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CN106230307A - 非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子 - Google Patents

非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子 Download PDF

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杨远才
刘申
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Abstract

本发明提出了一种非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子，属于超声振动拉丝振子技术领域，解决了现有纵弯复合振动超声波振子激励方式复杂、设计过程中存在复杂的纵弯频率简并等问题。该超声波拉丝振子包括后端盖螺母、压电陶瓷片、复合变幅杆、前端压盖；后端盖螺母与复合变幅杆相连；复合变幅杆包括后端小截面圆柱、锥形杆、圆柱杆、通丝孔和拉丝模安装孔；压电陶瓷片套在后端小截面圆柱上；后端小截面圆柱、锥形杆和圆柱杆依次顺接相连；圆柱杆上设有细缝、直槽；本发明提出的非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子具有激励方式简单，结构设计灵活，易于散热，机电耦合效率高等特点。

Description

非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子
技术领域
本发明涉及非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子，属于超声振动拉丝振子技术领域。
背景技术
压电超声振动拉丝就是在常规拉丝过程中叠加超声波振动能的加工工艺，通过压电片将由超声波驱动器产生的交变电信号转换成超声波振动能，再经过变幅杆的放大匹配，将超声波振动能传递到拉丝模上，从而激励拉丝模的振动，然后被加工材料通过这样的振动模具进行拉拔加工，进而获得超声波振动能对金属材料塑性成形的作用。
现有技术中的超声振动拉丝多为纵向振动，振动形式单一。研究表明复合超声振动更有利于减小拉拔力，提高丝材表面质量。目前纵弯复合超声振子一般基于对压电陶瓷片的非对称激励产生，即分区激励。虽能从功能上实现超声振子的纵弯复合振子，但激励方式复杂，设计过程中存在纵弯模态频率简并问题。而从结构上实现纵弯复合振动的超声波振子研究还不足。
发明内容
针对目前超声波拉丝振子在这方面的空缺及非对称激励式纵弯复合超声波振子的不足。本文提出了一种基于非对称结构的纵弯复合振动的超声波拉丝振子，所采取的技术方案如下：
所述超声波拉丝振子包括后端盖螺母1、压电陶瓷片2、复合变幅杆3、前端压盖4；所述后端盖螺母1的后端面为超声振子安装面11；所述后端盖螺母1与复合变幅杆3相连；所述前端压盖4与复合变幅杆3前端相连；所述复合变幅杆3包括后端小截面圆柱31、锥形杆32、圆柱杆33、通丝孔34和拉丝模安装孔35；所述压电陶瓷片2套在后端小截面圆柱31上；所述后端小截面圆柱31、锥形杆32和圆柱杆33依次顺接相连，加工为一体杆；所述圆柱杆33上设有细缝331、直槽332。所述通丝孔34沿复合变幅杆3的轴线方向水平贯穿。所述拉丝模安装孔35位于圆柱杆33前端，拉丝模安装孔35轴线与通丝孔34轴线重合。
优选地，所述压电陶瓷片2之间插有电极片；所述压电陶瓷片2与后端盖螺母2之间插有电极片；所述压电陶瓷片2与锥形杆32的后端面之间插有电极片。
优选地，所述压电陶瓷片2沿厚度方向极化，工作在D33模式下；所述压电陶瓷片2中每相邻的两片压电陶瓷片2的极化极性相反。
优选地，所述压电陶瓷片2的数量为四片。
优选地，所述复合变幅杆3为一体杆；所述复合变幅杆3内开有通丝孔34，通丝孔34轴线与复合变幅杆3轴线重合。
优选地，所述后端小截面圆柱31上设有螺纹段；所述螺纹段长与后端盖螺母1的厚度对应。
优选地，所述圆柱杆33的圆柱面上设有细缝331，所述细缝331与圆柱杆33的轴向方向垂直。
优选地，所述圆柱杆33的圆柱面上设有直槽332，所述直槽332与细缝331位于圆柱杆33的同一侧，并以圆柱杆33横截面直径为对称轴沿圆柱杆33表面镜像对称分布。
优选地，所述复合变幅杆3上设有拉丝模安装孔35；所述拉丝模安装孔35位于通丝孔34前端，并与通丝孔33同轴。
