一种提高非金属材质超声波工具头的抗疲劳强度的方法与流程

本产品涉及超声波设备制造技术，尤其涉及一种通过施加预应力提高低抗拉强度非金属材质超声波工具头在超声波纵向振动条件下的抗疲劳强度的方法。

背景技术：

超声波工具头是超声波设备的重要组成部件，其作用是将超声波的振动能量传递到作用对象中去。目前应用最广泛的是采用纵向振动作为振动方式的超声波设备(以下称为“超声波设备”)。一般来说，这样的超声波设备是类似于长棒型的结构，其中超声波振动核心部件主要由换能器、变幅杆、工具头等组成。根据超声波设备的设计特点，工具头负责向作用对象或介质中发射超声波，因此，工具头往往也是整套超声波设备中振幅最大的部件，其所承受的振动应力集中，极容易造成疲劳断裂。

以纵向振动频率为20khz的工具头来说，在其应力最大处，一般需要承受几十到上百兆帕的纵向交变应力，且这样的应力一秒钟变化20000次。在这样高应力和高频率的极限条件下，就极易导致超声波工具头疲劳断裂。所以在大功率超声波的应用领域，通常选择金属材料为超声波工具头的主要材料。常用的如合金钢、铝合金、不锈钢、钛合金等。由于金属具有较好的抗拉强度和弹性性，在超声波纵向振动过程中，不易造成断裂，可以承受较大的超声波振幅，从而发射较大的超声波功率。

但在腐蚀性的环境下或者是不允许有金属材料的环境下，就不得不采用非金属材料制作超声波工具头。众所周知，绝大部分非金属材料(特别是高强度的陶瓷材料)的抗拉强度是很低的，非金属材料的高强度只是指单方向的抗压强度而非抗拉强度。这样的超声波工具头只能够以较小的超声波振幅振动，发射较小的超声波功率。如果要提高振幅(功率)，工具头将会因为超过非金属材料的疲劳极限和抗拉极限而断裂。

于是，就存在这样的应用场景需求和设备材质之间的无法匹配的情况：如果满足了超声波发射功率的要求，就不能够满足现场环境对非金属工具头的应用要求；如果采用了非金属工具头，就不能够满足超声波发射功率的要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种提高非金属材质超声波工具头的抗疲劳强度的方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种提高非金属材质超声波工具头的抗疲劳强度的方法，是以非金属材料加工成具有中空腔体的工具头主体，沿其长度方向在中空腔体的内部套装一根预应力螺杆，并使预应力螺杆从工具头主体的两端向其施加轴向预应力；工具头主体的长度方向与超声波振动输出方向保持一致。

本发明中，所述工具头主体为圆柱体，预应力螺杆施加在工具头主体上的轴向预应力是其最大承受拉应力的1.5～3倍；

工具头的最大承受拉应力按以下公式计算获得：

式中，f表示工具头的最大承受拉应力；a表示预应力螺杆的截面积，p表示预应力螺杆的密度，c表示预应力螺杆的纵向振动声速，f表示工具头的振动频率，ξ表示工具头的振幅，g表示重力加速度。

本发明中，所述工具头主体为除圆柱体以外的规则或不规则柱体，预应力螺杆施加在工具头主体上的轴向预应力是其最大承受拉应力的1.5～3倍；所述最大承受拉应力是利用有限元分析软件进行有限元分析，得出具体的最大的振动应力。

本发明中，在垂直于预应力螺杆的方向上，工具头主体的截面呈圆形、椭圆形、矩形、棱形。

本发明中，在垂直于预应力螺杆的方向上，不同位置的工具头主体截面面积是不相同的。

本发明中，所述非金属材料是玻璃或陶瓷。

本发明中，是以所述工具头主体和预应力螺杆构建超声波工具头；超声波工具头包括连接端和辐射端，连接端用于连接变幅杆或换能器，辐射端用于对外传递超声波振动能量；所述预应力螺杆的两端设有螺纹，且具有以下任意一种连接方式：

(1)所述连接端和辐射端均为独立部件，分别装于工具头主体两端，各设有螺孔；工具头主体中空腔体的两端均贯通，预应力螺杆穿过中空腔体并分别螺接至连接端和辐射端；连接端还具有另一个反向的螺孔，用于安装螺栓以连接变幅杆或换能器；

(2)所述连接端是独立部件，其两个相对侧面上各设有一个螺孔，其中一个螺孔用于安装螺栓以连接变幅杆或换能器；工具头主体中空腔体的一端是贯通的，并以封闭端部作为辐射端，在辐射端的内壁设有螺纹以形成类螺孔结构；预应力螺杆的一端螺接至连接端，另一端螺接至辐射端；

(3)所述辐射端是独立部件，设有一个螺孔；工具头主体中空腔体的一端是贯通的，并以封闭端部作为连接端；在连接端的内壁设有螺纹以形成类螺孔结构，在其外端设有螺孔用于安装螺栓以连接变幅杆或换能器；预应力螺杆的一端螺接至连接端，另一端螺接至辐射端；

