超声波振子单元及超声波加工设备的制作方法

1.本实用新型涉及超声波振子单元应用领域，尤其涉及一种超声波振子单元及超声波加工设备。


背景技术：

2.超声波振子单元是能够将高频电信号转换为高频的机械振动的结构，是精密加工中超声波加工设备的重要部件。超声波振子单元在加工过程中，与超声波加设备中刀具的刀柄连接，从而超声波振子单元能够带动刀柄高速旋转。超声波振子单元产生的高频轴向振动不能传递到刀柄上，否则刀柄的轴向振动传递到主轴转子上，主轴转子发生轴向振动会使主轴轴承快速磨损，从而导致主轴破坏。
3.目前，通常将刀柄固定在谐振频率下，超声波振子单元的变幅杆上轴向振动振幅为零的位置(节点位置)，以使轴向振动不会传递至主轴转子。但是，在加工过程中，由于负载的变化或刀柄温度等影响，超声波振子单元的谐振频率容易发生漂移，导致节点位置发生变化，从而轴向振动仍会从变幅杆上传递至刀柄上，导致主轴破坏。此外，虽然节点位置轴向振动最小，但是节点位置的径向振动最大，被固定的刀柄无法发生径向振动，从而径向振动产生的动能转化为热能，使得超声波振子单元发热，从而导致超声波振子单元的谐振频率发生变化。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种超声波振子单元，能够降低变幅杆的振动对于与超声波振子单元连接的外部结构的影响。
5.本实用新型还提出一种具有上述超声波振子单元的超声波加工设备。
6.根据本实用新型的第一方面实施例的超声波振子单元，包括：
7.压电元件，用于产生振动；
8.变幅杆，所述变幅杆的一端与所述压电元件连接，用于改变所述压电元件产生的振动的振幅，所述变幅杆上套设有安装件，所述安装件上开设有多个减振通槽，所述减振通槽贯穿所述安装件的两侧，所述安装件上还设有用于与外部结构连接的连接结构，所述连接结构位于所述减振通槽相对所述变幅杆的轴线的远侧。
9.根据本实用新型实施例的超声波振子单元，至少具有如下有益效果：通过在安装件上设置多个贯穿安装件两侧的减振通槽，阻断了变幅杆上的轴向振动在安装件上的部分传播路径，使到达连接于减振通槽相对变幅杆的远侧的外部结构的振动的能量减少，从而有效降低变幅杆轴向振动对于外部结构的影响，即使安装件与变幅杆接触位置有较大振动，也可保证外部结构与安装件的连接位置不发生轴向振动或轴向振动的振幅很小。因此，本实用新型实施例中的超声波振子单元中的安装件不设置于节点位置，也能够使变幅杆上的轴向振动不会影响到外部结构，并且能够避免变幅杆上节点位置的径向振动对于超声波
振子单元的影响。
10.根据本实用新型的一些实施例，所述连接结构包括多个连接孔，所述连接孔位于所述减振通槽相对所述变幅杆的轴线的远侧。
11.根据本实用新型的一些实施例，所述减振通槽的形状呈圆弧形，所述减振通槽的中心圆弧线的圆心位于所述变幅杆的轴线上。
12.根据本实用新型的一些实施例，多个所述减振通槽相对所述变幅杆的轴线对称分布于所述安装件上。
13.根据本实用新型的一些实施例，所述安装件沿所述变幅杆的轴向方向的一侧设置有第一减振盲槽，所述第一减振盲槽设置于所述连接结构相对所述变幅杆的轴线的近侧；或者，所述安装件沿所述变幅杆的轴向方向的两侧均设置有第一减振盲槽，两侧的所述第一减振盲槽均设置于所述连接结构相对所述变幅杆的轴线的近侧。
14.根据本实用新型的一些实施例，所述第一减振盲槽为环形槽，所述第一减振盲槽的圆心位于所述变幅杆的轴线上。
15.根据本实用新型的一些实施例，所述超声波振子单元还包括压电组件限位件，所述压电组件限位件套设于所述变幅杆上，所述压电组件限位件位于所述变幅杆与所述压电元件连接的一端，所述压电组件限位件与所述压电元件连接。
16.根据本实用新型的一些实施例，所述压电组件限位件沿所述变幅杆的轴向方向的一侧上设置有第二减振盲槽，或者，所述压电组件限位件沿所述变幅杆的轴向方向的两侧上均设置有第二减振盲槽。
17.根据本实用新型的第二方面实施例的超声波加工设备，包括：
