CN113976416A

CN113976416A - 一种用于金属拉拔的超声波振子及拉拔机构

Info

Publication number: CN113976416A
Application number: CN202111607657.0A
Authority: CN
Inventors: 罗灵杰; 张雷; 李群; 龙伟民; 赵波
Original assignee: Henan University of Technology; China Innovation Academy of Intelligent Equipment Co Ltd CIAIE
Current assignee: Henan University of Technology; China Innovation Academy of Intelligent Equipment Co Ltd CIAIE
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2022-01-28

Abstract

本发明提出了一种用于金属拉拔的超声波振子及拉拔机构，涉及金属拉拔技术领域。超声波振子包括：换能器和变幅杆；所述变幅杆内设有贯穿的通孔，所述变幅杆包括自左向右依次连接的底座、第一杆体、第一连接体以及第二杆体；所述底座和所述第一连接体之间设置所述换能器；所述换能器包括至少两个压电堆，所述压电堆振动方向与所述通孔延伸方向平行。在拉拔工序中增加了超声波振子的振动，使待拉拔材料在通过拉拔模时，改变摩擦特性并使材料发生软化，可以显著降低拉拔力，减少拉拔模磨损并且提高拉拔效率和成品率。并且超声波振子具有多种工作状态，分别适用于不同的拉拔工序。

Description

一种用于金属拉拔的超声波振子及拉拔机构

技术领域

本发明涉及金属拉拔领域，更具体地，涉及一种用于金属拉拔的超声波振子及拉拔机构。

背景技术

拉拔制品主要包括丝材与管材，在各行各业都有大量的应用，如各种金属管制品和金属丝、焊丝等制品。拉拔制品主要通过拉拔机进行生产，将需要拉拔的材料放置于拉拔模具内，用拉拔钳对需要拉拔的材料通过外力进行拉拔直至形成所需的拉拔制品。常规金属的拉拔加工，需要多道拉拔工序才能完成。在多道拉拔工序中，由于变形剧烈、变形力和摩擦力大，金属材料容易出现断裂和表面缺陷。如何在保证生产效率的同时，有效解决拉拔制品表面缺陷问题，并且改善拉拔制品表面质量，成为目前技术的难点。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种在保证生产效率的同时改善拉拔制品表面质量的用于金属拉拔的超声波振子。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种用于金属拉拔的超声波振子，包括：换能器和变幅杆；所述变幅杆内设有贯穿的通孔，所述变幅杆包括自左向右依次连接的底座、第一杆体、第一连接体以及第二杆体；所述底座和所述第一连接体之间设置所述换能器；所述换能器包括至少两个压电堆，所述压电堆振动方向与所述通孔延伸方向平行。

作为本发明的进一步改进，所述压电堆包括第一压电堆和第二压电堆，所述第一压电堆和所述第二压电堆分别设置在所述第一杆体的两侧对称位置。

作为本发明的进一步改进，所述超声波振子包括直线振动状态和扭转振动状态；所述第一压电堆和第二压电堆的驱动相位差为0°时，所述超声波振子为直线振动状态；所述第一压电堆和第二压电堆的驱动相位差为180°时，所述超声波振子为扭转振动状态。

作为本发明的进一步改进，所述压电堆包括第一压电堆、第二压电堆、第三压电堆和第四压电堆，所述第一压电堆、第二压电堆、第三压电堆和第四压电堆环绕所述第一杆体依次间隔90°设置。

作为本发明的进一步改进，所述超声波振子包括直线振动状态和扭转振动状态；所述第一压电堆、第二压电堆、第三压电堆和第四压电堆的驱动相位差为0°时，所述超声波振子为直线振动状态；所述第一压电堆、第二压电堆、第三压电堆和第四压电堆相邻两者间的驱动相位相差为90°时，所述超声波振子为扭转振动状态。

作为本发明的进一步改进，所述压电堆通过紧固螺栓被固定在所述底座和所述第一连接体之间。

作为本发明的进一步改进，所述变幅杆还包括压盖，所述压盖内设所述通孔，所述第二杆体远离所述第一连接体的一端设置有安装槽，所述安装槽内容纳拉拔模，所述压盖与所述安装槽固定连接。

