CN112170151B - 超磁致伸缩超声换能器、单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄和超声加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超磁致伸缩超声换能器、单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄和超声加工系统。超磁致伸缩超声换能器包括：导磁套筒、前导磁盖、后导磁盖、线圈骨架、超磁致伸缩棒、前导磁块和后导磁块；线圈骨架设置于导磁套筒内，线圈骨架上缠绕有可叠加直流电流的励磁线圈；前导磁盖、后导磁盖分别设置在导磁套筒的前、后端上与线圈骨架之间配合形成容纳腔；前导磁块、超磁致伸缩棒和后导磁块沿由前至后的方向顺次设置在容纳腔中与前导磁盖、后导磁盖和所述导磁套筒配合构成磁回路，超磁致伸缩棒上沿周向均匀设置有多个用于灌注绝缘胶的切缝，切缝沿所述超磁致伸缩棒的径向分布并贯穿超磁致伸缩棒的前、后端面。

Description

超磁致伸缩超声换能器、单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀 柄和超声加工系统

技术领域

本发明涉及超声精密特种加工技术领域，特别是涉及一种超磁致伸缩超声换能器、单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄和超声加工系统。

背景技术

光学玻璃、陶瓷、硬质合金等硬脆材料具有硬度高、耐摩擦、耐腐蚀、化学稳定性好等优异的机械、物理和化学性能，因此广泛应用在航空航天、医疗器械、建筑装修等领域，但是采用传统加工方法加工硬脆材料时，刀具容易磨损、崩刃，而且加工精度常常达不到使用要求。

为了解决上述技术问题，近年来相关技术人员做了大量的研究工作，研究表明超声椭圆振动切削可以有效避免刀具的崩刃现象，能抑制加工过程中毛刺的产生，并大幅降低切削力，提高加工精度和系统的稳定性，可以实现难加工材料的超精密加工。超声椭圆振动加工是利用超声加工系统将超声波椭圆振动附加于刀具上进行周期性断续切削的加工方法，其中，超声换能器作为超声加工系统的核心部件之一，主要用来将电功率转换成机械功率。

目前超声换能器用超声换能材料普遍包括压电陶瓷材料和超磁致伸缩材料两种，相比于压电陶瓷材料而言，超磁致伸缩材料的伸缩系数、能量密度、响应速度等都具有显著的优势，专利文件CN105397920B所公开的利用超磁致伸缩材料制成的旋转超声振动刀柄采用超磁致伸缩材料来作为超声换能材料。然而现有的利用超磁致伸缩材料制成的旋转超声振动刀柄存在如下问题：

第一方面，为了提高超磁致伸缩材料的极限工作频率，将多个切片状的超磁致伸缩材料粘结起来并磨成棒状，这不仅会导致超声换能器的结构复杂，而且加工过程复杂、浪费材料，同时超磁致伸缩材料由于具备硬而脆的特点而导致其在加工过程中存有破碎的风险。

第二方面，考虑到超磁致伸缩材料固有的倍频效应会导致激振频率偏离换能器的谐振频率进而降低输出振幅，在棒状的超磁致伸缩材料前、后侧上设置有下永磁体片、上永磁体片，这不仅会导致超声换能器的结构复杂，而且还会降低磁场均匀性。

发明内容

基于此，有必要针对现有的利用超磁致伸缩材料制成的旋转超声振动刀柄的结构复杂的问题，提供一种超磁致伸缩超声换能器、单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄和超声加工系统。

一种超磁致伸缩超声换能器，包括：导磁套筒、前导磁盖、后导磁盖、线圈骨架、超磁致伸缩棒、前导磁块和后导磁块；

所述线圈骨架设置于所述导磁套筒内，所述线圈骨架上缠绕有可叠加直流电流的励磁线圈；

所述前导磁盖、所述后导磁盖分别设置在所述导磁套筒的前、后端上与所述线圈骨架之间配合形成容纳腔；

所述前导磁块、所述超磁致伸缩棒和所述后导磁块沿由前至后的方向顺次设置在所述容纳腔中与所述前导磁盖、所述后导磁盖和所述导磁套筒配合构成磁回路，其中所述超磁致伸缩棒上沿周向均匀设置有多个用于灌注绝缘胶的切缝，所述切缝沿所述超磁致伸缩棒的径向分布并贯穿所述超磁致伸缩棒的前、后端面。