18.超声波刀具，所述超声波刀具包括如本实用新型第一方面实施例中的超声波振子单元、刀柄和刀具，所述刀柄与所述安装件连接，并套设于所述超声波振子单元的外部，所述刀具位于所述超声波振子单元上与所述压电元件连接的另一端，所述刀具与所述变幅杆连接；
19.设备机体，所述设备机体包括主轴，所述主轴与所述刀柄连接。
20.根据本实用新型的一些实施例中的超声波加工设备，所述超声波振子单元还包括压电组件限位件，所述压电组件限位件套设于所述变幅杆上，所述压电组件限位件位于所述变幅杆与所述压电元件连接的一端，所述刀柄于压电组件限位件对应位置设置有多个夹持孔，所述夹持孔中穿设有夹持件，所述夹持件抵持于所述压电组件限位件上，多个所述夹持件用于固定所述压电组件限位件。
21.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
22.下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，其中：
23.图1为本实用新型一实施例中的超声波振子单元的示意图；
24.图2为本实用新型图1实施例超声波振子单元的爆炸示意图；
25.图3为本实用新型一实施例中的超声波刀具的示意图；
26.图4为本实用新型图3实施例中的超声波刀具沿a-a的剖视图。
27.附图标记：
28.压电元件100，变幅杆200，变幅部210，安装件300，减振通槽310，第一减振盲槽311，连接孔320，压电组件限位件400，压电组件固定件410，第二减振盲槽420，夹持孔430，夹持件440，刀柄510，刀具520，主轴600。
具体实施方式
29.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
30.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
31.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
32.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
33.本实用新型的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
34.参照图1和图2，本实用新型的一实施例中，提出一种超声波振子单元，包括压电元件100、变幅杆200和安装件300。其中，压电元件100用于产生振动；变幅杆200的一端与压电元件100连接，变幅杆200用于改变压电元件100产生的振动的振幅。变幅杆上套设有安装件300，安装件上开设有多个减振通槽310，减振通槽310贯穿减振通槽310的两侧。安装件300上还设有用于与外部结构连接的连接结构，连接结构位于安装件300上减振通槽310相对变幅杆200的轴线的远侧。
35.压电元件100的压电逆效应能够将高频率电信号转换为高频机械振动。变幅杆200是用于改变压电元件100产生的振动的振幅的结构。压电元件100与变幅杆200的结构及工作原理为本领域的公知常识，本技术不再赘述。
36.在本实用新型的一些实施例中，变幅杆200包括变幅部210，变幅部210位于压电元件100与安装件300之间，变幅部210的一端与压电元件100连接，变幅部210的截面的面积自与压电元件100连接的一端沿变幅杆200的轴向方向向另一端逐渐减小，从而压电元件100产生的振动经过变幅部210后，振幅会增大，以达到进行机械加工或其他操作所需要的振幅。变幅部210可以设置为圆台形状。
37.变幅杆200的节点位置，是指超声波振子单元在谐振频率下，压电元件100产生的振动在变幅杆200上传播过程中，变幅杆200上振幅为零的位置。变幅杆200的节点位置可以通过计算或相关仪器检测得到。
38.安装件300是用于超声波振子单元与外部结构连接的结构。在超声波加工设备中，与安装件300连接的外部结构为超声波刀具的刀柄。安装件300可设置为圆盘结构，方便加工及装配。安装件300可以与变幅杆200一体加工而成；安装件300也可以通过连接件固定套设于变幅杆200上，例如安装件300的侧边缘上开设多个螺纹孔，螺钉、螺杆等螺纹连接件设置于螺纹孔中，并将安装件300顶紧于变幅杆200上。
