CN212265339U

CN212265339U - 基于调幅理论的高低频复合超声微雕刻装置

Info

Publication number: CN212265339U
Application number: CN202021306604.6U
Authority: CN
Inventors: 武明超; 姚绍文; 尹龙; 赵波; 秦一可; 王永昌; 吕荷勤; 李兴玉; 王鹏辉
Original assignee: Luoyang Bozhi Automatic Control Technology Co ltd
Current assignee: Luoyang Bozhi Automatic Control Technology Co ltd
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2030-07-07

Abstract

本实用新型公开了一种基于调幅理论的高低频复合超声微雕刻装置，将超声变幅杆、第一换能器、换能器连接杆和第二换能器依次串接在一起，形成具有双激励的换能器，在超声变幅杆上设置微雕刻刀具，在超声变幅杆上设置法兰盘，通过法兰盘使超声变幅杆固定在超声刀柄的内腔中；通过对两个换能器施加的超声频率进行调节，使其产生高频振动的同时具有低频振动，在微雕刻刀具上复合出一种特殊的振动形式——拍振动，同时调节两个换能器所施加激励的不同频率差值的大小，使雕刻刀具上获得不同“拍振”的运振动波形，用以加工不同类型的曲面，使加工表面具有可控的微观曲面结构，改善加工表面的微织结构，使微曲面结构具有减摩、光滑、耐磨等特殊效果。

Description

基于调幅理论的高低频复合超声微雕刻装置

技术领域：

本实用新型涉及一种超声振动机械加工领域，特别是涉及一种基于调幅理论的高低频复合超声微雕刻装置。

背景技术：

随着现代产品中玻璃、玉石、大理石、刚玉、玛瑙、陶瓷等硬脆材料所占比例越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高，超声加工技术得到了广泛的应用。利用超声加工技术对各种硬脆材料上进行雕刻，最适用于批量生产，与手工雕刻相比，生产效率可高出几倍至数十倍，但是通常的超声雕刻装置难以加工出微观曲面结构，难以满足部分加工需求。研究表明，在高低频复合振动形式下，被加工表面具有可控的微观曲面结构，不同的微曲面结构会具有减摩、光滑、耐磨等特殊效果，同时基于调幅作用的二维超声雕刻可以使雕刻的图形清晰，准确，线条细致清楚，雕刻的文字不失真，可保持原作的艺术风格和特色，还能在手工难以雕刻的硬脆材料上进行雕刻。

实用新型内容：

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设计合理、操作简单，使加工表面具有可控的微观曲面结构，得到平滑曲面的一种基于调幅理论的高低频复合超声微雕刻装置。

本实用新型的技术方案是：

一种基于调幅理论的高低频复合超声微雕刻装置，包括超声变幅杆、第一换能器、换能器连接杆和第二换能器，所述第一换能器与第二换能器通过所述换能器连接杆进行连接，其中所述第二换能器置于所述换能器连接杆后端，所述第一换能器安装于所述换能器连接杆前端并与所述超声变幅杆连接，两个换能器分别与两个超声波发生器连接，形成具有双激励的换能器，所述超声变幅杆上设置微雕刻刀具和法兰盘，通过所述法兰盘使所述超声变幅杆固定在超声刀柄的内腔中。

所述换能器连接杆的前后两端面分别开设有螺纹孔，侧面设有卡槽，利用外六方螺栓将所述第二换能器上的后盖板、压电陶瓷片、铜电极、换能器连接杆进行螺纹连接；同时所述超声变幅杆大端处开设内螺纹孔，利用双头螺柱将所述超声变幅杆反射端、第一换能器上压电陶瓷片、铜电极、换能器连接杆进行螺纹连接；且所述法兰盘后端面设有隔振槽，起到减小振动向法兰传递的作用。