作为本发明的进一步改进，所述拉拔模内部设置拉拔孔，所述拉拔孔外径自靠近压电堆一端向靠近压盖一端逐渐缩小。

本发明还提供一种用于金属拉拔的拉拔机构，包括：如上述的超声波振子、固定座和芯棒；所述芯棒一端固定在所述固定座上，另一端插接在所述通孔内。

作为本发明的进一步改进，所述固定座上设置有超声波振子。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

1、本发明提供了一种用于金属拉拔的超声波振子，不同于传统结构中环形换能器与变幅杆的设置，本发明对超声波振子的结构进行了创造性的改进，使其能够用于金属拉拔，在底座和第一连接体之间设置换能器，换能器包括至少两个压电堆。在拉拔工序中增加了超声波振子的振动，使待拉拔材料在通过拉拔模时，改变摩擦特性并使材料发生软化，可以显著降低拉拔力，减少拉拔模磨损并且提高拉拔效率和成品率。

2、本发明的超声波振子具有两种工作状态：直线振动状态和扭转振动状态，分别适用于不同的拉拔工序，直线振动状态中待拉拔材料受到的摩擦力矢量方向改变，起到减摩效果，适用于粗加工的前道拉拔工序，可以将金属材料外径拉至适宜范围内；扭转振动状态中待拉拔材料不仅起到减摩效果，还受到法向超声振动的效果，对材料表面形成冲击作用，使表面发生塑性变形，细化晶粒，并引入残余压应力，提高丝材或管材表面质量的同时，还能提高材料的抗疲劳性能，适用于精加工的后道拉拔工序，可以对粗加工后的金属材料进行精整和矫直。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明实施例一中一种超声波振子的分解结构示意图。

图2是本发明实施例一中一种超声波振子装配后的结构示意图。

图3是图2中A-A的剖视图。

图4是本发明实施例二中一种超声波振子的分解结构示意图。

图5是本发明实施例二中一种超声波振子装配后的结构示意图。

图6是图5中B-B的剖视图。

图7是本发明实施例三中一种拉拔机构的结构示意图。

图8是图7中C-C的剖视图。

图9是本发明实施例四中一种拉拔机构的结构示意图。

图10是图9中D-D的剖视图。

图中，110-第一压电堆；111-第一紧固螺栓；120-第二压电堆；121-第二紧固螺栓；130-第三压电堆；131-第三紧固螺栓；140-第四压电堆；141-第四紧固螺栓； 210-底座；220-第一杆体；230-第一连接体；240-第二杆体；250-通孔；260-压盖；270-安装槽；300-拉拔模；310-拉拔孔；400-固定座；500-芯棒。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

下面结合图1至图10对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

实施例一：

一种超声波振子，如图1至图3所示，包括：换能器和变幅杆。

变幅杆内设有贯穿的通孔250，变幅杆包括自左向右依次连接的底座210、第一杆体220、第一连接体230以及第二杆体240；底座210和第一连接体230之间设置换能器；换能器包括至少两个压电堆，压电堆振动方向与所述通孔250延伸方向平行。优选的，所述变幅杆的底座210、第一杆体220、第一连接体230以及第二杆体240为一体式结构。

上述超声波振子可以设置在拉拔机上，作为拉拔机的一个部件。优选的，拉拔模300可以固定在上述超声波振子中。待拉拔材料通过通孔250贯穿变幅杆，当超声波振子开始振动时，带动待拉拔材料同步轴向振动。在传统的拉拔过程中，待拉拔材料与拉拔模300之间产生摩擦，并且随着拉拔的进行，摩擦力不断增大，既影响了拉拔的效率、造成拉拔模300的磨损也导致拉拔材料表面出现缺陷，因为过大的摩擦力而导致的材料表面部分疏松、断裂等问题。超声波振子带动拉拔模的振动则显著降低拉拔力，通过振动增加储能，使变形区变形抗力降低，使材料形成一定的软化效果，拉拔模300与待拉拔材料随着超声波振子的振动形成周期性脱开与接触，显著降低摩擦力。

进一步的，压电堆的数量可以为多个，在本实施例中压电堆数量为两个，分别为第一压电堆110和第二压电堆120，第一压电堆110和第二压电堆120分别设置在第一杆体220的两侧对称位置。增加多个压电堆可以增大超声波的振幅，提高超声振动的效果。此外，当对两个压电堆的驱动相位差进行调整时，可以形成不同的工作状态，适用于不同的情况。

具体的，超声波振子包括直线振动状态和扭转振动状态；第一压电堆110和第二压电堆120的驱动相位差为0°时，所述超声波振子为直线振动状态；第一压电堆110和第二压电堆120的驱动相位差为180°时，超声波振子为扭转振动状态。