39.安装件300可以通过螺纹连接与外部结构连接。例如参照图1，在本实用新型的一些实施例中，安装件300的连接结构包括多个连接孔320，连接孔320位于减振通槽310相对变幅杆200的轴线的远侧。连接孔320是用于超声波振子单元连接与外部结构连接的通孔或螺纹孔结构。外部结构可以通过螺钉、螺栓等连接件连接于连接孔320中，从而能够与超声波振子单元固定连接。开设连接孔320的方式加工简便，连接简单。连接孔320可以贯穿于安装件300的两侧，也可以设置在凸300缘的侧边缘上。安装件300上也可以设置螺纹套或其他连接结构与外部结构连接。
40.在超声波振子单元的工作过程中，变幅杆200上的轴向振动会传递至安装件300上，而安装件300上贯穿安装件300两侧的减振通槽310能够阻断变幅杆200上的轴向振动在安装件300上的传播路径，因此到达减振通槽310的轴向振动会改变路径沿其他方向传播，轴向振动在改变传播路径的过程中，轴向振动的能量发生衰减，随着传播距离的增长，轴向振动能量损耗越多。外部结构连接于减振通槽310相对变幅杆200的远侧，因此，变幅杆200上的轴向振动经过减振通槽310的阻断效果后，到达安装件300上与外部结构连接的连接位置的轴向振动的能量减少，从而传递至外部结构的轴向振动的能量也减少，从而降低变幅杆200的轴向振动对于外部结构的影响。外部结构与安装件300通过螺纹、螺钉等连接件固定后，可以使外部结构不会发生轴向振动。本实用新型实施例中的超声波振子单元适用于用于机械加工的超声波加工设备、用于医疗的超声波手术设备等超声波应用设备之中。
41.减振通槽310可以是圆弧通槽、方形通槽或其他形状的通槽。减振通槽310的数量越多，减少变幅杆200上的振动在安装件300上的传递的效果越好。但减振通槽310应设置在合理数量范围内，以免对安装件300的结构强度造成影响。
42.多个减振通槽310可以关于变幅杆200的轴线对称分布设置于安装件300上，从而安装件300上振动的传播路径更均匀，以使安装件300整体振动更平衡。可以理解的是，多个减振通槽310也可以以其他分布方式设置于安装件300上，也能实现对安装件300的减振效果。
43.变幅杆200的节点位置，是指超声波振子单元在谐振频率下，压电元件100产生的振动在变幅杆200上传播过程中，变幅杆200上振幅为零的位置。变幅杆200的节点位置可以通过计算或相关仪器检测得到。因此，通常变幅杆200与外部结构连接的位置设置在节点位置，以避免变幅杆200上轴向振动对外部结构的影响，但在超声波振子单元的实际工作中，由于负载的变化或外部结构温度等影响，超声波振子单元的谐振频率容易发生漂移，导致节点位置发生变化，从而变幅杆200上轴向振动仍会传递至与超声波振子单元连接的外部结构中。此外，虽然节点位置轴向振动最小，但是节点位置的径向振动最大，由于与安装件
300固定连接的外部结构无法发生径向振动，从而变幅杆200上的径向振动产生的动能会转化为热能，使得超声波振子单元发热，从而导致超声波振子单元的谐振频率发生变化，使得节点位置发生漂移。因此，变幅杆200的轴向振动仍然会对外部结构造成影响，导致外部结构发生磨损或破坏。
44.本实用新型实施例中的超声波振子单元，通过在安装件300上设置多个贯穿安装件300两侧的减振通槽310，阻断了变幅杆200上的轴向振动在安装件300上的传播路径，使到达连接于减振通槽310相对变幅杆200的远侧的外部结构的轴向振动的能量减少，从而有效降低变幅杆200轴向振动对于外部结构的影响，即使安装件300与变幅杆200接触位置有较大振动，也可保证外部结构与安装件300的连接位置不发生轴向振动或轴向振动的振幅很小。因此，本实用新型实施例中的超声波振子单元中的安装件300不设置于节点位置，也能够使变幅杆200上的轴向振动不会影响到外部结构，并且能够避免变幅杆200上节点位置的径向振动对于超声波振子单元的影响。
