一種齒輪鍛造加工用裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種齒輪鍛造加工用裝置，包括預(yù)鍛模組件和精鍛模組件；精鍛模組件包括精鍛凹模、精鍛齒模、精鍛凹模應(yīng)力圈、精鍛齒模應(yīng)力圈；所述精鍛齒模中心設(shè)置通孔，通孔內(nèi)裝有精鍛頂沖，兩者構(gòu)成滑動(dòng)配合；所述的精鍛凹模上設(shè)置與待加工油槽形狀、位置吻合的凸起；凸起有多個(gè)，并由精鍛凹模中心均勻向外發(fā)散；所述的凸起設(shè)有三個(gè)。本發(fā)明的加工裝置也就是加工用的成套模具。利用預(yù)鍛模組件將圓柱坯料初步加工形狀，然后精鍛模組件精整外形；通過(guò)精鍛凹模上設(shè)置的凸起可以在齒輪球面位置鍛造出油槽。無(wú)需單獨(dú)進(jìn)行機(jī)加工，效率顯著提高，成本也明顯降低。
【專利說(shuō)明】
一種齒輪鍛造加工用裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械領(lǐng)域，具體涉及的是一種齒輪鍛造加工用裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 較精密的機(jī)械齒輪組件，一般都采用鍛造方式來(lái)進(jìn)行制作。其操作過(guò)程為，使用鍛 造加工機(jī)進(jìn)行鍛壓，將工件放置在鍛模內(nèi)，通過(guò)鍛造加工機(jī)的鍛錘來(lái)進(jìn)行鍛壓。而鍛壓過(guò)程 中鍛壓模具由于熱傳導(dǎo)性，使得其本身處于高溫狀態(tài)中，在一次鍛壓完畢后進(jìn)行冷卻，然后 進(jìn)行切割使之符合精度要求，相關(guān)技術(shù)中會(huì)使用超聲波旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)進(jìn)行切割，但是應(yīng)用 在旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置的變幅桿容易因?yàn)閼?yīng)力集中而發(fā)生斷裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種齒輪鍛造加工用裝置，解決變幅桿容易 因?yàn)閼?yīng)力集中而發(fā)生斷裂的技術(shù)問(wèn)題。
[0004] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種齒輪鍛造加工用裝置，包括 框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器，所述 變幅桿包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述 下端部分直接連接工具頭，所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計(jì)算：

其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x) 為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部分的半徑，PQ為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積， Pi為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，下端部分的長(zhǎng)度根據(jù)下列公式計(jì)算：
[0005] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)，偶 數(shù)個(gè)所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反。根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定換能器的共振頻率后通過(guò)下列公式得到換能器的幾何 尺寸：
[0006] (1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個(gè)電路劃分為三個(gè)部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負(fù)載阻抗，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定；
[0007] (2)所述換能器的振動(dòng)頻率方程為
[0008]
[0009]前金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為
&，后金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為
$能器的機(jī)械阻抗戈
。
[0010] 其中
，Zf = P2C2S2， k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0011] (3)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機(jī)械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為IZiliO;若考慮機(jī)械損耗，輸入電阻 抗為最小時(shí)，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方程計(jì)算得到 換能器的具體尺寸；
[0012] ⑷由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，g|]ZbL = ZfL = 0,當(dāng) 輸入電阻抗為無(wú)效大時(shí)，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當(dāng)輸入電阻抗為 無(wú)效大時(shí)，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方 程計(jì)算得到換能器的具體尺寸；
[0013] 所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上 彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述 下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。
[0014] 作為優(yōu)選，相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0·2mm〇
[0015] 作為優(yōu)選，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定換能器的共振頻率后通過(guò)下列公式得到換能器的幾 何尺寸：（1)首先對(duì)換能器的頻率方程進(jìn)行推導(dǎo):截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器 分成兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)的振子，即L f+h以及Lb+h均為振動(dòng)波長(zhǎng)的四分之一，每個(gè)四分之一 波長(zhǎng)的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶 瓷進(jìn)隊(duì)的長(zhǎng)度記為L(zhǎng) f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長(zhǎng)度記為L(zhǎng)b，若壓電 陶瓷晶堆由P個(gè)厚度為1的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠(yuǎn)小于厚度振動(dòng)的波長(zhǎng)。位 移波節(jié)前的四分之一波長(zhǎng)振子的共振方程為tan(k丄￡^&11(1?1 2)=2。/&，位移波節(jié)后的四 分之一波長(zhǎng)振子的共振方程為tanGO^tanU山）= Ζ。/^，其中，Z。是單個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)的 特性阻抗，ljPh分別是后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定共振頻率，并通過(guò)得 到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。
[0016] 作為優(yōu)選，所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向 設(shè)有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個(gè)可伸縮 結(jié)構(gòu)，并通過(guò)可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。
[0017] 本發(fā)明的有益效果:利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達(dá)到最大振幅，形狀因數(shù) ￥表達(dá)式如下：
[0018] 鏟奪 C
[0019] 其中，Α 為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機(jī)械阻抗。