所述第一换能器、第二换能器上相邻压电陶瓷片纵向极化方向相反，采用螺柱按预定扭矩压紧形成一体式双激励换能变幅器。

所述超声刀柄的其后端开设有两出线孔，分别将所述第一换能器、第二换能器所焊线由此穿出与超声波发生器相连，其前端设有圆台及连接螺纹，便于将超声变幅杆的圆形法兰盘压紧在圆台上，同时在连接处加有垫圈，达到减小振动向法兰传递的作用。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型将第一换能器、第二换能器、换能器连接杆串联，形成具有双激励的换能器，通过超声波发生器施加具有一定频率差的超声激励，经由超声变幅杆聚能放大后，在微雕刻刀具上叠加产生高频低频复合的超声振动，同时通过调节两激励不同的相位，找到最佳相位差，使雕刻刀具获得稳定且精确可控的高低频复合振动。

2、本实用新型可以通过超声波发生器对第一换能器、第二换能器施加的超声频率进行调节，可使两激励的频率存在一定的差异，使其产生高频振动的同时具有低频振动调制作用，在微雕刻刀具上复合出一种特殊的振动形式——拍振动，使微雕刻刀具上获得“拍振”的振动效果。

3、本实用新型可以通过调节第一换能器、第二换能器所施加的超声频率差值的大小，使微雕刻刀具上获得不同“拍振”的运动轨迹，使加工表面具有可控的微观曲面结构，不同的微曲面结构会具有减摩、光滑、耐磨等特殊效果，满足不同的加工需求。

4、本实用新型通过对基于调幅理论的高低频复合超声微雕刻系统所有接触面及圆周面精磨后研磨，确保各接触面紧密贴合，便于波的传递，保证一定的粗糙度及跳动要求，使振动复合准确可控。

5、本实用新型实现高低频复合振动下的调幅功能，不仅可提高超声装置振幅输出，产生不同的振动波形，而且有利于雕刻微表面，装置安装简单，通用性强,适用于各种类型机床，易于推广实施，具有良好的经济效益。

附图说明：

图1为基于调幅理论的高低频复合超声微雕刻装置的装配示意图；

图2为图1中超声波装置的后视图；

图3为图2中超声变幅杆的结构示意图；

图4为图2中换能器连接杆的剖面结构示意图；

具体实施方式：

实施例：参见图1-图4，图中，1-连接螺栓，2-后盖板，3-第二换能器铜电极，4-第二换能器压电陶瓷片，5-卡槽，6-换能器连接杆，7-超声变幅杆，8-法兰盘，9-微雕刻刀具，10-超声变幅杆螺纹孔，11-隔振槽，12-换能器连接杆前端螺纹孔，13-换能器连接杆后端螺纹孔，14-超声刀柄，15-第一换能器压电陶瓷片，16-第一换能器铜电极，17-第一出线孔，18-第二出线孔。

基于调幅理论的高低频复合超声微雕刻装置，其技术方案是：将第一换能器、第二换能器、换能器连接杆串联，形成具有双激励的换能器，其中按“半波长”设计出超声变幅杆7，第一换能器、第二换能器按不同频率进行设计，两换能器频率差值根据超声调幅经验公式所得并对第二换能器压电陶瓷片4、铜电极3及后盖板2进行两段式换能器夹心式设计，其结构尺寸满足“半波长”换能器设计要求，对第一换能器压电陶瓷片15、铜电极16按照“四分之一波长”设计，对换能器连接杆按照“四分之一波长”设计。超声变幅杆7上设有法兰盘8，法兰盘上设有隔振槽11，以增加其顺性，提高隔振能力。通过超声波发生器施加具有一定频率差的超声激励，经由超声变幅杆聚能放大后，在微雕刻刀具上叠加产生高频低频复合的超声振动，同时通过调节两激励不同的相位，找到最佳相位差，使雕刻刀具获得稳定且精确可控的高低频复合振动。

在保证微雕刻刀具获得稳定且精确可控的复合振动的情况下，通过超声波发生器对第一换能器、第二换能器施加的超声频率进行调节，可使两激励的频率存在一定的差异，使其产生高频振动的同时具有低频振动的调制作用，在微雕刻刀具上复合出一种特殊的振动形式——拍振动，使微雕刻刀具上获得“拍振”的振动效果。并且可以通过调节第一换能器、第二换能器所施加激励的不同频率差值的大小，使雕刻刀具上获得不同“拍振”的振动波形，用以加工不同类型的曲面，使加工表面具有可控的微观曲面结构，改善加工表面的微织结构，使微曲面结构具有减摩、光滑、耐磨等特殊效果，满足不同的加工需求。

