CN111495723A - 一种大振幅超声振动切割装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大振幅超声振动切割装置，包括压电换能器、一级变幅杆、二级变幅杆、弹性变幅杆、刀头以及高频电源，压电换能器包括螺栓及从后至前依次套设在螺栓上且相互联接压紧的后盖板、压电陶瓷片、电极片和一级变幅杆，二级变幅杆固定在一级变幅杆的前端，弹性变幅杆固定在二级变幅杆的前端，刀头固定在弹性变幅杆的前端，电极片与高频电源连接，高频电源能通过电极片向压电陶瓷片提供超声电信号，使压电陶瓷片带动整个压电换能器产生轴向振动，一级变幅杆、二级变幅杆以及弹性变幅杆逐级放大压电换能器的振动幅度。本发明可以有效提高换能器输出功率和变幅比，在同等功率情况下，可以有效增大切割刀的振动幅值，提高电‑机转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及利用压电陶瓷逆压电效应的超声振动领域，尤其是涉及一种大振幅纵振切割装置。
背景技术
超声切割是利用超声压电换能器驱动切割刀具产生超声频率的振动，将碰撞和冲击能量传递到被切介质，致使被切介质材料疲劳破碎从而达到切割目的的一项新型工艺技术。超声切割可更有效、更精确地加工如碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、各种蜂窝复合材料和硬脆材料如光学玻璃、硅晶体、陶瓷等。另外，由于与生物组织接触的切割刀具以一定的超声频率振动时可使生物组织内水汽化、蛋白氢键断裂、细胞崩解、组织被切开、凝固和封闭小血管，所以超声切割技术又可运用到医疗外科手术工具上。目前，超声切割技术已广泛应用于医疗、航空航天、化工、农业、食品和机械等领域。
超声切割加工中，在其他条件不变的情况下，切割刀具的振幅越大，超声压电换能器的转换效率越高，增大切割刀具的振幅可以提高切割加工的速度，因此在超声切割加工中，刀具尖锐刃口的振幅是切割刀具性能的重要指标之一，为了提升超声振动在各个应用领域的性能，采取了各种方式对超声振动的振动幅值进行提高。
发明内容
本发明目的是为了克服现有压电换能器中振幅较低的不足，提供一种大振幅超声振动切割装置。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种大振幅超声振动切割装置，其中：包括压电换能器、一级变幅杆、二级变幅杆、弹性变幅杆、刀头以及高频电源，压电换能器包括螺栓及从后至前依次套设在螺栓上且相互联接压紧的后盖板、压电陶瓷片、电极片和一级变幅杆，二级变幅杆固定在一级变幅杆的前端，弹性变幅杆固定在二级变幅杆的前端，刀头固定在弹性变幅杆的前端，电极片与高频电源连接，高频电源能通过电极片向压电陶瓷片提供超声电信号，使压电陶瓷片带动整个压电换能器产生轴向振动，一级变幅杆、二级变幅杆以及弹性变幅杆逐级放大压电换能器的振动幅度。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的压电换能器外安装有防护外壳，一级变幅杆上设置有法兰盘，法兰盘与防护外壳固定连接，压电换能器通过法兰盘固定在防护外壳内，一级变幅杆的前端从防护外壳伸出，与二级变幅杆连接。
上述的刀头边沿具有尖锐刃口，且尖锐刃口边沿具有尖头朝向刀头尾端的三角形锯齿结构；在一级变幅杆、二级变幅杆、弹性变幅杆、刀头及刀头柄部的截面突变部位，均设置有圆弧过渡。
上述的弹性变幅杆为具有平面弹簧的“S”型结构，在该“S”型结构中，其断面直径为d，S形中回转轴线的间距为L，L∈(2d,∞）。
上述的弹性变幅杆沿切割装置轴向的弹性系数为K，大振幅纵振切割装置轴向振动频率为f，刀头质量为M，弹性变幅杆质量为m，则满足关系式：
。
上述的弹性变幅杆和二级变幅杆为一体式结构。