[0020] 通過(guò)ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計(jì)算，所述變幅桿的A值為0.371 X 10_12m/ Pa，設(shè)計(jì)固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計(jì)算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 利用附圖對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但附圖中的實(shí)施例不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制， 對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其 它的附圖。
[0022] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖2是本發(fā)明換能器的等效電路圖。
[0024] 圖3是本發(fā)明的壓電陶瓷圓環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖4是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 附圖標(biāo)記:1、框架，2、旋轉(zhuǎn)變壓器，3、換能器，4、變幅桿，5、工具頭。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 結(jié)合以下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0028] 實(shí)施例一
[0029] 本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。
[0030] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最 大，但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部 分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接 工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計(jì)算：
其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部 分的半徑，Po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，Pi為下端部分與變截面部分連 接處的橫截面面積。
[0031 ]下端部分的長(zhǎng)度根據(jù)下列公式計(jì)算
[0032] 于變幅桿上增加變截面部分可有利卞將作用t節(jié)囬上W應(yīng)力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0033] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個(gè)所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時(shí)可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02- 0.2mm〇
[0034] 根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過(guò)下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0035] (1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個(gè)電路劃分為三個(gè)部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負(fù)載阻抗，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定；
[0036] (2)所述換能器的振動(dòng)頻率方程為
[0037]
[0038] 前金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為
·，后金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為
泛器的機(jī)械阻抗）
........ -
[0039] 其中
，.Zf = P2C2S2， k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0040] (3)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機(jī)械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Zi |=0;若考慮機(jī)械損耗，輸入電阻 抗為最小時(shí)，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方程計(jì)算得到 換能器的具體尺寸；
[0041] (4)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當(dāng) 輸入電阻抗為無(wú)效大時(shí)，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當(dāng)輸入電阻抗為 無(wú)效大時(shí)，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方 程計(jì)算得到換能器的具體尺寸。
[0042] 在本實(shí)施例中，如圖3所示，通過(guò)下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對(duì)換能器的 頻率方程進(jìn)行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)的振 子，即L f+12以及Lb+h均為振動(dòng)波長(zhǎng)的四分之一，每個(gè)四分之一波長(zhǎng)的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進(jìn)隊(duì)的長(zhǎng)度記為L(zhǎng) f，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長(zhǎng)度記為L(zhǎng)b，若壓電陶瓷晶堆由P個(gè)厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠(yuǎn)小于厚度振動(dòng)的波長(zhǎng)。位移波節(jié)前的四分之一波長(zhǎng) 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長(zhǎng)振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2()是單個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定共振頻率，并通過(guò)得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0043] 相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動(dòng)傳輸過(guò)程中有能量損失，且高頻振動(dòng)易造成螺紋疲勞失效。
[0044] 所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過(guò)上彈簧、連接件和下彈簧實(shí)現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時(shí)，向固定柱傳播的超聲振動(dòng)被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動(dòng)能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動(dòng) 損耗，最大化地將振動(dòng)能量傳輸至變幅桿。
[0045] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個(gè)可伸縮結(jié)構(gòu)，并通 過(guò)可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時(shí)，通過(guò)可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭 相對(duì)換能器上下運(yùn)動(dòng)，從而最大限度地保護(hù)并固定變幅桿的同時(shí)減少變幅桿振動(dòng)頻率的傳 遞，提尚振動(dòng)能量的利用率。
[0046] 在本實(shí)施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為17mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為12mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為35mm。