在其中一个实施例中，所述后导磁块与所述后导磁盖之间过盈配合；

所述前导磁块、所述超磁致伸缩棒和所述后导磁块的中心处均设置有冷却通道，且相邻的两个所述冷却通道相通。

在其中一个实施例中，所述线圈骨架与所述超磁致伸缩棒之间间隙配合，以及所述前导磁块与所述前导磁盖之间间隙配合。

一种单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄，包括：外壳、后盖板、用于安装刀具的变幅杆、用于将所述外壳与所述变幅杆相连的输出盖以及上述任一项所述的超磁致伸缩超声换能器；

所述超磁致伸缩超声换能器设置于所述外壳内；

所述后盖板与所述外壳连接并通过弹性件的配合向所述超磁致伸缩超声换能器的超磁致伸缩棒提供轴向预应力；

所述输出盖的后端与所述超磁致伸缩超声换能器的前导磁块抵接。

在其中一个实施例中，所述弹性件为碟簧。

在其中一个实施例中，所述变幅杆的后端上设置有安装槽，所述输出盖的前端固定于所述安装槽内；

其中，所述输出盖的前端上设置有锥形凸台，所述锥形凸台的外径沿由前至后的方向逐渐变大，所述安装槽的后端壁上设置有与所述锥形凸台相适配的锥形凹槽。

在其中一个实施例中，所述变幅杆包括：同轴相连的大径杆、小径杆，以及连接于所述大径杆与所述小径杆同一第一侧之间的斜杆；

所述大径杆与所述输出盖连接，所述小径杆用于安装所述刀具。

在其中一个实施例中，所述大径杆与所述小径杆同一第二侧之间的连接处设置有过渡圆弧。

在其中一个实施例中，所述超磁致伸缩超声换能器的中心处设置有冷却通道，且所述超磁致伸缩超声换能器的后导磁块与后导磁盖之间过盈配合；

所述后盖板上设置有与所述冷却通道相连通的冷却介质进口；

所述外壳的后端上设置有与所述冷却通道相连通的冷却介质出口。

一种超声加工系统，所述超声加工系统包括：超声波发生器、刀具和上述任一项所述的单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄；

所述超声波发生器与所述单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的励磁线圈电连接；

所述刀具安装在所述单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的变幅杆上。

上述超磁致伸缩超声换能器、单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄和超声加工系统，励磁线圈可在原本输入交流激励电流的基础之上叠加直流电流，直流电路能够激发出轴向偏置磁场，轴向偏置磁场可减弱超磁致伸缩棒倍频效应所带来的不良影响，进而可增大单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的输出振幅，无需在超磁致伸缩材料前、后侧上设置有下永磁体片、上永磁体片，简化了超磁致伸缩超声换能器的结构，也可避免下永磁体片、上永磁体片造成磁场均匀性差的影响。再加上，超磁致伸缩棒上沿周向均匀设置有多个用于灌注绝缘胶以抑制涡流效应的切缝，可通过调节切缝的数目来提高超磁致伸缩棒的极限工作频率，无需将多个切片状的超磁致伸缩材料粘结起来并磨成棒状，可以简化超磁致伸缩超声换能器的结构及加工过程，避免超磁致伸缩材料在打磨过程中出现破碎的风险，且超磁致伸缩棒上的切缝可以减弱涡流效应，减少超磁致伸缩棒的发热量，提高单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的稳定性及安全性。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的超磁致伸缩超声换能器的剖面结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的超磁致伸缩棒的俯视图；

