一种对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统

1.本发明属于超声换能器加工技术领域，具体涉及一种对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统。


背景技术：

2.超声换能器的功能是将输入的超声频电能转换成机械能(超声波)再传递出去，而自身消耗很少的一部分能量。超声波由于具有高效节能、绿色环保的优良特性，目前被广泛应用于切割、焊接、材料成型、机械加工等领域。特别是随着新材料的发展和航空航天高性能构件的高效精密制造需要，超声加工技术作为一种新兴的加工方法逐渐成为高效精密制造领域的主要发展方向之一。
3.超声焊接是超声电源提供的超声频电能通过换能器转换为同频机械振动，通过变幅杆将位移振幅放大传给焊接工具头，工具头在受压下在焊件表面作强烈的超声振动。这时两被焊件在垂直压力下作高频摩擦，使粗糙表面剪切变形，产生温升和塑性流动，同时去除和分散表面氧化膜及有机物膜，产生干净的接触面，最终使得两表面紧密接触而连接。超声焊接是一种固态连接，因焊区温度低而不致材料熔化，故材料的结构也不发生变化，尤其适用于不同种材料之间的焊接。在焊接过程中无需添加任何材料和焊剂，也无需气体保护，仅消耗传统焊接5％左右的能量，具有环保节能的优点。
4.已有技术中，授权公告号cn207900447 u，名称为“旋转调节组件、对称旋转调节装置和超声波滚动焊接设备”的实用新型专利，通过弹簧片将滚焊焊头与旋转件之间相互连接，焊头沿其轴向方向振动时，弹簧可以有效避免带动旋转件的振动，提高焊接的精度和稳定性。但是，所述焊头本体通过焊头连接件与换能器连接，从而造成能量传递的损失，降低能量的转换效率。
5.公开号为cn 108393573 a的中国专利公开了一种超声波滚动焊接机，主轴系统包括超声波焊头、调幅器、电机及换能器，电机和换能器分别位于焊头的两侧。电机的作用是驱动轴承系统实现焊头的转动，所以电机侧的调幅器并没有增加焊头振幅的作用，反而会消耗焊头振动的能量。
6.公开号为cn 112776345 a的中国专利文献公开了一种纵径耦合振动的超声滚动焊接装置，超声波振动部分由超声波换能器、变幅杆和工具头通过螺栓同轴连接而成，解决了纵径耦合振动系统的超声隔离、固定方式和旋转方式存在的冲突协调问题。
7.以上公开的专利文献存在共同的不足：
8.(1)换能器仅设置于焊头的一端，导致焊接功率有限，达不到超声焊接所追求的大功率和大振幅。(2)单侧换能器激励焊头产生的纵径耦合振动不均匀，即边缘与中心振幅不一致，从而导致焊接能量输出不均匀。(3)焊头形状为普通圆盘，并没有对其进行优化，不具有最大的振幅放大比。(4)焊头的结构单一，不能满足更多的焊接需求。
9.公开号为cn 112810162 a的中国专利文献公开了一种纵径耦合振动的双滚轮超声滚动焊接装置，其中，双滚轮滚焊工具头由两个对接的t形滚焊工具头组成，两者的端部
圆盘结构以螺栓连接实现对称布置，其轴向变幅杆的端部分别连接一个超声波换能器。此发明专利是在上述发明专利(公开号cn 112776345 a，名称为“一种纵径耦合振动的超声滚动焊接装置”)的基础上，通过螺栓将两者的端部圆盘结构实现机械上的串联对称分布。但是，每个工具头依然仅被所对应的超声波换能器激励，且做反向位振动，并没有达到两端换能器的功率合成和增大振幅的效果。
10.超声切割是利用超声电源驱动切割设备做超声频率的振动，通过刀头将碰撞和冲击能量传递到被切介质，致使被切介质材料疲劳破碎而达到切割效果的一项新型工艺技术。超声振动的引入可以显著降低切削力，减小刀具磨损，减少微裂纹，降低表面粗糙度，改善表面加工质量，降低粉尘污染等。超声切割可更有效、更精确地加工如碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、各种蜂窝材料等航空航天制造领域所用的复合材料和硬脆材料，如光学玻璃、硅晶体、陶瓷等。
11.已有技术中，授权公告号cn 108582260 b，名称为“再生胶超声切割装置”的发明专利，通过永磁铁活塞带动装有超声刀具的外滑套沿气缸左右移动，实现对收卷在卷筒上的再生胶切割。所述切割用的超声刀具包括换能器、变幅杆及刀具，换能器将超声频的纵振动通过变幅杆放大后传输到刀具。但是，换能器安装在卷筒内，工作过程产生的热量不易传导出去，会导致换能器因温度升高，机电转换效率急剧下降的问题。
12.公开号为cn 109434268 a的中国专利文献公开了一种超声波切割焊接复合机构，将焊接和切割的工具刀捆绑做成一体的结构，实现对材料焊接和切割同步进行的效果。超声波切割头和焊头分别装于母工具头的下端面，但母工具头的纵振动能量只有部分传递到切割头和焊头，从而降低了振动能量的转换效率。
13.公开号为cn 108436187 a的中国专利文献公开了一种铝蜂窝的超声切削与冲击一体化加工方法，超声振动系统产生的纵向振动转化为圆形刀片的弯曲振动，机床主轴带动刀片回转，按照走刀路径对待处理铝蜂窝进行加工。由于圆片刀的纵截面呈等腰梯形，导致刀片产生的弯曲振动不均匀，且存在振动节线圆，即刀片下端面的振幅相差较大。刀具轴线始终垂直于走刀路径，所以圆形刀片的弯曲振动方向并不与走刀路径相同，从而降低了切割效率和精度。
14.以上专利文献的超声振动系统均为单个纵向振动超声换能器，难以实现超声切割所需的大功率和大振幅，从而限制了切割材料的范围。
15.公开号为cn 108340023 a的中国专利文献公开了一种用于蜂窝芯材料切削的超声振动系统，所述超声振动系统包括两级振动系统，每级振动系统由换能器和变幅杆组成。虽然两级振动系统的耦合增大了功率和振幅，但由于一级变幅杆中心的振动没有耦合到二级振动系统，从而造成振动能量的损耗；二级振动系统的后盖板和压电陶瓷晶堆位于一级振动系统的变幅杆内部，密闭空间不利于二级超声系统的散热，导致压电陶瓷晶堆温度过高而改变换能器的振动性能。