[0047]在本實(shí)施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0048]在本實(shí)施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為30mm，其長(zhǎng)度為12mm，下端部 分的端面直徑為15mm，其長(zhǎng)度為36mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結(jié)金剛砂磨料。
[0049] 利用形狀因數(shù)-比較所述變幅桿所能達(dá)到最大振幅，形狀因數(shù)-表達(dá)式如下：
[0050] ^ ? ApC,
[0051] 其中
€為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機(jī)械阻抗。
[0052] 通過(guò)ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計(jì)算，所述變幅桿的A值為0.371 X 10_12m/ Pa，設(shè)計(jì)固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計(jì)算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0053] 實(shí)施例二
[0054]本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。
[0055] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最 大，但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部 分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接 工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計(jì)算：
其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部 分的半徑，po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，Pi為下端部分與變截面部分連 接處的橫截面面積。
[0056] 下端部分的長(zhǎng)度根據(jù)下列公式計(jì)算
[0057] 于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0058] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個(gè)所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時(shí)可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm〇
[0059] 根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過(guò)下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0060] (1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個(gè)電路劃分為三個(gè)部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負(fù)載阻抗，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定；
[0061 ] (2)所述換能器的振動(dòng)頻率方程為
[0062]
[0063] 前金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗，后金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為
.WA .V Λ· N W-F.V ?V 及·、、·
培器的機(jī)械阻抗夕
[0064] 其中
，Zf = P2C2S2， k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0065] (3)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機(jī)械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Zi |=0;若考慮機(jī)械損耗，輸入電阻 抗為最小時(shí)，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方程計(jì)算得到 換能器的具體尺寸；
[0066] (4)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當(dāng) 輸入電阻抗為無(wú)效大時(shí)，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當(dāng)輸入電阻抗為 無(wú)效大時(shí)，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方 程計(jì)算得到換能器的具體尺寸。
[0067] 在本實(shí)施例中，如圖3所示，通過(guò)下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對(duì)換能器的 頻率方程進(jìn)行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)的振 子，即L f+12以及Lb+h均為振動(dòng)波長(zhǎng)的四分之一，每個(gè)四分之一波長(zhǎng)的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進(jìn)隊(duì)的長(zhǎng)度記為L(zhǎng) f，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長(zhǎng)度記為L(zhǎng)b，若壓電陶瓷晶堆由P個(gè)厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠(yuǎn)小于厚度振動(dòng)的波長(zhǎng)。位移波節(jié)前的四分之一波長(zhǎng) 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Zo/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長(zhǎng)振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2。是單個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定共振頻率，并通過(guò)得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0068] 相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動(dòng)傳輸過(guò)程中有能量損失，且高頻振動(dòng)易造成螺紋疲勞失效。
[0069] 所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過(guò)上彈簧、連接件和下彈簧實(shí)現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時(shí)，向固定柱傳播的超聲振動(dòng)被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動(dòng)能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動(dòng) 損耗，最大化地將振動(dòng)能量傳輸至變幅桿。
[0070] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個(gè)可伸縮結(jié)構(gòu)，并通 過(guò)可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時(shí)，通過(guò)可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭 相對(duì)換能器上下運(yùn)動(dòng)，從而最大限度地保護(hù)并固定變幅桿的同時(shí)減少變幅桿振動(dòng)頻率的傳 遞，提尚振動(dòng)能量的利用率。
[0071] 在本實(shí)施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為18mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為13mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為36mm。
[0072]在本實(shí)施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0073]在本實(shí)施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為32mm，其長(zhǎng)度為12mm，下端部 分的端面直徑為16mm，其長(zhǎng)度為37mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結(jié)金剛砂磨料。
