輸出端軸向開孔的圓錐形超聲縱振動(dòng)變幅桿的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械振動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到超聲換能器的超聲變幅桿。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲變幅桿可廣泛地應(yīng)用于化工、石油、清洗、機(jī)械加工、食品、醫(yī)藥、汽車、儀器儀 表、紡織、機(jī)械加工（如車削、打孔、研磨、塑料焊接、金屬焊接）等領(lǐng)域中。它是超聲振動(dòng)系 統(tǒng)中一個(gè)重要組件，與超聲換能器相連接，主要作用是把超聲換能器輸出的機(jī)械振動(dòng)的質(zhì) 點(diǎn)位移或速度進(jìn)行放大，并將超聲能量集中在變幅桿輸出端的面積上即起著聚能的作用， 也稱變速桿或聚能器。通常超聲換能器輸出端的振幅較小，只有幾微米，超聲變幅桿能把振 幅放大到超聲處理或超聲加工所需要幾十甚至幾百微米的振幅上。因此，超聲變幅桿對(duì)提 高超聲振動(dòng)系統(tǒng)的工作效率，延長換能器的使用壽命有著重要的意義。
[0003] 為了放大質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移或速度，一般是變幅桿的輸入端與換能器輸出端相連 接，變幅桿輸入端的面積較大、輸出端的面積較小，這樣可將超聲能量集中在較小的輸出端 面積上，從而實(shí)現(xiàn)聚能的作用，如懸鏈線形、指數(shù)形、圓錐形、高斯形等傳統(tǒng)的變截面變幅 桿，其輸入端面積大，輸出端面積小。為了提高超聲處理和超聲加工的效率，實(shí)際應(yīng)用中，超 聲塑料焊接、超聲金屬焊接、超聲打孔等，在換能器的輸入電功率不變的情況下，變幅桿放 大系數(shù)越大，則工作時(shí)間越短，工作效率也越高。在振動(dòng)系統(tǒng)中，若采用一個(gè)變幅桿沒有達(dá) 到工作所要求的振動(dòng)幅度，則通常采用多個(gè)變幅桿級(jí)聯(lián)起來。
[0004] 功率超聲振動(dòng)系統(tǒng)中的變幅桿主要起著放大振幅作用，以便進(jìn)行超聲加工和超聲 處理。為了提高超聲處理和超聲加工的效率，實(shí)際應(yīng)用中，例如超聲塑料焊接、超聲金屬焊 接、超聲打孔等，在換能器的輸入電功率不變的情況下，變幅桿放大系數(shù)越大，則工作時(shí)間 越短，工作效率也越高。傳統(tǒng)的變截面實(shí)心體變幅桿的振幅放大系數(shù)有限，對(duì)大振幅的功率 超聲應(yīng)用，往往不能滿足要求。解決的方法第一種是將多級(jí)變幅桿級(jí)聯(lián)在一起，第二種是加 大換能器的輸入電功率，第一種方法會(huì)增大成本，第二種方法會(huì)減短換能器的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述裝置的缺點(diǎn)，提供一種設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu) 簡單、振幅放大系數(shù)大的輸出端軸向開孔的圓錐形超聲縱振動(dòng)變幅桿。
[0006] 解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：在變幅桿的中心線軸向小端內(nèi)側(cè)加工有 矩形通孔，矩形通孔的外孔壁與小端之間的距離t為2_~0. 18變幅桿長度L，該變幅桿的 幾何形狀是兩端面為垂直于中心線的平行平面、側(cè)面為圓臺(tái)旋轉(zhuǎn)曲面的棒狀體。
[0007] 本發(fā)明的圓臺(tái)旋轉(zhuǎn)曲面為：以直角坐標(biāo)系中的曲線
[0008] y = D(l-a X)，其中 α = LJL·