技术实现要素：

16.基于现有技术存在的不足，本发明提供了一种对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，与目前的超声滚动焊接和切割换能器相比，可获得更大的输出位移振幅，产生均匀的径向振动，从而提高切割和焊接的精度和效率。
17.一种对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，包括圆盘型工具头以及设置在圆盘型工具头两侧的两个对偶的厚圆盘电极超声换能器；
18.所述的厚圆盘电极超声换能器包括通过预应力螺栓依次紧密串接的后盖板、第一压电晶片堆、厚圆盘电极、第二压电晶片堆和前盖板，所述的前盖板通过变幅杆与圆盘形工具头的一侧轴心固定；通过两个对偶的厚圆盘电极超声换能器和变幅杆的纵向振动转化为中心圆盘形工具头的径向振动；所述的厚圆盘电极沿圆周面均匀设有径向穿孔。
19.为确保换能器有效机电耦合系数较高，选择合适厚度的厚圆盘电极。
20.本发明中，厚圆盘电极有沿圆周均匀分布的径向穿孔，不但能加快压电晶片堆的散热降温，而且可获得更大的输出位移振幅；对偶激励中心圆盘形工具头产生均匀的径向振动，提高了切割和焊接的精度和效率；工作过程中圆盘形工具头径向表面受到的冲击力不会直接作用于换能器，极大降低了换能器被损坏的风险。
21.进一步地，所述的厚圆盘电极为负电极，设置在厚圆盘电极超声换能器的振动位移节面处。结合厚圆盘电极上的径向穿孔，降低了换能器位移节面附近的等效弹性常数，可获得更大的输出位移振幅。
22.进一步地，所述的第一压电晶片堆和第二压电晶片堆均包括偶数个压电晶片。
23.进一步地，所述的厚圆盘电极超声换能器在振动位移节面处的外部设有法兰盘；所述的法兰盘与厚圆盘电极超声换能器为一体式结构或分体式结构，采用分体式结构时，法兰盘与厚圆盘电极超声换能器之间采用过盈配合。
24.进一步地，所述的前盖板与变幅杆为一体式结构，或者，所述的前盖板与变幅杆通过螺栓紧密连接。
25.进一步地，所述的变幅杆采用一级变幅杆或者多级变幅杆级联系统；变幅杆形状为阶梯形、圆锥形、指数型或高斯形。
26.进一步地，所述的变幅杆与圆盘形工具头为一体式结构，或者，所述的变幅杆与圆盘形工具头通过螺栓紧密连接。
27.进一步地，所述的圆盘形工具头分别为圆盘形焊接工具头和圆盘形切割工具头；其中，圆盘形焊接工具头的外端面具有网格花纹、十字花纹和向心花纹等微细花纹，从而得到焊接材料表面有不同的微观形貌。圆盘形切割工具头的外端面具有刃角。
28.圆盘形工具头的结构多样，扩大了超声滚动焊接和切割的应用范围，可根据应用需求更换圆盘形焊接工具头或圆盘形切割工具头。
29.进一步地，所述圆盘形工具头的截面形状为幂函数、指数、折线或余弦曲线。
30.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
31.1、本发明提出的一种对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，将两个对偶超声换能器和变幅杆的纵向振动转化为中间圆盘形工具头的径向振动，实现了目前超声焊接和切割所追求的大功率和大振幅。
32.2、本发明的两个对偶换能器为厚圆盘电极超声换能器，厚圆盘电极可以加快压电晶堆的散热降温，提高压电换能器工作的热稳定性和机电转换效率。
33.3、本发明的厚圆盘电极有沿圆周均匀分布的径向穿孔，并设置在换能器振动位移节面位置，穿孔降低了换能器位移节面附近的等效弹性常数，可获得更大的输出位移振幅。
34.4、本发明以圆盘形工具头为中心，两端的变幅杆和换能器呈对称分布，故两端产
生的纵振动转化为圆盘形工具头的径向振动很均匀，从而提高了切割和焊接的精度和效率。
35.5、本发明的圆盘形工具头在工作过程中径向受到的冲击很大，但冲击力的方向与换能器纵振动的方向垂直，因此不会直接作用于换能器，极大降低了换能器被损坏的风险。