[0074] 利用形狀因數(shù)變比較所述變幅桿所能達(dá)到最大振幅，形狀因數(shù)梁表達(dá)式如下：
[0075] 鏟
[0076] 其中
C為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機(jī)械阻抗。
[0077] 通過(guò)ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計(jì)算，所述變幅桿的A值為0.389 X 10_12m/ Pa，設(shè)計(jì)固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計(jì)算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0078] 實(shí)施例三
[0079] 本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。
[0080] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最 大，但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部 分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接 工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計(jì)算：
其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部 分的半徑，po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P:為下端部分與變截面部分連 接處的橫截面面積。
[0081 ]下端部分的長(zhǎng)度根據(jù)下列公式計(jì)_
[0082] 于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0083] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個(gè)所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時(shí)可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm〇
[0084] 根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過(guò)下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0085] (1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個(gè)電路劃分為三個(gè)部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負(fù)載阻抗，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定；
[0086] (2)所述換能器的振動(dòng)頻率方程為
[0087]
[0088] 前金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗戈
§金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為
含器的機(jī)械阻抗爻
[0089] 其中
，Zf = P2C2S2， k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0090] (3)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機(jī)械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Zi |=0;若考慮機(jī)械損耗，輸入電阻 抗為最小時(shí)，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方程計(jì)算得到 換能器的具體尺寸；
[0091] (4)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當(dāng) 輸入電阻抗為無(wú)效大時(shí)，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當(dāng)輸入電阻抗為 無(wú)效大時(shí)，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方 程計(jì)算得到換能器的具體尺寸。
[0092] 在本實(shí)施例中，如圖3所示，通過(guò)下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對(duì)換能器的 頻率方程進(jìn)行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)的振 子，即Lf+12以及Lb+h均為振動(dòng)波長(zhǎng)的四分之一，每個(gè)四分之一波長(zhǎng)的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進(jìn)隊(duì)的長(zhǎng)度記為L(zhǎng)f，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長(zhǎng)度記為L(zhǎng) b，若壓電陶瓷晶堆由P個(gè)厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有Lf+Lb = Pl且1遠(yuǎn)小于厚度振動(dòng)的波長(zhǎng)。位移波節(jié)前的四分之一波長(zhǎng) 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長(zhǎng)振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2。是單個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定共振頻率，并通過(guò)得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0093] 相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動(dòng)傳輸過(guò)程中有能量損失，且高頻振動(dòng)易造成螺紋疲勞失效。
[0094] 所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過(guò)上彈簧、連接件和下彈簧實(shí)現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時(shí)，向固定柱傳播的超聲振動(dòng)被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動(dòng)能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動(dòng) 損耗，最大化地將振動(dòng)能量傳輸至變幅桿。
[0095] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個(gè)可伸縮結(jié)構(gòu)，并通 過(guò)可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時(shí)，通過(guò)可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭 相對(duì)換能器上下運(yùn)動(dòng)，從而最大限度地保護(hù)并固定變幅桿的同時(shí)減少變幅桿振動(dòng)頻率的傳 遞，提尚振動(dòng)能量的利用率。
[0096] 在本實(shí)施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為16mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為11mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為32mm。
[0097]在本實(shí)施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0098]在本實(shí)施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為28mm，其長(zhǎng)度為10mm，下端部 分的端面直徑為13mm，其長(zhǎng)度為32mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結(jié)金剛砂磨料。
[0099] 利用形狀因數(shù)變比較所述變幅桿所能達(dá)到最大振幅，形狀因數(shù)警表達(dá)式如下：
[0100] p - .Jpc,
[0101] 其中