(4)所述工具头主体中空腔体的一端是贯通的，以其开口端部作为连接端；以中空腔体的封闭端部作为辐射端，在辐射端的内壁设有螺纹以形成类螺孔结构；预应力螺杆的一端螺接至辐射端，另一端穿过连接端直接与变幅杆或换能器相连。

本发明中，是以所述工具头主体和预应力螺杆构建超声波工具头；超声波工具头包括连接端和辐射端，连接端用于连接变幅杆或换能器，辐射端用于对外传递超声波振动能量；所述预应力螺杆的一端是t形卡口结构另一端设有螺纹，且具有以下任意一种连接方式：

(1)所述工具头主体中空腔体为贯通结构，预应力螺杆穿过中空腔体后以其端部螺纹连接变幅杆或换能器；所述t形卡口结构卡装在中空腔体外侧，并以其作为辐射端；

(2)所述连接端是独立部件，其两个相对侧面上各设有一个螺孔，其中一个螺孔用于安装螺栓以连接变幅杆或换能器；预应力螺杆穿过中空腔体后以其端部螺纹连接至连接端，t形卡口结构卡装在中空腔体外侧，并以其作为辐射端。

本发明中，预应力螺杆与工具头主体中空腔体的内壁之间为间隙配合。

本发明中，所述辐射端的外侧设置螺孔结构，用于连接第二套超声波工具头；在第二套超声波工具头的辐射端的外侧设置螺孔结构，用于连接第三套超声波工具头；以此类推，组成多倍长度的超声波工具头。

发明原理描述：

本发明对工具头进行原创性的结构性改进，能够通过对超声波工具头进行预应力的施加，使得在超声波工具头没有振动的时候就已经提前施加了压缩的预应力。

众所周知，超声波振动是一种形变振动，超声波工具头作为超声波系统的超声波的输出端，是整个超声波系统中承受振幅和应变最大的部件，同时也是最容易因为疲劳应力断裂的部件。工具头在振动时是一种简谐振动，既有压应力，也存在拉应力。而当拉应力超过材料的疲劳极限时，工具头就会断裂。对于一般的金属材料，如合金钢、铝合金、钛合金等，都存在一定的疲劳应力极限。以钛合金为例，直径16mm的钛合金棒，在20khz的频率下振动，可承受的疲劳振幅极限约为150-200μm。

因为以上的限制，使得超声波工具头在部分需要高振幅输出的工作条件下无法满足要求，究其根本是因为拉应力的疲劳极限问题。而工具头的压应力疲劳极限往往是拉应力的十几倍，因此可以利用这个特点设计一种工具头，对工具头预先施加一个压应力，该压应力使得工具头在没有振动的状态下已经处于压缩状态。而当超声波工具头振动时，该预先施加的压应力会抵消一部分的拉应力，使得超声波工具头最终承受的拉应力可以达到材料的极限拉应力+预先施加的压应力，从而大大提高工具头的疲劳振动极限，可以输出更大的振幅，更稳定的进行输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明可以极大提高非金属材质工具头的疲劳振动极限，使工具头可以输出更大的振幅，更稳定的进行输出。

2、本发明中的工具头可以使用多种材质，例如其连接端、工具头主体、辐射端、和预应力螺杆均可以采用包括金属、硬脆材料(如玻璃，陶瓷等)、碳纤维等材质制成。因而，本发明的工具头具有更广泛的应用场景。

附图说明

图1-6分别为实施例1-6中利用本发明方法制造的超声波工具头的结构示意图。

附图标记说明：连接端1；工具头主体2；辐射端3；预应力螺杆4；变幅杆连接螺孔11；预应力螺杆连接螺孔12；预应力螺杆螺孔31。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。

本发明所述提高非金属材质超声波工具头的抗疲劳强度的方法，是以非金属材料(如玻璃或陶瓷)加工成具有中空腔体的工具头主体，沿其长度方向在中空腔体的内部套装一根预应力螺杆，并使预应力螺杆从工具头主体的两端向其施加轴向预应力；工具头主体的长度方向与超声波振动输出方向保持一致。

用于加工工具头主体的非金属材料是玻璃或陶瓷。在垂直于预应力螺杆的方向上，工具头主体的截面呈圆形、椭圆形、矩形、棱形；或者，不同位置的工具头主体截面面积是不相同的。

以标准圆柱体的工具头主体为例，预应力螺杆施加在工具头主体上的轴向预应力是其最大承受拉应力的1.5～3倍。本发明中预应力螺杆对工具头主体施加的是压应力，不同材质的工具头主体所能承受的压应力和拉应力是不同的，且压应力可以比最大承受拉应力大好几倍。

标准圆柱体的工具头的最大承受拉应力按以下公式计算获得：

式中，f表示工具头的最大承受拉应力；a表示预应力螺杆的截面积，p表示预应力螺杆的密度，c表示预应力螺杆的纵向振动声速，f表示工具头的振动频率，ξ表示工具头的振幅，g表示重力加速度。