直线振动状态中，第一压电堆110和第二压电堆120沿待拉拔材料的轴向同步振动，形成叠加增强振动效果，使待拉拔材料的摩擦力矢量方向改变，起到减摩效果，适用于粗加工的前道拉拔工序，可以将金属材料外径拉至适宜范围内。扭转振动状态中，第一压电堆110和第二压电堆120的驱动相位差为180°，当第一压电堆110向前振动时，第二压电堆120向后振动，因此不仅对待拉拔材料起到减摩效果，还产生表面强化效果，对材料表面形成冲击以及挤压作用，使表面发生塑性变形，细化晶粒，并引入残余压应力，提高丝材及管材表面质量的同时，还能提高材料的抗疲劳性能，适用于精加工的后道拉拔工序，可以对粗加工后的金属材料进行精整和矫直。本发明的超声波振子可以根据不同拉拔工序的不同需求，选择合适的工作状态，提高拉拔效率，改进拉拔质量。

进一步的，压电堆通过紧固螺栓被固定在底座210和第一连接体230之间。在本实施例中，所述紧固螺栓包括第一紧固螺栓111和第二紧固螺栓121，所述第一压电堆110通过第一紧固螺栓111固定，所述第二压电堆120通过第二紧固螺栓121固定。

进一步的，变幅杆还包括压盖260，所述压盖260内设通孔250，第二杆体240远离第一连接体230的一端设置有安装槽270，安装槽270内容纳拉拔模300，压盖260与安装槽270固定连接，拉拔模300被固定在安装槽270内。拉拔模300内部设置拉拔孔310，拉拔孔310直径自靠近压电堆一端向靠近压盖260一端逐渐缩小。优选的，通孔250直径与拉拔孔310靠近压电堆一端的直径相同。拉拔模300固定在安装槽270内，当待拉拔材料通过通孔250时，同样通过拉拔孔310。拉拔过程中，拉拔钳在压盖260一端拉动待拉拔材料向右移动，待拉拔材料经过拉拔孔310，在拉拔模300的挤压下，待拉拔材料直径缩小。整个拉拔过程中，超声波振子带动拉拔模300同频振动，根据拉拔工序的不同，可以选择直线振动状态和扭转振动状态。

实施例二：

本实施例与实施例一相同内容不再赘述，其区别点在于：如图4至图6所示，在本实施例中，压电堆数量为四个，分别为第一压电堆110、第二压电堆120、第三压电堆130和第四压电堆140，所述第一压电堆110、第二压电堆120、第三压电堆130和第四压电堆140环绕所述第一杆体220依次间隔90°设置。压电堆数量的增加使超声波振子的振动起到叠加强化效果。需要知道的是，压电堆数量也可以设置为三个或者五个或者更多，其工作原理与本发明相同，本发明保护的范围包含但不限于本实施例所列举情形。

进一步的，超声波振子包括直线振动状态和扭转振动状态；所述第一压电堆110、第二压电堆120、第三压电堆130和第四压电堆140的驱动相位差为0°时，所述超声波振子为直线振动状态；所述第一压电堆110、第二压电堆120、第三压电堆130和第四压电堆140相邻两者间的驱动相位差为90°时，所述超声波振子为扭转振动状态。直线振动状态，四个压电堆沿待拉拔材料的轴向同步振动，形成叠加增强振动效果，具有较好的减摩效果，适用于粗加工的前道拉拔工序，可以将金属材料外径拉至适宜范围内。扭转振动状态中，四个相邻压电堆驱动相位差为90°，形成扭转振动，并且其扭转强度比两个压电堆时的扭转强度更强，两个压电堆时，扭转效果仅体现在二维状态下，三个或四个压电堆时，扭转效果呈三维状态，因此表面强化效果更全面。因此不仅对待拉拔材料起到减摩效果，还产生表面强化效果，对材料表面形成冲击以及挤压作用，使表面发生塑性变形，细化晶粒，并引入残余压应力，提高丝材及管材表面质量的同时，还能提高材料的抗疲劳性能，适用于精加工的后道拉拔工序，可以对粗加工后的金属材料进行精整和矫直。

在本实施例中，第一压电堆110、第二压电堆120、第三压电堆130和第四压电堆140分别通过第一紧固螺栓111、第二紧固螺栓121、第三紧固螺栓131和第四紧固螺栓141被固定在底座210和第一连接体230之间。