将各接触面、圆周面进行精磨，达到粗糙度及跳动要求；使相邻压电陶瓷片4，纵向极化方向相反，压电陶瓷片4净化后采用专业粘合剂粘合，并进行老化处理。在换能器连接杆6后端处开设螺纹孔13，利用高强度外六方的连接螺栓1将后盖板2、压电陶瓷片4、铜电极3及换能器连接杆6进行螺纹连接。使相邻压电陶瓷片15纵向极化方向相反，压电陶瓷片15净化后采用专业粘合剂粘合，并进行老化处理。在换能器连接杆6前端处开设螺纹孔12，在超声变幅杆7大端处开设螺纹孔10，利用高强度双头螺柱14将超声变幅杆7、压电陶瓷片15、铜电极16及换能器连接杆6进行螺纹连接。

在超声刀柄14后端开设有第一出线孔17，第二出线孔18，分别将第一换能器、第二换能器所焊线从两个出线孔穿出与超声电源相连，其前端设有圆台及连接螺纹，便于将超声变幅杆的圆形法兰盘压紧在圆台上，同时在连接处加有垫圈19，起到减小振动向法兰传递的作用。

结合有限元模态分析和谐响应分析，通过修正法兰盘8节点位置、超声变幅杆7大端小端长度、换能器连接杆6形状等结构参数，优化几何模型。

压电陶瓷片4预应力为3000-3500N/cm²，压电陶瓷片15预应力为3000-3500N/cm^2，根据压电陶瓷片4的面积和双头螺柱14的横截面积，压电陶瓷片15的面积和双头螺柱14的横截面积计算一体式转换装置的预紧力，并通过测力矩扳手施加预紧力，进一步保证接触面间紧密贴合。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims

1.一种基于调幅理论的高低频复合超声微雕刻装置，包括超声变幅杆、第一换能器、换能器连接杆和第二换能器，其特征是：所述第一换能器与第二换能器通过所述换能器连接杆进行连接，其中所述第二换能器置于所述换能器连接杆后端，所述第一换能器安装于所述换能器连接杆前端并与所述超声变幅杆连接，两个换能器分别与两个超声波发生器连接，形成具有双激励的换能器，所述超声变幅杆上设置微雕刻刀具和法兰盘，通过所述法兰盘使所述超声变幅杆固定在超声刀柄的内腔中。

2.根据权利要求1所述的基于调幅理论的高低频复合超声微雕刻装置，其特征是：所述换能器连接杆的前后两端面分别开设有螺纹孔，侧面设有卡槽，利用外六方螺栓将所述第二换能器上的后盖板、压电陶瓷片、铜电极、换能器连接杆进行螺纹连接；同时所述超声变幅杆大端处开设内螺纹孔，利用双头螺柱将所述超声变幅杆反射端、第一换能器上压电陶瓷片、铜电极、换能器连接杆进行螺纹连接；且所述法兰盘后端面设有隔振槽，起到减小振动向法兰传递的作用。

3.根据权利要求1所述的基于调幅理论的高低频复合超声微雕刻装置，其特征是：所述第一换能器、第二换能器上相邻压电陶瓷片纵向极化方向相反，采用螺柱按预定扭矩压紧形成一体式双激励换能变幅器。

4.根据权利要求1所述的基于调幅理论的高低频复合超声微雕刻装置，其特征是：所述超声刀柄的其后端开设有两出线孔，分别将所述第一换能器、第二换能器所焊线由此穿出与超声波发生器相连，其前端设有圆台及连接螺纹，便于将超声变幅杆的圆形法兰盘压紧在圆台上，同时在连接处加有垫圈，达到减小振动向法兰传递的作用。