36.6、本发明的圆盘形工具头的结构多样，根据材料的特点和尺寸选择不同形状的工具头，扩大了超声滚动焊接和切割的应用范围。
附图说明
37.图1为本发明一种对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统的整体结构示意图；
38.图2为圆盘形工具头的结构示意图。
39.图中：1-预应力螺栓；2-后盖板；3a、3b、3c、3d-电极片；4a、4b、4c、4d-压电晶片；5-厚圆盘电极；6-径向穿孔；7-法兰盘；8-前盖板；9-变幅杆；10-圆盘形工具头；10a-圆盘形切割工具头；10b-圆盘形焊接工具头；11-变幅杆；12-法兰盘；13-前盖板；14a、14b、14c、14d-压电晶片；15a、15b、15c、15d-电极片；16-厚圆盘电极；17-径向穿孔；18-后盖板；19-预应力螺栓。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
41.如图1所示，一种对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，包括圆盘型工具头10以及对称设置在圆盘型工具头10两侧的两个厚圆盘电极超声换能器。
42.左侧的厚圆盘电极超声换能器包括通过预应力螺栓1依次串接的后盖板2、第一压电晶片堆(电极片3a、压电晶片4a、电极片3b、压电晶片4b)、厚圆盘电极5、第二压电晶片堆(电极片3c、压电晶片4c、电极片3d、压电晶片4d)和前盖板8。前盖板8通过变幅杆9与圆盘形工具头10的左侧轴心固定。
43.右侧的厚圆盘电极超声换能器与左侧的结构相同，包括通过预应力螺栓19依次串接的后盖板18、第一压电晶片堆(电极片15d、压电晶片14d、电极片15c、压电晶片14c)、厚圆盘电极16、第二压电晶片堆(电极片15b、压电晶片14b、电极片15a、压电晶片14a)和前盖板13。前盖板13通过变幅杆11与圆盘形工具头10的右侧轴心固定。厚圆盘电极5沿圆周面均匀设有径向穿孔6，厚圆盘电极16沿圆周面均匀设有径向穿孔17。
44.本实施例中，为确保换能器有效机电耦合系数较高，选择合适厚度的厚圆盘电极。厚圆盘电极5和16均为负电极，设置在厚圆盘电极超声换能器的振动位移节面处。电极片3a、3c、15b和15d接电源的负极接线端，电极片3b、3d、15a和15c接电源的正极接线端。
45.所述的厚圆盘电极超声换能器在振动位移节面处的外部设有法兰盘7和12；既可作为固定换能器的连接件，又可安装轴承、同步带轮或其他部件。
46.换能器的前盖板8和法兰盘7、前盖板13和法兰盘12均为一体式结构，也可为分体式结构。采用分体式结构时，两者之间采用过盈配合。
47.换能器的前盖板8和变幅杆9、前盖板13和变幅杆11之间通过螺栓紧密连接，也可
为一体式结构。
48.变幅杆9和11的形状为阶梯形、圆锥形、指数型和高斯形等的任意一种，为了更进一步地放大振幅可采用两个变幅杆级联形成二级变幅杆。
49.变幅杆9和11与圆盘形工具头之10间通过螺栓紧密连接，也可为一体式结构。
50.当前盖板、变幅杆和圆形工具头之前通过螺栓连接时，变幅杆的两端均设有带内螺纹的沉孔或带外螺纹的螺杆，用于连接换能器的前盖板和圆盘形工具头；圆盘形工具头两端均设有带内螺纹的沉孔或带外螺纹的螺杆，用于连接变幅杆。
51.如图2所示，图中，(a)为圆盘形切割工具头10a，(b)为圆盘形焊接工具头10b，可根据应用需求进行更换。
52.圆盘形切割工具头10a和圆盘形焊接工具头10b的截面形状为幂函数、指数、折线或余弦曲线等的任意一种。
53.圆盘形切割工具头10a外端面有一定的刃角。圆盘形焊接工具头10b外端面具有网格花纹、十字花纹和向心花纹等微细花纹，得到焊接材料表面有不同的微观形貌。
54.本发明将两个对偶厚圆盘电极超声换能器和变幅杆的纵向振动转化为中间圆盘形工具头的径向振动。因以圆盘形工具头为中心，两端的变幅杆和换能器呈对称分布，故圆盘形工具头产生均匀的径向振动，从而实现对材料的滚动焊接和切割。
