[發明專利]以施加預應力提高抗疲勞強度的非金屬材質超聲波工具頭

在審

• 申請號: 201910021203.1
• 申請日: 2019-01-09
• 公開（公告）號: CN109719575A
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發明（設計）人: 華大成;陳元平;陳川
• 申請（專利權）人: 杭州成功超聲設備有限公司
• 主分類號: B24B1/04
• 分類號: B24B1/04;B24B41/04
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 周世駿

本發明涉及超聲波設備制造技術，旨在提供一種以施加預應力提高抗疲勞強度的非金屬材質超聲波工具頭。該工具頭包括連接端、工具頭主體和輻射端，其中連接端用于連接變幅桿或換能器，輻射端用于對外傳遞超聲波振動能量；所述工具頭主體是非金屬材質且具有中空腔體，在中空腔體內裝有用于拉緊壓縮工具頭主體的預應力螺桿，預應力螺桿的長度方向與工具頭的振動輸出方向保持一致。本發明可以極大提高非金屬材質工具頭的疲勞振動極限，使工具頭可以輸出更大的振幅，更穩定的進行輸出。工具頭可以使用多種材質，例如其連接端、工具頭主體、輻射端、和預應力螺桿均可以采用包括金屬、硬脆材料、碳纖維等材質制成，因而具有更廣泛的應用場景。

技術領域

本產品涉及超聲波設備制造技術，尤其涉及一種以施加預應力提高抗疲勞強度的非金屬材質超聲波工具頭。

背景技術

超聲波工具頭是超聲波設備的重要組成部件，其作用是將超聲波的振動能量傳遞到作用對象中去。目前應用最廣泛的是采用縱向振動作為振動方式的超聲波設備(以下稱為“超聲波設備”)。一般來說，這樣的超聲波設備是類似于長棒型的結構，其中超聲波振動核心部件主要由換能器、變幅桿、工具頭等組成。根據超聲波設備的設計特點，工具頭負責向作用對象或介質中發射超聲波，因此，工具頭往往也是整套超聲波設備中振幅最大的部件，其所承受的振動應力集中，極容易造成疲勞斷裂。

以縱向振動頻率為20kHz的工具頭來說，在其應力最大處，一般需要承受幾十到上百兆帕的縱向交變應力，且這樣的應力一秒鐘變化20000次。在這樣高應力和高頻率的極限條件下，就極易導致超聲波工具頭疲勞斷裂。所以在大功率超聲波的應用領域，通常選擇金屬材料為超聲波工具頭的主要材料。常用的如合金鋼、鋁合金、不銹鋼、鈦合金等。由于金屬具有較好的抗拉強度和彈性性，在超聲波縱向振動過程中，不易造成斷裂，可以承受較大的超聲波振幅，從而發射較大的超聲波功率。

但在腐蝕性的環境下或者是不允許有金屬材料的環境下，就不得不采用非金屬材料制作超聲波工具頭。眾所周知，絕大部分非金屬材料(特別是高強度的陶瓷材料)的抗拉強度是很低的，非金屬材料的高強度只是指單方向的抗壓強度而非抗拉強度。這樣的超聲波工具頭只能夠以較小的超聲波振幅振動，發射較小的超聲波功率。如果要提高振幅(功率)，工具頭將會因為超過非金屬材料的疲勞極限和抗拉極限而斷裂。

于是，就存在這樣的應用場景需求和設備材質之間的無法匹配的情況：如果滿足了超聲波發射功率的要求，就不能夠滿足現場環境對非金屬工具頭的應用要求；如果采用了非金屬工具頭，就不能夠滿足超聲波發射功率的要求。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提供一種以施加預應力提高抗疲勞強度的非金屬材質超聲波工具頭。

為解決技術問題，本發明的解決方案是：

提供一種以施加預應力提高抗疲勞強度的非金屬材質超聲波工具頭，包括連接端、工具頭主體和輻射端，其中連接端用于連接變幅桿或換能器，輻射端用于對外傳遞超聲波振動能量；所述工具頭主體是非金屬材質且具有中空腔體，在中空腔體內裝有用于拉緊壓縮工具頭主體的預應力螺桿，預應力螺桿的長度方向與工具頭的振動輸出方向保持一致。

本發明中，所述預應力螺桿的兩端設有螺紋，且具有以下任意一種連接方式：

(1)所述連接端和輻射端均為獨立部件，分別裝于工具頭主體兩端，各設有螺孔；工具頭主體中空腔體的兩端均貫通，預應力螺桿穿過中空腔體并分別螺接至連接端和輻射端；連接端還具有另一個反向的螺孔，用于安裝螺栓以連接變幅桿或換能器；

(2)所述連接端是獨立部件，其兩個相對側面上各設有一個螺孔，其中一個螺孔用于安裝螺栓以連接變幅桿或換能器；工具頭主體中空腔體的一端是貫通的，并以封閉端部作為輻射端，在輻射端的內壁設有螺紋以形成類螺孔結構；預應力螺桿的一端螺接至連接端，另一端螺接至輻射端；