[實用新型]實現單激勵縱?扭復合超聲振動的一體式轉換裝置

有效

• 申請號: 201720963520.1
• 申請日: 2017-08-03
• 公開（公告）號: CN207071503U
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 趙波;向道輝;賈曉鳳;張存鷹;焦鋒;高國富;趙重陽
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06;B06B3/02
• 代理公司: 鄭州金成知識產權事務所(普通合伙)41121
• 代理人: 郭增欣

技術領域：

本實用新型涉及一種超聲振動加工機械領域，特別是涉及一種實現單激勵縱-扭復合超聲振動的一體式轉換裝置。

背景技術：

隨著硬脆材料，特別是納米復相陶瓷和金屬基復合材料加工需求日益增多，功率超聲加工技術得到廣泛的應用。傳統的超聲加工較多采用單一振動形式，隨著超聲振動理論與實踐的不斷改進和完善，縱-扭、縱-彎等復合振動形式得到發展。研究表明，在單激勵縱-扭復合超聲振動形式下，薄板焊接工藝得到克服與完善（Tsujino J，Complex vibration ultrasonic welding systems with large area welding tips,Ultrasonics，2002）；硬脆材料的被加工表面、銑削穩定性及刀具磨損得到大幅度改善（皮鈞, 縱扭共振超聲銑削研究，中國機械工程，2009）。應不同應用空間的要求，不僅需對工件或刀具施加不同方向的超聲振動，且在保證較大的輸出振幅的情況下，幾何尺寸也應滿足空間位置的要求。

實用新型內容：

本實用新型所要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種設計合理、減小占用空間、縱-扭復合振動效果好且容易實施的實現單激勵縱-扭復合超聲振動的一體式轉換裝置。

本實用新型的技術方案是：

一種實現單激勵縱-扭復合超聲振動的一體式轉換裝置，包括反射端、壓電陶瓷、銅電極和發射端，利用連接螺栓將所述反射端、壓電陶瓷片、銅電極及發射端串接固定在一起，所述發射端上設置有螺旋槽，將單激勵的縱向振動轉換為縱-扭振動，通過改變所述螺旋槽的結構參數，來改變縱-扭幅值比；相鄰所述壓電陶瓷片的縱向極化方向相反，所述壓電陶瓷片與所述銅電極采用“夾心式”結構，所述壓電陶瓷片及銅電極的個數以及發射端的幾何尺寸分別根據“四分之一波長”理論設計完成，縮短轉換裝置軸向尺寸。

所述發射端為圓錐過渡階梯型，所述螺旋槽的結構參數包括螺旋槽的線數、寬度b、深度h及螺旋角a；所述反射端使用重金屬制成，所述發射端使用輕金屬和中碳鋼制成。

所述螺旋槽位于所述發射端的過渡圓錐體上，或者，所述螺旋槽位于所述發射端的大端圓柱體與過渡圓錐體上，或者，所述螺旋槽位于所述發射端的圓錐體，其中，所述圓錐體是由原過渡圓錐體延伸至法蘭盤靠近小端端面。

所述發射端的法蘭盤的兩個端面上以發射端的軸線為中心線分別開設減震溝和減震孔，所述減震孔圓心對稱陣列均布；在所述發射端的小端的末端處開設錐孔和螺紋，以匹配相應的彈簧夾頭及壓帽；對所述反射端進行沉頭設計，改用內六角螺栓連接，對反射端進行階梯臺、圓錐臺以及附加沉頭設計，縮短反射端端面的徑向尺寸。

幾何尺寸不僅局限為“二分之一波長”，根據實際生產需求，發射端可采用“（n/2+1/4）波長”設計，一體式轉換裝置的幾何尺寸可設計為“二分之一波長的整數倍”。

本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型單激勵產生的縱向振動在螺旋體與圓柱面接觸的根部分解為沿著螺旋線方向和垂直螺旋線方向的振動，當這兩種振動的振動頻率與螺旋體的局部彎曲振動頻率接近或相同時，螺旋體將產生縱向共振和彎曲共振，等效于螺旋體沿圓周面進行扭轉振動，但發射端的結構阻尼會造成輸出端的縱向振動與扭轉振動產生相位差，從而實現工具頭的單激勵縱-扭復合超聲振動。

2、本實用新型放大系數指變幅桿在共振頻率下，輸出端與輸入端質點位移或速度之比，為了保證較大放大系數同時，避免截面突變處產生過大應力，將階梯型變幅桿與錐形變幅桿優勢互補，形成圓錐過渡階梯型發射端，其幾何尺寸滿足“四分之一波長”設計要求。

3、本實用新型根據超聲系統內部滿足“二分之一波長”疊加規律，對壓電陶瓷片、銅電極及反射端進行兩段式換能器“夾心式”設計，其幾何尺寸滿足“四分之一波長”設計要求。相鄰兩壓電陶瓷片的縱向極化方向相反，壓電陶瓷片凈化后通過專用粘合劑進行粘合。

4、本實用新型反射端使用重金屬，例如銅合金、合金鋼等；發射端使用輕金屬和中碳鋼(包括中碳合金鋼)，例如鈦合金、鋁合金45鋼等，能夠更好地實現能量傳遞。

5、本實用新型在法蘭盤的兩個端面上以發射端的軸線為中心線分別開設減震溝和減震孔，減震孔圓心對稱陣列均布，有效地防止振動能量流的損耗。另外，在發射端的小端的末端處開設錐孔和螺紋，以匹配相應的彈簧夾頭及壓帽，能夠靈活調整工具頭的伸出長度。