c為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機(jī)械阻抗。
[0102] 通過(guò)ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計(jì)算，所述變幅桿的A值為0.365 X 10_12m/ Pa，設(shè)計(jì)固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計(jì)算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0103] 實(shí)施例四
[0104] 本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。
[0105] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最 大，但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部 分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接 工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計(jì)算：
其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部 分的半徑，Po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，Pi為下端部分與變截面部分連 接處的橫截面面積。
[0106] 下端部分的長(zhǎng)度根據(jù)下列公式計(jì)算
[0107] 于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0108] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個(gè)所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時(shí)可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm〇
[0109] 根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過(guò)下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0110] (1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個(gè)電路劃分為三個(gè)部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，ZbL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負(fù)載阻抗，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定； (2)所述換能器的振動(dòng)頻率方程為
[0112]
[0113] 前金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為
屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為
撂的機(jī)械阻抗爻
[0114] 其中，
，.Zf = P2C2S2， k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0115] (3)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機(jī)械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為IZiliO;若考慮機(jī)械損耗，輸入電阻 抗為最小時(shí)，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方程計(jì)算得到 換能器的具體尺寸；
[0116] (4)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當(dāng) 輸入電阻抗為無(wú)效大時(shí)，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m ;當(dāng)輸入電阻抗為 無(wú)效大時(shí)，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方 程計(jì)算得到換能器的具體尺寸。
[0117] 在本實(shí)施例中，如圖3所示，通過(guò)下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對(duì)換能器的 頻率方程進(jìn)行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)的振 子，即L f+12以及Lb+h均為振動(dòng)波長(zhǎng)的四分之一，每個(gè)四分之一波長(zhǎng)的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進(jìn)隊(duì)的長(zhǎng)度記為L(zhǎng) f，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長(zhǎng)度記為L(zhǎng)b，若壓電陶瓷晶堆由P個(gè)厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠(yuǎn)小于厚度振動(dòng)的波長(zhǎng)。位移波節(jié)前的四分之一波長(zhǎng) 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長(zhǎng)振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2。是單個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定共振頻率，并通過(guò)得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0118] 相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動(dòng)傳輸過(guò)程中有能量損失，且高頻振動(dòng)易造成螺紋疲勞失效。 [0119]所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過(guò)上彈簧、連接件和下彈簧實(shí)現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時(shí)，向固定柱傳播的超聲振動(dòng)被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動(dòng)能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動(dòng) 損耗，最大化地將振動(dòng)能量傳輸至變幅桿。
[0120] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個(gè)可伸縮結(jié)構(gòu)，并通 過(guò)可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時(shí)，通過(guò)可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭 相對(duì)換能器上下運(yùn)動(dòng)，從而最大限度地保護(hù)并固定變幅桿的同時(shí)減少變幅桿振動(dòng)頻率的傳 遞，提尚振動(dòng)能量的利用率。
[0121] 在本實(shí)施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為20mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為15mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為39mm。
[0122] 在本實(shí)施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0123] 在本實(shí)施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為25mm，其長(zhǎng)度為10mm，下端部 分的端面直徑為l〇mm，其長(zhǎng)度為30mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結(jié)金剛砂磨料。
[0124] 利用形狀因數(shù)#比較所述變幅桿所能達(dá)到最大振幅，形狀因數(shù)#表達(dá)式如下：
[0125] ^
[0126]其中，A _=f^，pC為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機(jī)械阻抗。
[0127] 通過(guò)ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計(jì)算，所述變幅桿的A值為0.326 X 10_12m/ Pa，設(shè)計(jì)固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計(jì)算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0128] 實(shí)施例五
