工具头。
在功率超声振动系统中，夹心式功率超声换能器的作用是将一定频率及一定功率的高频电能借助于压电陶瓷材料的压电效应转换成超声频的机械振动。超声波变幅杆的作用是将压电陶瓷换能器产生的超声频机械振动加以放大，以满足不同的功率超声技术的特殊要求。超声波工具头则是根据具体的超声波应用技术而设计的独特的超声波振动体，通过超声波工具头各种不同的形状和结构设计，将换能器和变幅杆产生的超声振动有效的传递给各种不同的工件中，满足不同的功率超声技术应用需求。
根据不同的功率超声技术应用，例如超声波加工以及超声波焊接等，常用的超声波工具头包括金属细长棒、粗短金属圆柱体(也包括圆环体)、矩形六面体以及立方体等。
对于功率超声振动系统的设计，传统的设计方法是基于一维纵振动理论。这一理论要求振动系统的横向几何尺寸要远小于其纵向几何尺寸。一般情况下，当振动系统的横向几何尺寸小于纵振动波长的四分之一时，一维纵振动理论的理论设计结果与实际值基本符合。如果大功率超声振动系统的几何尺寸不满足一维理论的要求，将会出现比较大的设计误差，此时，一维纵振动设计理论不再适用，必须发展新的设计理论。
随着功率超声技术的发展，越来越多的功率超声振动系统的几何尺寸不满足一维纵向振动理论的要求，例如为了加工或者焊接尺寸较大的机械部件，必须选择相应几何尺寸的超声波工具头。此时超声波工具头的横向几何尺寸接近于工具头的纵向尺寸，有时可能大于其纵向尺寸，此时传统的一维纵振动设计理论不再适用。对于大尺寸的超声波工具头，由于横向振动以及耦合振动的出现，工具头辐射面的纵振动位移分布的均匀程度变差，导致超声波的作用效果下降，严重影响产品质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、结构简单、工作效率高的基于声子晶体槽的大尺寸超声波振动系统。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：级联式压电陶瓷复合换能器的输出端上设置有超声波变幅杆，超声波变幅杆的输出端上设置有具有声子晶体周期槽结构的金属圆柱工具头。
作为一种优选的技术方案，所述的级联式压电陶瓷复合换能器包括至少2组压电陶瓷晶堆，相邻压电陶瓷晶堆之间设置有金属圆柱体。
作为一种优选的技术方案，超声波变幅杆是由阶梯型变幅杆、圆锥形变幅杆、指数型变幅杆、双曲线型变幅杆中得一种或2种串联构成。
作为一种优选的技术方案，所述的具有声子晶体周期槽结构的金属圆柱工具头为金属圆柱体的侧壁上沿圆周方向设置有径向槽。
作为一种优选的技术方案，所述的径向通槽的数量n≥1，径向通槽的数量n为2个以上，相邻径向通槽之间的夹角为360/2n度，径向通槽的截面形状为长圆形。
作为一种优选的技术方案，所述的具有声子晶体周期槽结构的圆柱工具头为金属圆柱体的端面上加工有环形槽。
作为一种优选的技术方案，所述的具有声子晶体周期槽结构的圆柱工具头为金属圆柱体的端面上加工有均匀分布的圆孔。
本发明还提供一种大尺寸超声波圆形振动系统径向振动抑制的设计方法，大尺寸超声波圆形振动系统包括换能器、超声波变幅杆、金属圆柱工具头，在金属圆柱工具头上加工具有声子晶体周期结构的槽；确定具有声子晶体周期槽结构的圆柱工具头的径向振动频率帯隙；设计大尺寸超声波圆形振动系统的工作频率，使其位于具有声子晶体周期槽结构的圆柱工具头的径向振动频率帯隙内。
本发明的有益效果如下：
本发明的级联式压电陶瓷复合换能器采用至少两组压电陶瓷晶堆，增大了换能器的输入电功率，因而提高换能器的功率容量，相邻压电陶瓷晶堆之间设置有金属圆柱体可以提高换能器的散热，采用在金属圆柱工具头上加工声子晶体周期槽，使金属圆柱工具头具有径向振动频率带隙，将本发明的工作频率控制在金属圆柱工具头径向振动频率带隙内，则金属圆柱工具头的径向振动得到抑制，同时振动系统中的纵向振动得到加强，且改善了金属圆形工具头纵向辐射面上的纵振动位移分布的均匀程度。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是实心金属圆柱工具头的端面上加工有环形声子晶体周期槽的结构图。
图3是实心金属圆柱工具头的端面上加工有圆孔形声子晶体周期槽的结构图。
图4是空心金属圆柱工具头及其对应的三种声子晶体周期槽的结构图。