图3为本发明一实施例提供的超磁致伸缩棒的截面图；

图4为本发明一实施例提供的单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的剖面图；

图5为本发明一实施例提供的超磁致伸缩超声换能器的磁场磁力线分布图；

图6为现有技术提供的超磁致伸缩超声换能器的磁场磁力线分布图；

图7为本发明一实施例提供的单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的局部剖面图。

其中，附图中的各个标号说明如下：

100、超磁致伸缩超声换能器；100a、冷却通道；110、导磁套筒；120、前导磁盖；130、后导磁盖；140、线圈骨架；150、超磁致伸缩棒；151、切缝；160、前导磁块；170、后导磁块；180、励磁线圈；200、外壳；200a、冷却介质出口；300、后盖板；300a、冷却介质进口；400、变幅杆；400a、安装槽；410、大径杆；411、第二法兰盘；420、小径杆；430、斜杆；440、过渡圆弧；500、输出盖；600、弹性件。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

一方面，本发明一实施例提供了一种超磁致伸缩超声换能器100，如图1所示，该超磁致伸缩超声换能器100包括：导磁套筒110、前导磁盖120、后导磁盖130、线圈骨架140、超磁致伸缩棒150、前导磁块160和后导磁块170；线圈骨架140设置于导磁套筒110内，线圈骨架140上缠绕有可叠加直流电流的励磁线圈180；前导磁盖120、后导磁盖130分别设置在导磁套筒110的前、后端上与线圈骨架140之间配合形成容纳腔；前导磁块160、超磁致伸缩棒150和后导磁块170沿由前至后的方向顺次设置在容纳腔中与前导磁盖120、后导磁盖130和导磁套筒110配合构成磁回路，其中如图2所示，超磁致伸缩棒150上沿周向均匀设置有多个用于灌注绝缘胶以抑制涡流效应的切缝151，切缝151沿超磁致伸缩棒150的径向分布并贯穿超磁致伸缩棒150的前、后端面。

需要说明的是，超磁致伸缩棒150上切缝151的数目决定超磁致伸缩棒150的极限工作效率，在操作时，可以根据超磁致伸缩棒150的预设工作效率反推切缝151的最少开设数目，可采用如下方式进行获取：以图3所示出的超磁致伸缩棒150为例，其中AB、CD为超磁致伸缩棒150上相邻的两个切缝151，圆O’为切缝AB、CD和圆弧BC、DA围成部分的内接圆，圆O为未切缝部分，可通过公式f＝1/(π×δ²×μ×μ₀×σ)以及公式δ＝max(R_圆O，R_圆O’)反推切缝数使得max(R_圆O，R_圆O’)≥δ，可保证超磁致伸缩棒150的极限工作频率不低于预设工作频率。其中上式中的f为预设工作频率，μ为恒应变时的相对磁导率，μ₀为真空磁导率，σ为电导率。

作为一种示例，如上所述的超磁致伸缩超声换能器100可应用到超声加工系统的单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄(参见图4)中。需要说明的是，本发明实施例所涉及的“前”、“后”均以图1、图4所示出的“前”、“后”为准。

