磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器的制作方法

本发明涉及超声精密特种加工技术领域，更具体地，涉及一种磁致伸缩纵-扭复合超声振动换能器。

背景技术：

在硬脆材料高速切削加工中，旋转超声加工(即工具头高速旋转的同时附加超声频机械振动)能够减小切削力，减轻刀具磨损，提高加工质量和加工效率。有关研究表明：工具头高速旋转的同时附加纵向和扭转超声频机械振动，即纵-扭复合超声振动，能进一步减小切削力，提高加工质量和加工效率。目前，实现扭振发生方式的有切向极化压电陶瓷直接激振和纵-扭模式转化两种。然而，以上两种方式在应用中的主要问题在于：

(1)切向极化压电陶瓷片的制备和加工难度大，组合使用切向极化和纵向极化压电陶瓷片制作的超声换能器的功率小，且扭转力矩在传递过程中损耗较大。

(2)模式转化式超声换能器多采用斜槽结构实现纵-扭转化。该装置能量转化效率低，且设计上存在难点，很难保证纵向振动和扭转振动共振。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明提出一种磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器，该磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器的结构简单、紧凑，有利于实现小型化设计，并且可以有效地减少能量损耗，在同等条件下增大了输出功率和输出振幅，提高加工质量和加工效率。

根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器，包括外壳、磁致伸缩材料件、变幅杆、第一电极片和第二电极片、线圈骨架和线圈，所述磁致伸缩材料件沿所述外壳的轴向延伸地设在所述外壳内，所述变幅杆设在所述外壳的另一端并封闭所述外壳的另一端，所述第一电极片和所述第二电极片分别设在所述磁致伸缩材料件的两端并止抵所述磁致伸缩材料件，所述第二电极片设在所述变幅杆与所述磁致伸缩材料件之间并止抵所述变幅杆与所述磁致伸缩材料件，所述第一电极片与所述第二电极片与外界电连接以使所述磁致伸缩材料件内产生交变环向磁场，所述线圈骨架设在所述外壳内，所述线圈骨架与所述外壳相连且套设在所述磁致伸缩材料件外周，所述线圈绕设在所述线圈骨架上，所述线圈与外界电连接以使所述磁致伸缩材料件内形成交变轴向磁场，轴向磁场和纵向磁场耦合形成螺旋形磁场。

根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器，通过将第一电极片和第二电极片分别止抵磁致伸缩材料件的两端，并且将线圈设在磁致伸缩材料件的外周，利用对第一电极片和第二电极片通电，间接地对磁致伸缩材料件通电以产生环形磁场，对线圈通电以产生轴向磁场，从而利用两个磁场耦合形成螺旋形磁场，在维德曼效应下，使得磁致伸缩材料件能够产生纵扭复合振动，有效地减少能量损耗，在同等条件下增大了输出功率和输出振幅，提高加工质量和加工效率，而且与其他纵扭复合超声振动换能器相比，减少了零部件，简化了整体结构，有利于实现小型化设计。

另外，根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述第一电极片和所述第二电极片的朝向所述磁致伸缩材料件的一侧表面形成为导电面，另一侧形成为绝缘面。

根据本发明的一个实施例，所述第一电极片和所述第二电极片的另一侧表面上涂覆有绝缘材料层。

根据本发明的一个实施例，所述磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器还包括后盖，所述后盖设在所述外壳的一端并封闭所述外壳，所述后盖与所述外壳通过螺栓连接，所述后盖端面与所述外壳端面存在间隙。

根据本发明的一个实施例，所述磁致伸缩材料件为Fe-Ga合金材料件。

根据本发明的一个实施例，所述线圈骨架的轴向长度小于所述磁致伸缩材料件的轴向长度，所述线圈骨架的一端与所述后盖之间设有第一导磁片，所述线圈骨架的另一端与所述变幅杆之间设有第二导磁片。