本发明的非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子中的压电陶瓷片2采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率的交流电压信号激励，通过厚度方向极化的压电陶瓷2的逆压电效应产生高频的纵向机械振动，经过复合变幅杆3的放大传播。在复合变幅杆3开有细缝331直槽332的一侧，纵向振动遭到阻碍，纵向振幅小，而在另一侧无阻碍传播，纵向振幅大，从而造成两侧纵向振动差异明显，从而诱发复合变幅杆3前端圆柱杆33发生弯曲振动。由此实现超声波振子的纵弯复合振动。
本发明的有益效果为：
本发明的利用在圆柱杆一侧开设直槽、细缝的形式，降低圆柱杆单侧的抗弯刚度，阻碍超声波在该侧的传递实现超声波振子的纵弯复合振动。实现了单相激励下超波振子的纵弯复合，避免了传统纵弯复合超声振子频率简并的麻烦。具有激励方式简单、结构简单、设计灵活、可系列化生产的优点。
附图说明
图1是本发明所述的非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子的剖视图；
图2是本发明所述的非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子的几何示意图及压电陶瓷片极化方式示意图；
图3是本发明所述的非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子的纵弯复合振动模态振型示意图。
图4是本发明所述的非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子的剖视图(细缝331位于直槽332中部)；
(1、后端盖螺母；11、安装面；2、压电陶瓷片；3、复合变幅杆；31、后端小截面圆柱；32、锥形杆；33、圆柱杆；331、细缝；332、直槽；34、通丝孔；35拉丝模安装孔)
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
该纵弯复合超声波拉丝振子包括后端盖螺母1、多个压电陶瓷片2、复合变幅杆3、前端盖；后端盖螺母1的后端面为超声波拉丝振子的安装面11；本具体实施方式中，安装面11、后端盖螺母1、多个压电陶瓷片2构成超声换能器，超声换能器通过后端盖螺母1与复合变幅杆3相连，构成四分之一波长的超声振子。其中，安装面11用来将振子固定在工作位置，后端盖螺母1对压电陶瓷进行预紧，使压电陶瓷片在振动过程中始终处于压缩状态，防止压电陶瓷片的破裂。复合变幅杆3包括后端小截面圆柱31、锥形杆32、圆柱杆33；复合变幅杆3为一体杆；同时，复合变幅杆3内开有通丝孔34，通丝孔34轴线与复合变幅杆3轴线重合。多个压电陶瓷片2套在后端小截面圆柱31上；后端小截面圆柱31、锥形杆32和圆柱杆33顺接相连；圆柱杆33上设有细缝331、直槽332；细缝331设于圆柱杆33一侧。圆柱杆33的圆柱面上设有直槽332，所述直槽332与细缝331位于圆柱杆33的同一侧，并以圆柱杆33横截面直径为对称轴沿圆柱杆33表面镜像对称分布。复合变幅杆3上设有拉丝模安装孔35；拉丝模安装孔35位于通丝孔34前端，并与通丝孔34同轴。细缝331用于降低超声波复合变幅杆的抗弯刚度，增强超声波复合振子的弯曲振动；直槽332用于阻碍纵向超声波在该侧的传播。通丝孔34沿复合变幅杆3的轴线方向水平贯穿。拉丝模安装孔35位于圆柱杆33前端，拉丝模安装孔35轴线与通丝孔34轴线重合。压电陶瓷片2之间插有电极片；压电陶瓷片2与后端盖螺母1之间插有电极片；压电陶瓷片2与锥形杆32的后端面之间插有电极片。每片压电陶瓷片2沿厚度方向极化；并且每相邻的两片压电陶瓷片2的极化极性相反。其中，压电陶瓷片2的形状、尺寸、材质和数量可根据实际需求进行调整。
同时，包括后端小截面圆柱31、锥形杆32、圆柱杆33的复合变幅杆3可加工为一体杆，其整体尺寸和各分部件的尺寸均可根据实际情况进行调整。并且在后端小截面圆柱31上设有螺纹段，螺纹段长与的厚度对应，以便后端小截面圆柱31和后端盖螺母1相连。
实施例1：