[0129] 本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。
[0130] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最 大，但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部 分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接 工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計(jì)算：
其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部 分的半徑，Po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，Pi為下端部分與變截面部分連 接處的橫截面面積。
[0131] 下端部分的長(zhǎng)度根據(jù)下列公式計(jì)算
[0132] 于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0133] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個(gè)所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時(shí)可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm〇
[0134] 根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過(guò)下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0135] (1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個(gè)電路劃分為三個(gè)部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負(fù)載阻抗，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定；
[0136] (2)所述換能器的振動(dòng)頻率方程為
[0137]
[0138] 前金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為
，后金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為
器的機(jī)械阻抗：
[0139] 其中
Zf = P2C2S2 ? k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0140] (3)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機(jī)械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為IZiliO;若考慮機(jī)械損耗，輸入電阻 抗為最小時(shí)，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方程計(jì)算得到 換能器的具體尺寸；
[0141] (4)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當(dāng) 輸入電阻抗為無(wú)效大時(shí)，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當(dāng)輸入電阻抗為 無(wú)效大時(shí)，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方 程計(jì)算得到換能器的具體尺寸。
[0142] 在本實(shí)施例中，如圖3所示，通過(guò)下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對(duì)換能器的 頻率方程進(jìn)行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)的振 子，即L f+12以及Lb+h均為振動(dòng)波長(zhǎng)的四分之一，每個(gè)四分之一波長(zhǎng)的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進(jìn)隊(duì)的長(zhǎng)度記為L(zhǎng) f，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長(zhǎng)度記為L(zhǎng)b，若壓電陶瓷晶堆由P個(gè)厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = pl且1遠(yuǎn)小于厚度振動(dòng)的波長(zhǎng)。位移波節(jié)前的四分之一波長(zhǎng) 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長(zhǎng)振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2。是單個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定共振頻率，并通過(guò)得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0143] 相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動(dòng)傳輸過(guò)程中有能量損失，且高頻振動(dòng)易造成螺紋疲勞失效。
[0144] 所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過(guò)上彈簧、連接件和下彈簧實(shí)現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時(shí)，向固定柱傳播的超聲振動(dòng)被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動(dòng)能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動(dòng) 損耗，最大化地將振動(dòng)能量傳輸至變幅桿。
[0145] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個(gè)可伸縮結(jié)構(gòu)，并通 過(guò)可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時(shí)，通過(guò)可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭 相對(duì)換能器上下運(yùn)動(dòng)，從而最大限度地保護(hù)并固定變幅桿的同時(shí)減少變幅桿振動(dòng)頻率的傳 遞，提尚振動(dòng)能量的利用率。
[0146] 在本實(shí)施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為17mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為12mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為35mm。
[0147] 在本實(shí)施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0148] 在本實(shí)施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為40mm，其長(zhǎng)度為25mm，下端部 分的端面直徑為21mm，其長(zhǎng)度為40mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結(jié)金剛砂磨料。
[0149] 利用形狀因數(shù)變比較所述變幅桿所能達(dá)到最大振幅，形狀因數(shù)譽(yù)達(dá)式如下：
[0150] 穸二為〇€，
[0151 ]其中，i 為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機(jī)械阻抗。