45.参照图1，在本实用新型的一些实施例中，减振通槽310的形状呈圆弧形，减振通槽310的中心圆弧线的圆心位于变幅杆200的轴线上，从而多个减振通槽310环绕变幅杆200分布。通常变幅杆200是圆柱形结构，变幅杆200上的轴向振动沿变幅杆200的圆周向安装件300传播，环绕变幅杆200分布的减振通槽310能够沿圆周方向阻断轴向振动在安装件300上的传播路径，从而具有更好的减振效果。
46.其中，减振通槽310的中心圆弧线的弧度设置过小，无法阻断振动在安装件300上的传播路径。减振通槽310的中心圆弧线的弧度设置过大，可能会影响安装件300的结构强度。本实用新型的实施例中，减振通槽310的中心圆弧线的弧度设置在10
°
至179
°
之间。
47.参照图1，在本实用新型的一些实施例中，连接孔320相对变幅杆200的轴线对称分布于安装件300上，从而外部结构通过连接孔320与超声波振子单元连接后，外部结构及安装件300上的应力分布更加均匀，从而安装件300与外部结构之间连接效果更加平稳。
48.参照图1和图2，在本实用新型的一些实施例中，安装件300沿变幅杆200的轴向方向的一侧设置有第一减振盲槽311，或者，安装件300沿变幅杆200的轴向方向的两侧均设置有第一减振盲槽311。第一减振盲槽311设置于连接结构相对变幅杆200的轴线的近侧。设置减振通槽310需要贯穿安装件300的两侧，从而降低了安装件300的结构强度。第一减振盲槽311从安装件300的一侧表面向另一侧凹陷，从而第一减振盲槽311可以部分阻断振动在安装件300上的传播路径，但第一减振盲槽311不会贯穿安装件300，因此可以减少对安装件300的结构强度的影响。第一减振盲槽311设置于安装件300上与外部结构的连接位置相对变幅杆200的近侧，可以进一步降低连接孔320位置的振动。第一减振盲槽311可以设置在减振通槽310相对于变幅杆200的近侧。第一减振盲槽311的数量可以是一个，也可以是多个。可以理解的是，第一减振盲槽311的设置数量越多，对于外部结构的减振效果越好。
49.第一减振盲槽311可以设置为方槽、环形槽或其他形状的盲槽。可以理解的是，安装件300沿变幅杆200的轴向方向的两侧均设置有第一减振盲槽311，相对于安装件300只沿变幅杆200的轴向方向的一侧设置有第一减振盲槽311，对于振动在安装件300上的传播的阻断效果更好。安装件300沿变幅杆200的轴向方向的两侧均设置有第一减振盲槽311的实施例中，安装件300两侧的第一减振盲槽311可以错开设置。
50.参照图1和图2，在本实用新型的一些实施例中，第一减振盲槽311为环形槽，第一
减振盲槽311的圆心位于变幅杆200的轴线上。通常变幅杆200是圆柱形结构，变幅杆200上的轴向振动沿变幅杆200的圆周方向向安装件300传播。圆形的第一减振盲槽311与变幅杆200上连接于安装件300的位置的截面同心设置，能够沿圆周方向部分阻断轴向振动在减振通槽310上的传播路径，从而具有更好地减振效果。
51.参照图1和图2，在本实用新型的一些实施例中，超声波振子单元还包括压电组件限位件400和压电组件固定件410，压电组件限位件400套设于变幅杆200上，压电组件限位件400位于变幅杆200与压电元件100连接的一端。变幅杆200与压电元件100连接的一端为变幅杆200的节点位置，在谐振频率下，变幅杆200在此位置的轴向振动最小，径向振动最大。压电组件限位件400设置于此位置，受到变幅杆200轴向振动的影响最小。此外，压电组件限位件400能够增加超声波振子单元的刚度，以适应变幅杆200的径向振动，避免开设有多个减振通槽310的安装件300结构刚度太小，而发生径向变形。压电组件限位件400可以设置为圆盘结构，以方便加工及装配。