图1是本发明所述的非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子的剖视图；图2是本发明所述的非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子的几何示意图及压电陶瓷片极化方式示意图；图3是本发明所述的非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子的纵弯复合振动模态。结合图1至图3对本发明进行详细说明，该纵弯复合超声波拉丝振子包括后端盖螺母1、四个压电陶瓷片2、复合变幅杆3、前端压盖4；后端盖螺母1的后端面为超声拉丝模安装面11；本实施例中，安装面11、后端盖螺母1、四个压电陶瓷片2构成超声换能器，超声换能器通过后端盖螺母1与复合变幅杆3相连，构成四分之一波长的超声振子。其中，安装面11将振子固定在工作位置。复合变幅杆3包括后端小截面圆柱31、锥形杆32、圆柱杆33、通丝孔34和拉丝模安装孔35；四个压电陶瓷片2均依次并排套在后端小截面圆柱31上；后端小截面圆柱31、锥形杆32和圆柱杆33依次顺接相连，圆柱杆33上设有细缝331、直槽332。通丝孔34沿复合变幅杆3的轴线方向水平贯穿。圆柱杆33上设有细缝331，细缝331设于圆柱杆33表面，细缝331与圆柱杆33的轴向方向垂直；圆柱杆33的圆柱面上设有三个直槽332，三个直槽332与细缝331位于圆柱杆33的同一侧，并以圆柱杆33横截面直径为对称轴沿圆柱杆33表面镜像对称分布。其中，直槽332位于细缝331的前端，细缝331沿圆柱杆33表面曲面方向延展的长度大于三个直槽332沿圆柱杆33表面曲面方向分布的总长度。复合变幅杆3上设有拉丝模安装孔35；拉丝模安装孔35位于通丝孔34前端，并与通丝孔34同轴。拉丝模安装孔35位于圆柱杆33前端，拉丝模安装孔35轴线与通丝孔34轴线重合。压电陶瓷片2之间插有电极片；压电陶瓷片2与后端盖螺母1之间插有电极片；压电陶瓷片2与锥形杆32的后端面之间插有电极片。每片压电陶瓷片2沿厚度方向极化；并且四片压电陶瓷片3前端面的极性从后端到前端依次为正、负、正、负。其中，四片压电陶瓷片2为圆片结构。
同时，包括后端小截面圆柱31、锥形杆32、圆柱杆33的复合变幅杆3为一体杆。并且在后端小截面圆柱31上设有螺纹段，螺纹段长与的厚度对应，以便后端小截面圆柱31和后端盖螺母1相连。
实施例2
本实施案例与实施案例1不同之处在于，细缝331设于直槽332中，并横跨直槽332，具体结构如图4所示。其余结构与实施例1相同。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.非对称结构式纵弯复合振动的超声波拉丝振子，其特征在于，所述超声波拉丝振子包括后端盖螺母(1)、压电陶瓷片(2)、复合变幅杆(3)、前端压盖(4)；所述后端盖螺母(1)后端面为超声振子安装面(11)；所述后端盖螺母(1)与复合变幅杆(3)后端相连；所述前端压盖(4)与复合变幅杆(3)前端相连；所述复合变幅杆(3)包括后端小截面圆柱(31)、锥形杆(32)、圆柱杆(33)、通丝孔(34)，拉丝模安装孔(35)；所述压电陶瓷片(2)套在后端小截面圆柱(31)上；所述后端小截面圆柱(31)、锥形杆(32)和圆柱杆(33)依次顺接相连；所述圆柱杆(33)上设有细缝(331)、直槽(332)。
2.根据权利要求1所述超声波拉丝振子，其特征在于，所述压电陶瓷片(2)之间插有电极片；所述压电陶瓷片(2)与后端盖螺母(1)之间插有电极片；所述压电陶瓷片(2)与锥形杆(32)的后端面之间插有电极片。
3.根据权利要求1所述超声波拉丝振子，其特征在于，所述压电陶瓷片(2)沿厚度方向极化；所述压电陶瓷片(2)中每相邻的两片压电陶瓷片(2)的极化极性相反。
4.根据权利要求3所述超声波拉丝振子，其特征在于，所述压电陶瓷片(2)的数量为四片。
5.根据权利要求1所述超声波拉丝振子，其特征在于，所述复合变幅杆(3)为一体杆；所述复合变幅杆(3)内开有通丝孔(34)，通丝孔(34)轴线与复合变幅杆(3)轴线重合。
6.根据权利要求1所述超声波拉丝振子，其特征在于，所述后端小截面圆柱(31)上设有螺纹段；所述螺纹段长与后端盖螺母(1)的厚度对应。
7.根据权利要求1所述超声波拉丝振子，其特征在于，所述圆柱杆(33)的圆柱面上设有细缝(331)。
8.根据权利要求1所述超声波拉丝振子，其特征在于，所述圆柱杆(33)的圆柱面上设有直槽(332)，所述直槽(332)与细缝(331)位于圆柱杆(33)的同一侧，并以圆柱杆(33)横截面直径为对称轴沿圆柱杆(33)表面镜像对称分布。
9.根据权利要求1所述超声波拉丝振子，其特征在于，所述复合变幅杆(3)上设有拉丝模安装孔(35)；所述拉丝模安装孔(35)位于通丝孔(34)前端，并与通丝孔(34)同轴。
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