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，但本发明不限于下述的实施方式。
实施例1
在图1中本实施例的基于声子晶体槽的大尺寸超声波振动系统由级联式压电陶瓷复合换能器1、指数型变幅杆2、金属圆柱工具头3连接构成。
级联式压电陶瓷复合换能器1的结构为第一压电陶瓷晶堆的输出端通过中心预应力金属螺栓与金属圆柱体的一端相联，金属圆柱体的另一端通过中心预应力金属螺栓与第二压电陶瓷晶堆的输入端相联，第一压电陶瓷晶堆与第二压电陶瓷晶堆结构相同，金属圆柱体的直径与第一压电陶瓷晶堆的直径相同，金属圆柱体用于改善级联式压电陶瓷复合换能器1的散热程度，提高换能器的效率及性能，第二压电陶瓷晶堆的输出端通过中心预应力金属螺栓与指数型变幅杆2的输入端相联，指数型变幅杆2的输出端通过中心预应力金属螺栓与金属圆柱工具头3一端相联，金属圆柱工具头3为实心圆柱体，金属圆柱工具头3的侧壁上沿圆周方向加工有3个径向通槽，相邻径向通槽之间的夹角为60°，径向通槽的截面形状为长圆形，该径向槽为声子晶体周期槽，金属圆柱工具头3上加工有声子晶体周期槽后具有径向振动频率带隙，将本发明的工作频率控制在金属圆柱工具头3径向振动频率带隙内，则金属圆柱工具头3的径向振动得到抑制，同时，振动系统中的纵向振动得到加强，且改善了金属圆形工具头纵向辐射面上的纵振动位移分布的均匀程度。
本实施例一种大尺寸超声波圆形振动系统径向振动抑制的设计方法，在金属圆柱工具头上加工具有声子晶体周期结构的径向槽；确定具有声子晶体周期槽结构的圆柱工具头的径向振动频率帯隙；设计大尺寸超声波圆形振动系统的工作频率，使其位于具有声子晶体周期槽结构的圆柱工具头的径向振动频率帯隙内。
实施例2
在本实施例中，金属圆柱工具头3的端面上加工有环形槽，该环形槽为声子晶体周期槽，如图2，金属圆柱工具头3上加工有声子晶体周期槽后具有径向振动频率带隙，使本发明的工作频率位于圆柱工具头径向振动频率带隙内，则金属圆柱工具头3的径向振动得到抑制。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例3
在本实施例中，金属圆柱工具头3的端面上加工有均匀分布的圆形槽孔，该圆形槽孔为声子晶体周期槽，如图3，金属圆柱工具头3上加工有声子晶体周期槽后具有径向振动频率带隙，使本发明的工作频率位于圆柱工具头径向振动频率带隙内，则金属圆柱工具头3的径向振动得到抑制。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例4
在本实施例中，金属圆柱工具头3为空心圆柱体，如图4。其他零部件及零部件的连接关系与相应实施例相同。
实施例5
在以上实施例1～4中，指数型变幅杆2还可以替换为阶梯型变幅杆、圆锥形变幅杆、双曲线型变幅杆中的一种或两种串联。其他零部件及零部件的连接关系与相应实施例相同。
实施例6
在以上实施例1～5中，级联式压电陶瓷复合换能器1包括4组压电陶瓷晶堆，相邻压电陶瓷晶堆之间通过中心预应力金属螺栓连接有金属圆柱体。其他零部件及零部件的连接关系与相应实施例相同。

Claims (4)

1.基于声子晶体槽的超声波振动系统，其特征在于：级联式压电陶瓷复合换能器的输出端上设置有超声波变幅杆，超声波变幅杆的输出端上设置有具有声子晶体周期槽结构的金属圆柱工具头，所述的具有声子晶体周期槽结构的圆柱工具头为金属圆柱体的端面上加工有环形槽。
2.根据权利要求1所述的基于声子晶体槽的超声波振动系统，其特征在于：超声波变幅杆是由阶梯型变幅杆、圆锥形变幅杆、指数型变幅杆、双曲线型变幅杆中的 一种或2种串联构成。
3.根据权利要求1或2任一项所述的基于声子晶体槽的超声波振动系统，其特征在于：所述的具有声子晶体周期槽结构的金属圆柱工具头为金属圆柱体的侧壁上沿圆周方向设置有径向通槽。
4.根据权利要求3所述的基于声子晶体槽的超声波振动系统，其特征在于：所述的径向通槽的数量n≥1，径向通槽的数量n为2个以上，相邻径向通槽之间的夹角为360 /2n度，径向通槽的截面形状为长圆形。
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