52.参照图1和图2，在本实用新型的一些实施例中，超声波振子单元还包括压电组件固定件410，压电元件100上设置有固定通孔，压电组件限位件400上设置有螺纹孔，压电组件固定件410穿设于固定通孔和螺纹孔中，并与压电组件限位件400螺纹连接，压电组件固定件410与压电组件限位件400分别抵持于压电元件100的两端。压电组件固定件410可以为各类螺钉、带螺母的螺栓等螺纹连接件。压电组件固定件410与压电组件限位件400分别抵持于压电元件100的两端，从而压电元件100两端分别受到压电组件固定件410与压电组件限位件400的限位作用，压电元件100被稳固地固定在变幅杆200的一侧。此外，压电组件固定件410与压电组件限位件400螺纹连接，从而压电组件固定件410与压电组件限位件400螺纹能够拆卸，方便于后期超声波振子单元的维修与更换。
53.参照图1和图2，在本实用新型的一些实施例中，压电组件限位件400沿变幅杆200的轴向方向的两侧上设置有第二减振盲槽420。第二减振盲槽420从压电组件限位件400的一侧表面向另一侧凹陷，从而第二减振盲槽420可以部分阻断变幅杆200的径向振动在压电组件限位件400上的传播路径，使压电组件限位件400上的径向振动的振幅减少，以降低变幅杆200的径向振动对于压电组件限位件400的影响。
54.第二减振盲槽420可以设置为环形槽，并且第二减振盲槽420的圆心可以设置在变幅杆200的轴线上，以使第二减振盲槽420能够沿圆周方向部分阻断径向振动在压电组件限位件400上的传播路径，从而具有更好地减振效果。
55.参照图3和图4，本实用新型的实施例中还提供了一种超声波加工设备，包括超声波刀具520和设备机体。超声波刀具520包括本实用新型上述实施例中的超声波振子单元、刀柄510和刀具520，刀柄510与安装件300连接，并套设于超声波振子单元的外部，刀具520位于超声波振子单元上与压电元件100连接的另一端，刀具520与变幅杆200连接。设备机体包括主轴600，主轴600与刀柄510连接。
56.在加工过程中，现有技术通常将刀柄510固定超声波振子单元的变幅杆200上的节点位置，以使轴向振动不会传递至主轴600的转子中。但是，在加工过程中，由于负载的变化或刀柄510温度等影响，超声波振子单元的谐振频率容易发生漂移，导致节点位置发生变化，从而振动会从变幅杆200上传递至刀柄510上，导致主轴600破坏。
57.本实用新型实施例中的超声波加工设备中，变幅杆200传递至安装件300上的轴向
振动的传播路径会被减振通槽310阻断，从而使到达连接于减振通槽310相对变幅杆200的远侧的刀柄510的轴向振动的能量减少，刀柄510与安装件300固定后，刀柄510不会发生轴向振动或者刀柄510上轴向振动的振幅很小，从而有效避免主轴600破坏。本实用新型实施例中的超声波加工设备的刀柄510可以固定于变幅杆200上的非节点位置，亦不会使得刀柄510发生轴向振动，并且非节点位置相对于节点位置的径向振动小，从而能够减少变幅杆200上的径向振动对于超声波振子单元的影响。
58.参照图3和图4，在本实用新型的一些实施例中，本实用新型一实施例中的超声波加工设备中的超声波振子单元还包括压电组件限位件400，压电组件限位件400套设于变幅杆200上，压电组件限位件400位于变幅杆200与压电元件100连接的一端，刀柄510于压电组件限位件400对应位置设置有多个夹持孔430，夹持孔430中穿设有夹持件440，夹持件440抵持于压电组件限位件400上，多个夹持件440用于固定压电组件限位件400。
59.多个夹持件440可以从多个方向对压电组件限位件400进行抵持，以使压电组件限位件400能够固定在刀柄510之中。例如：参照图4，压电组件限位件400的上下两侧分别设置有夹持件440，两个夹持件440分别于压电组件限位件400的上下两侧顶紧抵持压电组件限位件400，以使压电组件限位件400固定。
60.由于安装件300上开设有减振通槽310，安装件300的结构强度和刚度受到影响，超声波振子单元可能会在振动中发生径向移动或径向变形。压电组件限位件400被夹持后，受到约束，提升了超声波振子单元的刚度，超声波振子单元能够抵抗径向移动或径向变形。
61.上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。