[發明專利]一種可分級調節壓電陶瓷預緊力的超聲刀柄

有效

• 申請號: 202010560300.0
• 申請日: 2020-06-18
• 公開（公告）號: CN111716573B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 梅德慶;白天;汪延成;程佳峰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種可分級調節壓電陶瓷預緊力的超聲刀柄。包括壓帽拉桿、銅片、壓電陶瓷、固定桿、超聲變幅桿和刀具，超聲變幅桿上下兩端分別安裝有壓帽拉桿和刀具，超聲變幅桿和壓帽拉桿之間交替套裝有壓電陶瓷和銅片；壓帽拉桿主要由壓帽、拉桿Ⅰ和拉桿Ⅱ由上至下同軸依次連接組成；拉桿Ⅱ底部兩側設有對稱布置的外凸緣，外凸緣上端面為螺旋斜面；超聲變幅桿上端面中間開有柱狀空腔，柱狀空腔開口處設有兩個對稱布置的內凸緣，拉桿Ⅱ底部外凸緣伸入柱狀空腔內。本發明通過分級旋轉壓帽拉桿實現分級調節壓電陶瓷預緊力，通過加工過程中改變預緊力，實現改變超聲振動系統的諧振頻率，合理增大實際能量轉換效率和增大超聲振幅輸出。

技術領域

本發明屬于硬脆材料旋轉超聲加工技術領域，尤其涉及一種可分級調節壓電陶瓷預緊力的超聲刀柄。

背景技術

現如今互聯網與人工智能技術飛速發展，智能手機、汽車電子、穿戴設備等集成電路產品擁有著巨大的市場空間。集成電路產品的核心是微電子芯片，微電子芯片的制造則離不開硅這種硬脆材料，目前硅材料在市場上的需求日益增加。除了硅材料以外，藍寶石、陶瓷、碳纖維復合材料、玻璃等硬脆材料在市場上的需求量同樣越來越大。對于這些硬脆材料，使用傳統加工工藝的效率極其低下且易出現損傷缺陷，無法得到令人滿意的效果。而旋轉超聲加工在硬脆材料的加工中可顯著降低刀具磨損速度、減小加工切削力、降低加工表面熱損傷與殘余應力等，有效提高了硬脆材料的加工質量。

換能系統是旋轉超聲加工系統的核心部件，其性能好壞直接決定了硬脆材料加工的性能好壞。換能系統通常由前蓋板、壓電陶瓷和后蓋板組成。壓電陶瓷的抗張強度較低，而抗壓強度較高，兩者約相差10倍左右，因此，為防止在功率較大時壓電陶瓷發生損壞，通常利用前后蓋板對壓電陶瓷進行預緊。壓電陶瓷所受預緊力的大小對超聲振動系統的加工效率、振動模態、最大振動位移和諧振頻率都有一定的影響。在合適的預緊力范圍內，改變預緊力，可以提高加工效率、改變振動模態、調節諧振頻率和最大振動位移等。

但是現有系統很難實現對壓電陶瓷預緊力的調節，究其原因，就是因為常規超聲加工系統中壓帽(后蓋板)和拉桿通常為分離式，二者通過螺紋裝配，預緊力在擰緊螺紋時產生，裝配完成后，預緊力隨之確定，其大小無法隨意改變且預緊力的調整有很大程度的人為因素，該常規裝配結構雖然簡單，成本低廉，但是在加工過程中無法得知預緊力的大小，常出現預緊力過大或過小的情況。過大的預緊力會影響振動，甚至損壞壓電陶瓷；過小的預緊力則會增加能量損耗，降低換能器轉換效率。

發明內容

在現有超聲振動裝置中，固定壓電陶瓷的壓帽和拉桿為螺旋連接，這種連接方式導致初始的預緊力無法直觀調整。為了解決現有技術的缺陷，本發明提供了一種可分級調節壓電陶瓷預緊力的超聲刀柄，壓帽和拉桿為整體式結構，該結構與變幅桿螺旋擠壓，在擠壓的過程中完成壓電陶瓷預緊力的調節，通過調節預緊力實現系統諧振頻率的改變，合理增大實際能量轉換效率，增大超聲振幅輸出。

本發明采用的技術方案如下：

本發明包括壓帽拉桿、銅片、壓電陶瓷、固定桿、超聲變幅桿和刀具，超聲變幅桿上下兩端分別安裝有壓帽拉桿和刀具，超聲變幅桿和壓帽拉桿之間交替套裝有壓電陶瓷和銅片；

壓帽拉桿主要由壓帽、拉桿Ⅰ和拉桿Ⅱ由上至下同軸依次連接組成，拉桿Ⅰ外徑大于拉桿Ⅱ外徑；拉桿Ⅱ底部兩側設有對稱布置的外凸緣，外凸緣上端面為螺旋斜面，兩側外凸緣的螺旋斜面傾斜方向一致。

超聲變幅桿上端面中間開有柱狀空腔，柱狀空腔開口處設有兩個對稱布置的內凸緣，拉桿Ⅱ底部外凸緣伸入柱狀空腔內；內凸緣與外凸緣結構相同，均為1/4圓環柱狀結構。