[实用新型]实现单激励纵‑扭复合超声振动的一体式转换装置

说明书

技术领域：

本实用新型涉及一种超声振动加工机械领域，特别是涉及一种实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换装置。

背景技术：

随着硬脆材料，特别是纳米复相陶瓷和金属基复合材料加工需求日益增多，功率超声加工技术得到广泛的应用。传统的超声加工较多采用单一振动形式，随着超声振动理论与实践的不断改进和完善，纵-扭、纵-弯等复合振动形式得到发展。研究表明，在单激励纵-扭复合超声振动形式下，薄板焊接工艺得到克服与完善（Tsujino J，Complex vibration ultrasonic welding systems with large area welding tips,Ultrasonics，2002）；硬脆材料的被加工表面、铣削稳定性及刀具磨损得到大幅度改善（皮钧, 纵扭共振超声铣削研究，中国机械工程，2009）。应不同应用空间的要求，不仅需对工件或刀具施加不同方向的超声振动，且在保证较大的输出振幅的情况下，几何尺寸也应满足空间位置的要求。

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、减小占用空间、纵-扭复合振动效果好且容易实施的实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换装置。

本实用新型的技术方案是：

一种实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换装置，包括反射端、压电陶瓷、铜电极和发射端，利用连接螺栓将所述反射端、压电陶瓷片、铜电极及发射端串接固定在一起，所述发射端上设置有螺旋槽，将单激励的纵向振动转换为纵-扭振动，通过改变所述螺旋槽的结构参数，来改变纵-扭幅值比；相邻所述压电陶瓷片的纵向极化方向相反，所述压电陶瓷片与所述铜电极采用“夹心式”结构，所述压电陶瓷片及铜电极的个数以及发射端的几何尺寸分别根据“四分之一波长”理论设计完成，缩短转换装置轴向尺寸。

所述发射端为圆锥过渡阶梯型，所述螺旋槽的结构参数包括螺旋槽的线数、宽度b、深度h及螺旋角a；所述反射端使用重金属制成，所述发射端使用轻金属和中碳钢制成。

所述螺旋槽位于所述发射端的过渡圆锥体上，或者，所述螺旋槽位于所述发射端的大端圆柱体与过渡圆锥体上，或者，所述螺旋槽位于所述发射端的圆锥体，其中，所述圆锥体是由原过渡圆锥体延伸至法兰盘靠近小端端面。

所述发射端的法兰盘的两个端面上以发射端的轴线为中心线分别开设减震沟和减震孔，所述减震孔圆心对称阵列均布；在所述发射端的小端的末端处开设锥孔和螺纹，以匹配相应的弹簧夹头及压帽；对所述反射端进行沉头设计，改用内六角螺栓连接，对反射端进行阶梯台、圆锥台以及附加沉头设计，缩短反射端端面的径向尺寸。

几何尺寸不仅局限为“二分之一波长”，根据实际生产需求，发射端可采用“（n/2+1/4）波长”设计，一体式转换装置的几何尺寸可设计为“二分之一波长的整数倍”。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型单激励产生的纵向振动在螺旋体与圆柱面接触的根部分解为沿着螺旋线方向和垂直螺旋线方向的振动，当这两种振动的振动频率与螺旋体的局部弯曲振动频率接近或相同时，螺旋体将产生纵向共振和弯曲共振，等效于螺旋体沿圆周面进行扭转振动，但发射端的结构阻尼会造成输出端的纵向振动与扭转振动产生相位差，从而实现工具头的单激励纵-扭复合超声振动。

2、本实用新型放大系数指变幅杆在共振频率下，输出端与输入端质点位移或速度之比，为了保证较大放大系数同时，避免截面突变处产生过大应力，将阶梯型变幅杆与锥形变幅杆优势互补，形成圆锥过渡阶梯型发射端，其几何尺寸满足“四分之一波长”设计要求。

3、本实用新型根据超声系统内部满足“二分之一波长”叠加规律，对压电陶瓷片、铜电极及反射端进行两段式换能器“夹心式”设计，其几何尺寸满足“四分之一波长”设计要求。相邻两压电陶瓷片的纵向极化方向相反，压电陶瓷片净化后通过专用粘合剂进行粘合。

4、本实用新型反射端使用重金属，例如铜合金、合金钢等；发射端使用轻金属和中碳钢(包括中碳合金钢)，例如钛合金、铝合金45钢等，能够更好地实现能量传递。

5、本实用新型在法兰盘的两个端面上以发射端的轴线为中心线分别开设减震沟和减震孔，减震孔圆心对称阵列均布，有效地防止振动能量流的损耗。另外，在发射端的小端的末端处开设锥孔和螺纹，以匹配相应的弹簧夹头及压帽，能够灵活调整工具头的伸出长度。