需要说明的是，图1的黑色实线箭头代表前导磁块160、超磁致伸缩棒150和后导磁块170与前导磁盖120、后导磁盖130和导磁套筒110所配合构成的磁回路。

作为一种示例，励磁线圈180是由漆包铜线层层紧密缠绕在线圈骨架140上形成的，每缠绕一层线圈可涂覆一层导热硅脂。

作为一种示例，前导磁盖120、导磁套筒110、线圈骨架140、后导磁盖130可通过环氧树脂粘结成一体。

如上所述的超磁致伸缩超声换能器100，励磁线圈180可在原本输入交流激励电流的基础之上叠加直流电流，直流电路能够激发出轴向偏置磁场，轴向偏置磁场可减弱超磁致伸缩棒150倍频效应所带来的不良影响，进而可增大单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的输出振幅，无需在超磁致伸缩材料前、后侧上设置有下永磁体片、上永磁体片，简化了超磁致伸缩超声换能器100的结构，也可避免下永磁体片、上永磁体片造成磁场均匀性差的影响。再加上，超磁致伸缩棒150上沿周向均匀设置有多个用于灌注绝缘胶以抑制涡流效应的切缝151，可通过调节切缝151的数目来提高超磁致伸缩棒150的极限工作频率，无需将多个切片状的超磁致伸缩材料粘结起来并磨成棒状，可以简化超磁致伸缩超声换能器100的结构及加工过程，避免超磁致伸缩材料在打磨过程中出现破碎的风险，且超磁致伸缩棒150上的切缝151可以减弱涡流效应，减少超磁致伸缩棒150的发热量，提高单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的稳定性及安全性。综上，本发明实施例提供的超磁致伸缩超声换能器100，通过可叠加直流电流的励磁线圈180与其上设置有多个切缝151的超磁致伸缩棒150两者的配合，可简化超磁致伸缩超声换能器100的结构。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，后导磁块170与后导磁盖130之间过盈配合；前导磁块160、超磁致伸缩棒150和后导磁块170的中心处均设置有冷却通道100a，且相邻的两个冷却通道100a相通。实施时，可通过相关的设备(例如空气隔膜泵)将冷却液或冷却气体等冷却介质通入超磁致伸缩超声换能器100中，冷却介质依次经过后导磁块170、超磁致伸缩棒150及前导磁块160上的冷却通道100a将超磁致伸缩棒150和励磁线圈180产生的热量带出，进而缓解了超磁致伸缩超声换能器100工作过程中升温所带来的不利影响，保证刀柄长时间工作时刀尖输出轨迹的稳定性。冷却通道100a开设在前导磁块160、超磁致伸缩棒150及后导磁块170的中心处且后导磁块170和后导磁盖130之间过盈配合可以在通入冷却介质的情况下保证磁回路的密封性，可有效减少漏磁，降低对输出振幅的影响，相比于现有技术，通过将后导磁块170与后导磁盖130之间、棒状超磁致伸缩材料与线圈骨架140之间、以及前导磁块160与前导磁盖120之间均留有间隙以走冷却介质的技术手段相比，从图5所示的采用直流电流激发偏置磁场并设置中心冷却通道100a(即本发明实施例)时超磁致伸缩超声换能器的磁路磁力线分布仿真结果可看出磁力线基本束缚在磁路中，超磁致伸缩棒150内部磁力线分布均匀，而从图6所示出的采用永磁体提供偏置磁场并在导磁块与后导磁盖130之间、棒状超磁致伸缩材料与线圈骨架140之间、以及前导磁块160与前导磁盖120之间设置间隙(即现有技术)时磁致伸缩超声换能器的磁路磁力线分布仿真结果可以看出空气隙部分漏磁严重，超磁致伸缩材料中磁力线分布不均匀。

可选地，前导磁块160、超磁致伸缩棒150和后导磁块170均沿自身轴向开设冷却通道100a，这三者的冷却通道100a同轴分布且宽度相同。当然了，在其他的一些实施例中，冷却通道100a也可以为折线型、弧线型等结构。

可选地，前导磁块160、超磁致伸缩棒150和后导磁块170上的冷却通道100a内壁上可以涂有覆环氧树脂或热熔胶等密封材质，以防止液态的冷却介质渗漏，进而防止液态的冷却介质腐蚀损伤冷却通道100a的内壁。

在本发明的一些实施例中，线圈骨架140与超磁致伸缩棒150之间间隙配合。如此，可保证超磁致伸缩棒150在工作过程中产生的纵向振动不会因受到线圈骨架140内壁的过度摩擦而衰减。

同样地，在本发明的一些实施例中，前导磁块160与前导磁盖120之间间隙配合。如此，可保证超磁致伸缩棒150振动的向前传输。

一方面，本发明一实施例提供了一种单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄，如图4所示，该单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄包括：外壳200、后盖板300、用于安装刀具的变幅杆400、用于将外壳200与变幅杆400相连的输出盖500以及上述任一项所述的超磁致伸缩超声换能器100；超磁致伸缩超声换能器100设置于外壳200内；后盖板300与外壳200连接并通过弹性件600的配合向超磁致伸缩超声换能器100的超磁致伸缩棒150提供轴向预应力；输出盖500的后端与超磁致伸缩超声换能器100的前导磁块160抵接。