如果工具头主体是除圆柱体以外的规则或不规则柱体，同样也规定预应力螺杆施加在工具头主体上的轴向预应力为最大承受拉应力的1.5～3倍。此时，最大承受拉应力是利用有限元分析软件进行有限元分析，得出具体的最大的振动应力。实际超声配件一般都是复杂结构，对于复杂结构是无法用公式计算，只能进行计算机模拟，就需要以限元分析方法进行应力结算。有限元分析是属于本领域技术人员必须掌握的通用技术。

基于本发明所述方法，能够以所述工具头主体和预应力螺杆构建超声波工具头：

例如：超声波工具头包括连接端和辐射端，连接端用于连接变幅杆或换能器，辐射端用于对外传递超声波振动能量；所述预应力螺杆的两端设有螺纹，或者预应力螺杆的一端是t形卡口结构另一端设有螺纹。

预应力螺杆的连接方式有多种实现方式。下面结合附图，对本发明不同的实现形式进行描述。

实施例1

如图1所示，预应力螺杆4的两端设有螺纹。

连接端1和辐射端3是分别装于工具头主体2两侧的独立部件，分别设有预应力螺杆连接螺孔12和31，其螺纹分别与预应力螺杆4端部的螺纹相配合。其中，连接端1还设有另一个反向的变幅杆连接螺孔11，用于安装螺栓以连接变幅杆或换能器。工具头主体2的中空腔体为两端开口的结构，预应力螺杆4贯穿中空腔体，并以其端部通过螺纹配合实现与连接端1和辐射端3之间的固定连接。

实施例2

预应力螺杆4的两端设有螺纹。

如图2所示，连接端1是装于工具头主体2一侧的独立部件，设有预应力螺杆连接螺孔12，其螺纹与预应力螺杆4端部的螺纹相配合。连接端1还设有另一个反向的变幅杆连接螺孔11，用于安装螺栓以连接变幅杆或换能器。工具头主体2的中空腔体为一端封闭一端开口的结构，以封闭端部作为辐射端3，其内壁上设有螺纹以形成类螺孔结构，预应力螺杆4位于中空腔体中，以其端部通过螺纹配合实现其与连接端1和辐射端3之间的固定连接。

实施例3

如图3所示，预应力螺杆4的两端设有螺纹。

辐射端3是装于工具头主体2一侧的独立部件，设有预应力螺杆连接螺孔31，其螺纹与预应力螺杆4端部的螺纹相配合。工具头主体2的中空腔体的一端封闭一端开口，以封闭端部作为连接端1，其内壁上设有螺纹以形成类螺孔结构；预应力螺杆4位于中空腔体中，以其端部通过螺纹配合实现与连接端1和辐射端3之间的固定连接。连接端1的外端设有螺孔用于安装螺栓以连接变幅杆或换能器。

实施例4

如图4所示，预应力螺杆4的两端设有螺纹。

工具头主体2的中空腔体为一端封闭一端开口的结构，连接端1和辐射端3均属于工具头主体，预应力螺杆4的端部穿过连接端1后直接连接至变幅杆或换能器；以封闭端部作为辐射端3，在其内壁上设有螺纹以形成类螺孔结构，预应力螺杆4位于中空腔体中，以其通过螺纹配合实现与辐射端3之间的固定连接。

实施例5

如图5所示，预应力螺杆4的一端呈t形卡口结构，另一端设有螺纹。

工具头主体2的中空腔体为贯通结构，预应力螺杆4穿过中空腔体后以其端部螺纹连接变幅杆或换能器；t形卡口结构卡装在中空腔体外侧，并以其作为辐射端3。

实施例6

如图6所示，预应力螺杆4的一端呈t形卡口结构，另一端设有螺纹。

连接端1是装于工具头主体2一侧的独立部件，设有预应力螺杆连接螺孔12，其螺纹与预应力螺杆4端部的螺纹相配合。连接端1还设有另一个反向的变幅杆连接螺孔11，用于安装螺栓以连接变幅杆或换能器。预应力螺杆4穿过中空腔体后以其端部螺纹连接连接端1；t形卡口结构卡装在中空腔体外侧，并以其作为辐射端3。

本发明中所述超声波工具头还可以有更多的变形，例如：

1、在辐射端3的外侧设置螺孔结构，用于连接第二套超声波工具头；在第二套超声波工具头的辐射端3的外侧设置螺孔结构，用于连接第三套超声波工具头；以此类推，组成多倍长的超声波工具头。

2、在垂直于预应力螺杆4的方向上，工具头主体2的截面呈圆形、椭圆形、矩形、棱形(即可以是多种截面形状)。

3、在垂直于预应力螺杆4的方向上，不同位置的工具头主体2的截面面积是不相同的(即变径工具头)。

上述实施例中各工具头实现装配后，预应力螺杆4通过与连接端1和辐射端3之间的螺接对将工具头主体2施加压应力，能够极大提高工具头的疲劳振动极限。经测试，当施加的压应力在最大承受拉应力1.5～3倍的范围时，工具头的振幅可以提高1.5～2倍，明显大于原本的金属抗拉极限和抗疲劳极限。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。