55.以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，其特征在于，包括圆盘型工具头以及设置在圆盘型工具头两侧的两个对偶的厚圆盘电极超声换能器；所述的厚圆盘电极超声换能器包括通过预应力螺栓依次紧密串接的后盖板、第一压电晶片堆、厚圆盘电极、第二压电晶片堆和前盖板，所述的前盖板通过变幅杆与圆盘形工具头的一侧轴心固定；通过两个对偶的厚圆盘电极超声换能器和变幅杆的纵向振动转化为中心圆盘形工具头的径向振动；所述的厚圆盘电极沿圆周面均匀设有径向穿孔。2.根据权利要求1所述的对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，其特征在于，所述的厚圆盘电极为负电极，设置在厚圆盘电极超声换能器的振动位移节面处。3.根据权利要求1所述的对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，其特征在于，所述的第一压电晶片堆和第二压电晶片堆均包括偶数个压电晶片。4.根据权利要求1所述的对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，其特征在于，所述的厚圆盘电极超声换能器在振动位移节面处的外部设有法兰盘；所述的法兰盘与厚圆盘电极超声换能器为一体式结构或分体式结构，采用分体式结构时，法兰盘与厚圆盘电极超声换能器之间采用过盈配合。5.根据权利要求1所述的对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，其特征在于，所述的前盖板与变幅杆为一体式结构，或者，所述的前盖板与变幅杆通过螺栓紧密连接。6.根据权利要求1所述的对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，其特征在于，所述的变幅杆采用一级变幅杆或者多级变幅杆级联系统；变幅杆形状为阶梯形、圆锥形、指数型或高斯形。7.根据权利要求1所述的对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，其特征在于，所述的变幅杆与圆盘形工具头为一体式结构，或者，所述的变幅杆与圆盘形工具头通过螺栓紧密连接。8.根据权利要求1所述的对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，其特征在于，所述的圆盘形工具头分别为圆盘形焊接工具头和圆盘形切割工具头；其中，圆盘形焊接工具头的外端面具有网格花纹、十字花纹和向心花纹，圆盘形切割工具头的外端面具有刃角。9.根据权利要求1所述的对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，其特征在于，所述圆盘形工具头的截面形状为幂函数、指数、折线或余弦曲线。

技术总结
本发明公开了一种对偶激励纵径模式转换大功率超声振动系统，包括圆盘型工具头以及设置在圆盘型工具头两侧的两个对偶的厚圆盘电极超声换能器；所述的厚圆盘电极超声换能器包括通过预应力螺栓依次串接的后盖板、第一压电晶片堆、厚圆盘电极、第二压电晶片堆和前盖板，所述的前盖板通过变幅杆与圆盘形工具头的一侧轴心固定；通过两个对偶的厚圆盘电极超声换能器和变幅杆的纵向振动转化为中心圆盘形工具头的径向振动；所述的厚圆盘电极沿圆周面均匀设有径向穿孔，为确保换能器有效机电耦合系数较高，选择合适厚度的厚圆盘电极。利用本发明，可获得更大的输出位移振幅，产生更均匀的径向振动，从而提高切割和焊接的精度和效率。从而提高切割和焊接的精度和效率。从而提高切割和焊接的精度和效率。


技术研发人员：李凤鸣 刘世清 陈赵江
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2022/3/8