需要说明的是，超磁致伸缩超声换能器100的后导磁盖130上具有与超磁致伸缩超声换能器100的容纳腔相连通的暴露孔，以使后盖板300的前端通过弹性件600与后导磁块170抵接，进而可通过弹性件600的配合向超磁致伸缩棒150提供轴向预应力。同样地，前导磁盖120上也具有与超磁致伸缩超声换能器100的容纳腔相连通的暴露孔，以使输出盖500的后端与前导磁块160抵接。

作为一种示例，外壳200为圆柱、长方体等结构。其中，外壳200的中心处设置有通孔，通孔的后端直径大于前端直径，以使通孔内壁上形成有台阶面，前导磁盖120可置于该台阶面上，以实现超磁致伸缩超声换能器100的轴向固定。另外，外壳200与超磁致伸缩超声换能器100之间间隙配合，使得超磁致伸缩超声换能器100可通过环氧树脂与外壳200的内壁粘接。

作为一种示例，后盖板300的后端、中部及前端的直径依次减小。后盖板300的前端伸入至后导磁盖130的暴露孔中通过弹性件600与后导磁块170抵接，后盖板300的后端可采用紧固件(例如螺栓)与外壳200连接，实施时可通过调节紧固件在外壳200上的紧固程度来调节向超磁致伸缩棒150提供轴向预应力。其中，轴向预应力的大小可以根据向励磁线圈180输入的激励电压的大小进行调整，以保证超磁致伸缩棒150在振动过程中始终处于压应力状态且工作在线性区间，同时可以增大其输出端振幅。需要说明的是，此处的线性区间是指超磁致伸缩棒150的磁滞回线(即B-H曲线)的线性区间，施加轴向预应力可以使超声换能器的超磁致伸缩棒150处在B-H曲线中的线性区域，使得磁致伸缩性能较好。

如上所述的激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄，超磁致伸缩超声换能器100的励磁线圈180可在原本输入交流激励电流的基础之上叠加直流电流，直流电路能够激发出轴向偏置磁场，而轴向偏置磁场可减弱超磁致伸缩棒150倍频效应所带来的不良影响，进而可增大单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的输出振幅，无需在超磁致伸缩材料前、后侧上设置有下永磁体片、上永磁体片，简化了超磁致伸缩超声换能器100的结构，也可避免下永磁体片、上永磁体片造成磁场均匀性差的影响。再加上，超磁致伸缩棒150上沿周向均匀设置有多个用于灌注绝缘胶以抑制涡流效应的切缝151，可通过调节切缝151的数目来提高超磁致伸缩棒150的极限工作频率，无需将多个切片状的超磁致伸缩材料粘结起来并磨成棒状，可以简化超磁致伸缩超声换能器100的结构及加工过程，避免超磁致伸缩材料在打磨过程中出现破碎的风险，且超磁致伸缩棒150上的切缝151可以减弱涡流效应，减少超磁致伸缩棒150的发热量，提高单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的稳定性及安全性。综上，本发明实施例提供的超磁致伸缩超声换能器100，通过可叠加直流电流的励磁线圈180与其上设置有多个切缝151的超磁致伸缩棒150两者的配合，可简化超磁致伸缩超声换能器100的结构。

在本发明的一些实施例中，弹性件600可以为螺旋弹簧、板簧或碟簧。相比于螺旋弹簧、板簧等弹性件600而言，碟簧可以在很小的轴向变形条件下承受很大的轴向载荷，同时多个碟簧可以串联使用，获得不同的承载能力，鉴于此碟簧可以优先考虑使用。