[0009] 為母線、X軸為旋轉(zhuǎn)軸形成的旋轉(zhuǎn)曲面，0 < X <變幅桿長度L，式中y為坐標(biāo)X截 面處的半徑，D為變幅桿的大端直徑，d為變幅桿的小端直徑。
[0010] 本發(fā)明的變幅桿的大端直徑D為變幅桿長度L的0. 15~0. 4倍，小端直徑d至少 比大端直徑D小于2_。
[0011] 本發(fā)明的矩形通孔的長度b為變幅桿長度L的0. 15~0. 6倍、寬度a為變幅桿小 端直徑d的0. 3~0. 8倍。
[0012] 本發(fā)明的變幅桿長度L為40~200mm。
[0013] 由于本發(fā)明采用在圓錐變幅桿的中心線軸向距離輸出端的一定距離處加工有一 個(gè)矩形通孔，在縱振動(dòng)諧振頻率處工作，輸出端除了有變幅桿的縱振動(dòng)外，還會(huì)激勵(lì)有彎曲 振動(dòng)的分量?？v振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的分量的疊加，開孔圓錐變幅桿的振幅放大系數(shù)比相同形 狀相同材料制作的實(shí)心圓錐變幅桿的振幅放大系數(shù)提高2. 5~6. 8倍，大大提高了工作效 率。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
[0016] 在圖1中，本發(fā)明的輸出端軸向開孔的圓錐形超聲縱振動(dòng)變幅桿由變幅桿1構(gòu)成。 本實(shí)例變幅桿1的兩端面為垂直于中心線的平行平面、側(cè)面為圓臺(tái)旋轉(zhuǎn)曲面的棒狀體，側(cè) 面的幾何形狀是以直角坐標(biāo)系中的曲線
[0017] y = D(l_a X)，其中 α =
[0018] 為母線、X軸為旋轉(zhuǎn)軸形成的旋轉(zhuǎn)曲面，0 < X <變幅桿長度L，式中y為坐標(biāo)X截 面處的半徑，D為變幅桿1的大端直徑，在使用時(shí)，變幅桿1的大端與超聲換能器相聯(lián)，d為 變幅桿1的小端直徑，變幅桿1的小端為輸出端。本實(shí)施例變幅桿長度L為120mm，變幅桿 1的大端直徑D為36mm、小端直徑d為20mm，大端直徑D為變幅桿長度L的0· 3倍。根據(jù) 實(shí)際情況，小端直徑d可在小于大端直徑D的2_范圍內(nèi)取值。制作變幅桿1的材料為45 #鋼材。在變幅桿1的中心線軸向距離小端t為12mm處加工有矩形通孔，矩形通孔的外孔 壁與輸出端之間的距離t為0· 10變幅桿長度L，矩形通孔的長度b為26mm、寬度a為10mm， 矩形通孔的長度b為變幅桿長度L的0. 3倍，矩形通孔的寬度a為變幅桿小端直徑d的0. 5 倍。這種結(jié)構(gòu)的輸出端軸向開孔的圓錐形超聲縱振動(dòng)變幅桿與實(shí)心體圓錐形超聲縱振動(dòng) 變幅桿相比，采用ANSYS有限元軟件計(jì)算得到，實(shí)心體圓錐形超聲縱振動(dòng)變幅桿的縱振動(dòng) 頻率為22. 5kHz、放大系數(shù)為1. 8,本實(shí)施例的縱振動(dòng)頻率為23. 0kHz、小端彎曲振動(dòng)頻率為 32. 5kHz、放大系數(shù)為6.0。
[0019] 這種結(jié)構(gòu)的輸出端軸向開孔的圓錐形超聲縱振動(dòng)變幅桿，在縱振動(dòng)諧振頻率處工 作，輸出端除了有變幅桿的縱振動(dòng)外，還會(huì)激勵(lì)有彎曲振動(dòng)的分量?？v振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的 分量的疊加，本實(shí)施例的振幅放大系數(shù)比實(shí)心體圓錐形超聲縱振動(dòng)變幅桿的放大系數(shù)提高 2. 5~6. 8倍，大大提高了工作效率。
[0020] 實(shí)施例2
[0021] 本實(shí)例變幅桿1的兩端面為垂直于中心線的平行平面、側(cè)面為圓臺(tái)旋轉(zhuǎn)曲面的棒 狀體，側(cè)面的幾何形狀是以直角坐標(biāo)系中的曲線
[0022] y = D(l_a X)，其中a = DL
[0023] 為