上述的二级变幅杆通过螺钉联结设置在一级变幅杆的前端。
上述的刀头的工作频率范围为18kHz-80kHz。
大振幅纵振切割装置只有一组纵向振动压电陶瓷片。
大振幅纵振切割装置只需一路超声电信号激励。
本发明采用了夹心式压电压电换能器和弹性变幅杆结构，可以有效提高换能器输出功率和变幅比，在同等功率情况下，可以有效增大切割刀的振动幅值，提高电-机转换效率，可将该大振幅纵弯超声振动切割装置用于碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、各种蜂窝复合材料、橡胶等材料的高效切割，且工作性能稳定，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视图；
图3为本发明的刀头结构示意图；
图4是本发明的刀头结构的俯视图；
图5为本发明弹性变幅杆的结构示意图；
图6是本发明的应用实例示意图；
图中标号说明：螺栓1、后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4、一级变幅杆5、法兰盘6、外壳61、高频电源62、二级变幅杆7、弹性变幅杆8、刀头9、三角形锯齿结构91。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1-6所示，本实施例的一种大振幅超声振动切割装置，包括压电换能器、一级变幅杆5、二级变幅杆7、弹性变幅杆8、刀头9以及高频电源62，压电换能器压电换能器整体呈圆柱体，包括螺栓1及从后至前依次套设在螺栓1上且相互联接压紧的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和一级变幅杆5，二级变幅杆7固定在一级变幅杆5的前端，弹性变幅杆8固定在二级变幅杆7的前端，刀头9固定在弹性变幅杆8的前端，电极片4通过导线与高频电源62连接，高频电源62能通过电极片4向压电陶瓷片3提供超声电信号，使压电陶瓷片3带动整个压电换能器产生轴向振动，一级变幅杆5、二级变幅杆7以及弹性变幅杆8逐级放大压电换能器的振动幅度。压电换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片3，压电陶瓷换能器段直径30mm，压电陶瓷片3为PZT-8，尺寸为：Ф30×Ф15×5，压电陶瓷片3的片数为2。
压电换能器的固有频率为29.86KHz，阻抗为63欧姆，动态电阻为19欧姆，高频电源62输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为29.86±0.01KHz，且高频电源62在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。
弹性变幅杆8为具有平面弹簧的“S”型结构，在该“S”型结构中，其断面直径d为6mm，L为4d=24mm，S形中回转轴线的间距为L，L∈(2d,∞）。弹性变幅杆8的固有频率系数为29.88kHz。
实施例中，压电换能器外安装有防护外壳61，一级变幅杆5上设置有法兰盘6，法兰盘6与防护外壳61固定连接，压电换能器通过法兰盘6固定在防护外壳61内，一级变幅杆5的前端从防护外壳61伸出，与二级变幅杆7连接。
实施例中，刀头9边沿具有尖锐刃口，且尖锐刃口边沿具有尖头朝向刀头9尾端的三角形锯齿结构91；在一级变幅杆5、二级变幅杆7、弹性变幅杆8、刀头9及刀头9柄部的截面突变部位，均设置有圆弧过渡。
实施例中，弹性变幅杆8沿切割装置轴向的弹性系数为K，大振幅纵振切割装置轴向振动频率为f，刀头9质量为M，弹性变幅杆8质量为m，则满足关系式：
。
实施例中，弹性变幅杆8和二级变幅杆7为一体式结构。
实施例中，二级变幅杆7通过螺钉联结设置在一级变幅杆5的前端。