可选地，后导磁块170的后端面上设置有容纳槽，弹性件600可置于容纳槽内，避免单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄在工作过程中，弹性件600出现脱落的情况。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，变幅杆400的后端上设置有安装槽400a，输出盖500的前端固定于安装槽400a内；其中，输出盖500的前端上设置有锥形凸台，锥形凸台的外径沿由前至后的方向逐渐变大，安装槽400a的后端壁上设置有与锥形凸台相适配的锥形凹槽。通过锥形凸台与锥形凹槽的配合，可以提高变幅杆400与超磁致伸缩超声换能器100的同轴精度，避免变幅杆400与输出盖500之间连接处的周向摩擦力不平衡，进而可提高刀具的刀尖输出轨迹的准确度。

可选地，输出盖500的后端成型有第一法兰盘，通过第一法兰盘与外壳200螺栓连接，输出盖500的前端以螺纹连接的方式安装于变幅杆400上的安装槽400a中。实施时，可在输出盖500与变幅杆400之间的螺纹连接处涂装粘合剂进行螺纹防松。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，变幅杆400包括：同轴相连的大径杆410、小径杆420，以及连接于大径杆410与小径杆420同一第一侧之间的斜杆430；大径杆410与输出盖500连接，小径杆420用于安装刀具。超磁致伸缩棒150产生的纵向振动通过输出盖500传递到变幅杆400时，斜杆430的存在可将一部分纵向振动分解为弯曲振动，弯曲振动与纵向振动在大径杆410与斜杆430的结合面处汇合形成复合振动，最终在变幅杆400前端(即小径杆420中的自由端)形成椭圆振动。可见，该种结构的变幅杆400可以实现振动的模态转换，可使刀尖输出椭圆轨迹；另外，刀尖的椭圆轨迹输出是两个方向振动叠加的效果，若要采用两组换能器分别控制两个方向的振动，需要设置合理的运动合成机构，设计制造困难，同时两个方向振动的串扰现象难以避免，对此本发明实施例提供的变幅杆400可以简化单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的结构，且易于加工。

可选地，大径杆410和小径杆420的中轴线与超磁致伸缩棒150的中轴线重合。

可选地，安装槽400a设置在大径杆410上。大径杆410上设置有第二法兰盘411(参见图4)，大径杆410通过该第二法兰盘411与机床刀架螺栓连接。

可选地，大径杆410、小径杆420和斜杆430两两之间一体化成型。大径杆410、小径杆420和斜杆430均可为圆柱状等结构。

具体到本发明的一些实施例中，斜杆430的中轴线与大径杆410的中轴线之间的夹角呈37°。

进一步地，如图4所示，在本发明的一些实施例中，大径杆410与小径杆420同一第二侧之间的连接处设置有过渡圆弧440。如此，过渡圆弧440可以减少阶梯形变幅杆400在突变截面处的应力集中，防止变幅杆400细端接近突变处因疲劳而断。需要说明的是，大径杆410、小径杆420除了第一侧之外的侧部均称为第二侧。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，超磁致伸缩超声换能器100的中心处设置有冷却通道100a，且超磁致伸缩超声换能器100的后导磁块170与后导磁盖130之间过盈配合；后盖板300上设置有与冷却通道100a相连通的冷却介质进口300a；外壳200的后端上设置有与冷却通道100a相连通的冷却介质出口200a。需要说明的是，冷却通道100a开设在前导磁块160、超磁致伸缩棒150及后导磁块170的中心处。冷却通道100a开设在前导磁块160、超磁致伸缩棒150及后导磁块170的中心处且后导磁块170和后导磁盖130之间过盈配合可以保证磁回路的密封性，可有效减少漏磁。其中，图7中的箭头代表冷却介质在单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄中的流动方向。

可选地，冷却介质进口300a与冷却通道100a同轴分布，冷却介质出口200a的中轴线与冷却通道100a的中轴线相垂直。

综上，与现有技术相比，本发明一实施例提供的激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄具备如下有益效果：

1、相比于常用的压电陶瓷材料，本发明实施例采用伸缩系数更高、输出功率更大、能量密度更高的超磁致伸缩材料作为换能材料(即超磁致伸缩棒)，实现电-磁-机能量转换，使激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄输出更大功率和振幅；