[0152] 通過(guò)ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計(jì)算，所述變幅桿的A值為0.402 X 10_12m/ Pa，設(shè)計(jì)固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計(jì)算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0153] 最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)本發(fā)明保 護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)地說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng) 當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí) 質(zhì)和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，包括預(yù)鍛模組件和精鍛模組件;精鍛模組件 包括用于鍛造行星齒輪球面的精鍛凹模，和用于鍛造行星齒輪齒形的精鍛齒模;精鍛凹模 外側(cè)套設(shè)精鍛凹模應(yīng)力圈，兩者過(guò)盈配合;精鍛齒模外側(cè)套設(shè)精鍛齒模應(yīng)力圈，兩者構(gòu)成過(guò) 盈配合;所述精鍛齒模中心設(shè)置通孔，通孔內(nèi)裝有精鍛頂沖，兩者構(gòu)成滑動(dòng)配合;所述的精 鍛凹模上設(shè)置與待加工油槽形狀、位置吻合的凸起;凸起有多個(gè)，并由精鍛凹模(21)中心均 勻向外發(fā)散。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，預(yù)鍛模組件包括用于 鍛造行星齒輪球面的預(yù)鍛凹模，和用于鍛造行星齒輪齒形的預(yù)鍛齒模;預(yù)鍛凹模外側(cè)套設(shè) 預(yù)鍛凹模應(yīng)力圈，兩者過(guò)盈配合;預(yù)鍛齒模外側(cè)套設(shè)預(yù)鍛齒模應(yīng)力圈，兩者構(gòu)成過(guò)盈配合； 所述預(yù)鍛齒模中心設(shè)置通孔，通孔內(nèi)裝有預(yù)鍛頂沖，兩者構(gòu)成滑動(dòng)配合。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，所述的兩凹模與對(duì)應(yīng) 的凹模應(yīng)力圈的接觸面呈頂部朝下的圓錐面;所述兩齒模與對(duì)應(yīng)的齒模應(yīng)力圈的接觸面呈 頂部朝上的圓錐面;所述兩凹模應(yīng)力圈外側(cè)面上部分別設(shè)置上凸沿，所述兩齒模應(yīng)力圈的 外側(cè)面下部分別設(shè)置下凸沿。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓 器、換能器、變幅桿和工具頭;所述換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器，所述變幅桿包括上 端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接 連接工具頭，所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計(jì)算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do 為上端部分的半徑，Po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，朽為下端部分與變截 面部分連接處的橫截面面積，下端部分的長(zhǎng)度根據(jù)下列公式計(jì)算：％所述換能 器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)，偶數(shù)個(gè)所述壓電陶瓷 圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相反； 根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定換能器的共振頻率后通過(guò)下列公式得到換能器的幾何尺寸： (1) 所述換能器的等效電路圖，虛線將整個(gè)電路劃分為三個(gè)部分，分別為前蓋板等效電 路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能器后、前兩端的負(fù) 載阻抗，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定； (2) 所述換能器的振動(dòng)頻率方程為前金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為后金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為.'V ，，'V ·.>'_能器的機(jī)械阻抗^其中，Zf = P2C2S2，k2 = w/c2，C2是前金屬蓋板中的聲速，Ρ2、Ε2、σ2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)， h和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積； (3) 由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若忽略機(jī) 械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Zi 1=0;若考慮機(jī)械損耗，輸入電阻抗為最 小時(shí)，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi | _，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方程計(jì)算得到換能器 的具體尺寸； (4) 由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0，當(dāng)輸入電 阻抗為無(wú)效大時(shí)，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當(dāng)輸入電阻抗為無(wú)效大 時(shí)，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Zi| = IZikx，通過(guò)換能器的振動(dòng)頻率方程計(jì)算 得到換能器的具體尺寸； 所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和固定 法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定 柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端 蓋的下方，所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈 簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下 彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，相鄰兩個(gè)壓電陶瓷圓 環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定換 能器的共振頻率后通過(guò)下列公式得到換能器的幾何尺寸：（1)首先對(duì)換能器的頻率方程進(jìn) 行推導(dǎo):截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)的振子，即L f+h以 及Lb+h均為振動(dòng)波長(zhǎng)的四分之一，每個(gè)四分之一波長(zhǎng)的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋 板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進(jìn)隊(duì)的長(zhǎng)度記為L(zhǎng) f，位移節(jié)面后與后金 屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長(zhǎng)度記為U，若壓電陶瓷晶堆由P個(gè)厚度為1的壓電陶瓷圓環(huán) 組成，則有L f+Lb = Pl且1遠(yuǎn)小于厚度振動(dòng)的波長(zhǎng)。位移波節(jié)前的四分之一波長(zhǎng)振子的共振方 程為1&11(1^# &11(1?12)=2。/^，位移波節(jié)后的四分之一波長(zhǎng)振子的共振方程為七&11(10^) tan(k山）=Ζ。/^，其中，Z〇是單個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，ljPl2分別是后、前金屬蓋板 的厚度；（2)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定共振頻率，并通過(guò)得到的共振頻率方程得到換能器具體尺 寸。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，所述固定法蘭的中心 軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠 圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個(gè)可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過(guò)可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端 蓋。
【文檔編號(hào)】B06B1/06GK105945203SQ201610551366
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年7月11日
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請(qǐng)人】楊林