实施例三：

一种拉拔机构，如图7和图8所示，包含如实施例一所述的超声波振子、固定座400和芯棒500；芯棒500一端固定在固定座400上，另一端插接在通孔250内。本实施例中的拉拔机构用于拉拔管材，待拉拔管材插入通孔250内，芯棒500置于待拉拔管材芯部，拉拔钳在压盖260一端拉动待拉拔管材向右移动，待拉拔管材经过拉拔孔310，在拉拔模300的挤压下，待拉拔管材外径缩小。整个拉拔过程中，超声波振子带动拉拔模300同频振动，根据拉拔工序的不同，可以选择直线振动状态和扭转振动状态。

进一步的，固定座400上设置有超声波振子。此处的超声波振子带动固定座400和芯棒500振动，芯棒500振动与拉拔模300的振动分别从待拉拔管材的内表面和外表面进行振动处理，形成减摩和表面强化效果。

实施例四：

一种拉拔机构，如图9和图10所示，包含如实施例二所述的超声波振子、固定座400和芯棒500；芯棒500一端固定在固定座400上，另一端插接在通孔250内。本实施例中的拉拔机构用于拉拔管材，待拉拔管材插入通孔250内，芯棒500置于待拉拔管材芯部，拉拔钳在压盖260一端拉动待拉拔管材向右移动，待拉拔管材经过拉拔孔310，在拉拔模300的挤压下，待拉拔管材外径缩小。整个拉拔过程中，超声波振子带动拉拔模300同频振动，根据拉拔工序的不同，可以选择直线振动状态和扭转振动状态。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims

1.一种用于金属拉拔的超声波振子，其特征在于，包括：换能器和变幅杆；所述变幅杆内设有贯穿的通孔，所述变幅杆包括自左向右依次连接的底座、第一杆体、第一连接体以及第二杆体；所述底座和所述第一连接体之间设置所述换能器；所述换能器包括至少两个压电堆，所述压电堆振动方向与所述通孔延伸方向平行。

2.根据权利要求1所述的用于金属拉拔的超声波振子，其特征在于，所述压电堆包括第一压电堆和第二压电堆，所述第一压电堆和所述第二压电堆分别设置在所述第一杆体的两侧对称位置。

3.根据权利要求2所述的用于金属拉拔的超声波振子，其特征在于，所述超声波振子包括直线振动状态和扭转振动状态；所述第一压电堆和第二压电堆的驱动相位差为0°时，所述超声波振子为直线振动状态；所述第一压电堆和第二压电堆的驱动相位差为180°时，所述超声波振子为扭转振动状态。

4.根据权利要求1所述的用于金属拉拔的超声波振子，其特征在于，所述压电堆包括第一压电堆、第二压电堆、第三压电堆和第四压电堆，所述第一压电堆、第二压电堆、第三压电堆和第四压电堆环绕所述第一杆体依次间隔90°设置。

5.根据权利要求4所述的用于金属拉拔的超声波振子，其特征在于，所述超声波振子包括直线振动状态和扭转振动状态；所述第一压电堆、第二压电堆、第三压电堆和第四压电堆的驱动相位差为0°时，所述超声波振子为直线振动状态；所述第一压电堆、第二压电堆、第三压电堆和第四压电堆相邻两者间的驱动相位相差90°时，所述超声波振子为扭转振动状态。

6.根据权利要求1所述的用于金属拉拔的超声波振子，其特征在于，所述压电堆通过紧固螺栓被固定在所述底座和所述第一连接体之间。

7.根据权利要求1所述的用于金属拉拔的超声波振子，其特征在于，所述变幅杆还包括压盖，所述压盖内设所述通孔，所述第二杆体远离所述第一连接体的一端设置有安装槽，所述安装槽内容纳拉拔模，所述压盖与所述安装槽固定连接。

8.根据权利要求7所述的用于金属拉拔的超声波振子，其特征在于，所述拉拔模内部设置拉拔孔，所述拉拔孔外径自靠近压电堆一端向靠近压盖一端逐渐缩小。

9.一种用于金属拉拔的拉拔机构，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一项所述的用于金属拉拔的超声波振子、固定座和芯棒；所述芯棒一端固定在所述固定座上，另一端插接在所述通孔内。

10.根据权利要求9所述的用于金属拉拔的拉拔机构，其特征在于，所述固定座上设置有超声波振子。