2、采用在励磁线圈180中叠加直流电流提供偏置磁场的方式，简化了超磁致伸缩超声换能器100的结构，提高了超磁致伸缩超声换能器100内部磁场强度和均匀性；

3、在超磁致伸缩超声换能器100的中心专门设计冷却通道100a，使得超磁致伸缩超声换能器100的冷却效果好，缓解了超磁致伸缩超声换能器100工作过程中温升带来的不利影响；

4、将后导磁盖130与后导磁块170之间的配合方式设置成过盈配合，使得超磁致伸缩超声换能器100的磁路密封性好，可有效缓解漏磁导致的不利影响。

5、在输出盖500上设置锥形凸台以及在变幅杆400上设置与锥形凸台相适配的锥形凹槽，并配合螺纹连接，可以提高超磁致伸缩超声换能器100和变幅杆400装配中的同轴精度，提高刀尖输出轨迹的准确性；

6、将超磁致伸缩柱径向切缝151，相比于切片形式，其制备过程更为简单，更节省材料。

7、采用直杆和斜杆430复合的不对称变幅杆400，实现振动的模态转换，且结构简单，易于加工。

另一方面，本发明另一实施例还提供了一种超声加工系统，该超声加工系统包括：超声波发生器、刀具和上述任一项所述的单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄；超声波发生器与单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的励磁线圈180电连接；刀具安装在单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的变幅杆400上。

如上所述的超声加工系统，超磁致伸缩超声换能器100的励磁线圈180可在原本输入交流激励电流的基础之上叠加直流电流，直流电路能够激发出轴向偏置磁场，而轴向偏置磁场可减弱超磁致伸缩棒150倍频效应所带来的不良影响，进而可增大单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的输出振幅，无需在超磁致伸缩材料前、后侧上设置有下永磁体片、上永磁体片，简化了超磁致伸缩超声换能器100的结构，也可避免下永磁体片、上永磁体片造成磁场均匀性差的影响。再加上，超磁致伸缩棒150上沿周向均匀设置有多个用于灌注绝缘胶以抑制涡流效应的切缝151，可通过调节切缝151的数目来提高超磁致伸缩棒150的极限工作频率，无需将多个切片状的超磁致伸缩材料粘结起来并磨成棒状，可以简化超磁致伸缩超声换能器100的结构及加工过程，避免超磁致伸缩材料在打磨过程中出现破碎的风险，且超磁致伸缩棒150上的切缝151可以减弱涡流效应，减少超磁致伸缩棒150的发热量，提高单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的稳定性及安全性。综上，本发明实施例提供的超磁致伸缩超声换能器100，通过可叠加直流电流的励磁线圈180与其上设置有多个切缝151的超磁致伸缩棒150两者的配合，可简化超磁致伸缩超声换能器100的结构。

可选地，超磁致伸缩超声换能器100的线圈骨架140的后端设置有第一穿线孔、后导磁盖130上设置有第二穿线孔以及外壳200上设置有第三穿线孔，励磁线圈180上的导线依次穿过第一穿线孔、第二穿线孔、后盖板300的前端与外壳200之间的间隙以及第三穿线孔与超声波发生器电连接。

可选地，超声波发生器可向励磁线圈180上施加直流电流。当然了，超声波发生器不能满足要求时可以从超磁致伸缩棒150引出两路导线，这两路导线分别与可施加交流激励信号的超声波发生器和可施加直流偏置信号的发生器电连接。

下面就如上所述的超声加工系统的工作过程进行描述：

1、采用超声波发生器扫频和阻抗分析仪检测相结合的方式确定超磁致伸缩超声振动刀柄的机械谐振频率后，用超声发生器输出相应频率的交流电，并根据工作区间所需偏置磁场大小叠加直流电，提供偏置磁场；

2、超声波发生器输出的电能在磁回路中形成轴向交变磁场，交变磁场驱动超磁致伸缩棒150纵向振动；

3、超磁致伸缩棒150产生的纵向振动经过输出盖500传递到变幅杆400上，分解成为纵向振动和弯曲振动，这两种振动在直杆和斜杆430的接合面处汇合，使得变幅杆400前端(即小径杆420)产生椭圆轨迹，实现椭圆超声加工；