实施例中，刀头9的工作频率范围为18kHz-80kHz。
运行时，压电换能器的电极片4接入高频电源62输出的电信号后，由于压电陶瓷片3的逆压电效应，压电陶瓷片3将会产生纵向超声振动，即压电换能器将高频电源62输出的电能转换为超声振动能量，并驱动整个换能器系统进行纵向超声振动，当超声振动能量从压电换能器传递到一级变幅杆5的末端后，压电陶瓷所产生的原始振幅在一级变幅杆5的末端得到放大，超声振动能量继续向前传递到二级变幅杆7的末端，振幅又一次得到放大，最后超声振动能量继续向前传递到弹性变幅杆8的末端，振幅再一次得到放大，弹性变幅杆8末端的纵向振动，传递到刀头9，并最终驱动刀头9进行纵向超声振动。
当对压电换能器加载电压，运行10分钟达到稳定振动状态后，高频电源62的输出电压为220V，电流为1.35A，使用激光多普勒测振仪测得弹性变幅杆8末端的振幅为163微米，刀头9末端的振幅为286微米，而一般常规的振动幅值8-20微米，该大振幅纵弯超声振动切割装置的振动幅值提高了6-30倍。握持该切割刀对2CM厚纸质蜂窝复合材料进行切割，当施加约1N的切割力时，切割速度可达到20mm/s，且复合材料切割边沿无毛边产生。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种大振幅超声振动切割装置，其特征是：包括压电换能器、一级变幅杆(5)、二级变幅杆(7)、弹性变幅杆(8)、刀头(9)以及高频电源(62)，所述的压电换能器包括螺栓(1)及从后至前依次套设在螺栓(1)上且相互联接压紧的后盖板(2)、压电陶瓷片(3)、电极片(4)和一级变幅杆(5)，所述的二级变幅杆(7)固定在一级变幅杆(5)的前端，弹性变幅杆(8)固定在二级变幅杆(7)的前端，刀头(9)固定在弹性变幅杆(8)的前端，所述的电极片(4)与高频电源(62)连接，所述的高频电源(62)能通过电极片(4)向压电陶瓷片(3)提供超声电信号，使压电陶瓷片(3)带动整个压电换能器产生轴向振动，一级变幅杆(5)、二级变幅杆(7)以及弹性变幅杆(8)逐级放大压电换能器的振动幅度。
2.根据权利要求1所述的一种大振幅超声振动切割装置，其特征是：所述的压电换能器外安装有防护外壳(61)，所述的一级变幅杆(5)上设置有法兰盘(6)，法兰盘(6)与防护外壳(61)固定连接，压电换能器通过法兰盘(6)固定在防护外壳(61)内，所述的一级变幅杆(5)的前端从防护外壳(61)伸出，与二级变幅杆(7)连接。
3.根据权利要求2所述的一种大振幅超声振动切割装置，其特征是：所述的刀头(9)边沿具有尖锐刃口，且尖锐刃口边沿具有尖头朝向刀头(9)尾端的三角形锯齿结构(91)；在一级变幅杆(5)、二级变幅杆(7)、弹性变幅杆(8)、刀头(9)及刀头(9)柄部的截面突变部位，均设置有圆弧过渡。
4.根据权利要求3所述的一种大振幅纵振切割装置，其特征在于：所述的弹性变幅杆(8)为具有平面弹簧的“S”型结构，在该“S”型结构中，其断面直径为d，S形中回转轴线的间距为L，L∈(2d,∞）。
5.根据权利要求4所述的一种大振幅纵振切割装置，其特征在于：所述的弹性变幅杆(8)沿切割装置轴向的弹性系数为K，大振幅纵振切割装置轴向振动频率为f，刀头(9)质量为M，弹性变幅杆(8)质量为m，则满足关系式：
。
6.根据权利要求5所述的一种大振幅纵振切割装置，其特征在于：所述的弹性变幅杆(8)和二级变幅杆(7)为一体式结构。
7.根据权利要求6所述的一种大振幅纵振切割装置，其特征在于：所述的二级变幅杆(7)通过螺钉联结设置在一级变幅杆(5)的前端。
8.根据权利要求7所述的一种大振幅纵振切割装置，其特征在于：刀头(9)的工作频率范围为18kHz-80kHz。
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