4、空气隔膜泵将冷却水经过冷却介质进口300a送入超磁致伸缩超声换能器100的冷却通道100a中，对超磁致伸缩超声换能器100冷却降温，使超磁致伸缩棒150在工作过程中始终处于稳定温度以下，保证系统工作稳定性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种超磁致伸缩超声换能器，其特征在于，包括：导磁套筒、前导磁盖、后导磁盖、线圈骨架、超磁致伸缩棒、前导磁块和后导磁块；

所述线圈骨架设置于所述导磁套筒内，所述线圈骨架上缠绕有可叠加直流电流的励磁线圈；

所述前导磁盖、所述后导磁盖分别设置在所述导磁套筒的前、后端上与所述线圈骨架之间配合形成容纳腔；

所述前导磁块、所述超磁致伸缩棒和所述后导磁块沿由前至后的方向顺次设置在所述容纳腔中与所述前导磁盖、所述后导磁盖和所述导磁套筒配合构成磁回路，其中所述超磁致伸缩棒上沿周向均匀设置有多个用于灌注绝缘胶的切缝，所述切缝沿所述超磁致伸缩棒的径向分布并贯穿所述超磁致伸缩棒的前、后端面，所述切缝的数目可根据所述超磁致伸缩棒的预设工作频率调整；

所述后导磁块与所述后导磁盖之间过盈配合，所述前导磁块、所述超磁致伸缩棒和所述后导磁块的中心处均设置有冷却通道，且相邻的两个所述冷却通道相通。

2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩超声换能器，其特征在于，所述线圈骨架与所述超磁致伸缩棒之间间隙配合，以及所述前导磁块与所述前导磁盖之间间隙配合。

3.一种单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄，其特征在于，包括：外壳、后盖板、用于安装刀具的变幅杆、用于将所述外壳与所述变幅杆相连的输出盖以及权利要求1或2所述的超磁致伸缩超声换能器；

所述超磁致伸缩超声换能器设置于所述外壳内；

所述后盖板与所述外壳连接并通过弹性件的配合向所述超磁致伸缩超声换能器的超磁致伸缩棒提供轴向预应力；

所述输出盖的后端与所述超磁致伸缩超声换能器的前导磁块抵接。

4.根据权利要求3所述的单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄，其特征在于，所述弹性件为碟簧。

5.根据权利要求3所述的单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄，其特征在于，所述变幅杆的后端上设置有安装槽，所述输出盖的前端固定于所述安装槽内；

其中，所述输出盖的前端上设置有锥形凸台，所述锥形凸台的外径沿由前至后的方向逐渐变大，所述安装槽的后端壁上设置有与所述锥形凸台相适配的锥形凹槽。

6.根据权利要求3所述的单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄，其特征在于，所述变幅杆包括：同轴相连的大径杆、小径杆，以及连接于所述大径杆与所述小径杆同一第一侧之间的斜杆；

所述大径杆与所述输出盖连接，所述小径杆用于安装所述刀具。

7.根据权利要求6所述的单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄，其特征在于，所述大径杆与所述小径杆同一第二侧之间的连接处设置有过渡圆弧。

8.根据权利要求3所述的单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄，其特征在于，所述超磁致伸缩超声换能器的中心处设置有冷却通道，且所述超磁致伸缩超声换能器的后导磁块与后导磁盖之间过盈配合；

所述后盖板上设置有与所述冷却通道相连通的冷却介质进口；

所述外壳的后端上设置有与所述冷却通道相连通的冷却介质出口。

9.一种超声加工系统，其特征在于，所述超声加工系统包括：超声波发生器、刀具和权利要求3-8任一项所述的单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄；

所述超声波发生器与所述单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的励磁线圈电连接；

所述刀具安装在所述单激励超磁致伸缩超声椭圆振动刀柄的变幅杆上。

Images