根据本发明的一个实施例，所述外壳的内壁面设有向内突出的安装凸台，所述第二导磁片安装在所述安装凸台上，所述线圈骨架和所述第一导磁片依次安装在所述第二导磁片上。

根据本发明的一个实施例，磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器还包括：导磁套筒，所述导磁套筒套设在所述线圈骨架外周并包覆所述线圈，所述导磁套筒设在所述第一导磁片和所述第二导磁片之间，形成导磁回路。

根据本发明的一个实施例，所述第一电极片、第二电极片和所述线圈分别通过导线与外界连接，所述第一导磁片、所述线圈骨架、所述第二导磁片和所述后盖上分别设有适于所述导线穿过的通孔。

根据本发明的一个实施例，所述后盖和所述变幅杆与所述外壳通过螺栓间隙配合。

根据本发明的一个实施例，所述变幅杆包括：第一杆段，所述第一杆段沿所述外壳的轴向延伸，所述第一杆段的一端止抵所述第二电极片；连接部，所述连接部设在所述第一杆段的外周，所述连接部与所述外壳相连；第二杆段，所述第二杆段沿所述外壳的轴向延伸且与所述第一杆段相连，所述第二杆段的外表面形成为指数型衰减曲面。

本发明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，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器的线圈通电后产生的交变轴向磁场示意图；

图3是根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器的磁致伸缩材料件通电后产生的交变环向磁场示意图；

图4是根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器的磁场叠加原理示意图；

图5是根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器的线圈骨架的侧视图；

图6是根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器的线圈骨架的正视图；

图7是根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器的导磁片的正视图；

图8是根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器的导磁片的侧视图。

附图标记：

100：磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器；

10：后盖；20：磁致伸缩材料件；

30：外壳；31：安装凸台；

40a：第一电极片；40b：第二电极片；

50：变幅杆；51：第一杆段；52：连接部；53：第二杆段；

60：线圈骨架；61：线圈骨架线槽；70：线圈；80：导磁套筒；

90a:第一导磁片；90b：第二导磁片；91：导磁片线槽。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

目前，在硬脆材料高速切削加工中，旋转超声加工(工具头高速旋转的同时附加超声频机械振动)能够减小切削力，减轻刀具磨损，提高加工质量和加工效率。而且纵向振动的旋转超声加工系统的研制已较为成熟，已经在德玛吉等公司也相继研制出商品化的超声机床。有关研究表明：工具头高速旋转的同时附加纵向和扭转超声频机械振动，即纵-扭复合超声振动，能进一步减小切削力，提高加工质量和加工效率。因此，纵-扭复合旋转超声加工系统的设计是超声加工系统研究的热点之一。目前研究较多的扭振发生方式有切向极化压电陶瓷直接激振和纵-扭模式转化两种。以上两种方式在应用中的主要问题在于：

(1)切向极化压电陶瓷片的制备和加工难度大，组合使用切向极化和纵向极化压电陶瓷片制作的超声换能器的功率小，且扭转力矩在传递过程中损耗较大。

(2)模式转化式超声换能器多采用斜槽结构实现纵-扭转化。该装置能量转化效率低，且设计上存在难点，很难保证纵向振动和扭转振动共振。

针对上述存在的一些问题，本发明基于磁致伸缩材料(Fe-Ga)的维德曼效应提出了一种新型的扭转振动发生方式，并设计了大功率磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器，该磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器的结构简单、紧凑，有利于实现小型化设计，并且可以有效地减少能量损耗，在同等条件下增大了输出功率和输出振幅，提高加工质量和加工效率。

下面首先结合附图1至图8具体描述根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器100。

根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器100包括外壳30、磁致伸缩材料件20、变幅杆50、第一电极片40a和第二电极片40b、线圈骨架60和线圈70。

具体而言，磁致伸缩材料件20沿外壳30的轴向延伸地设在外壳内，后盖10设在外壳30的一端并封闭腔室的一端，变幅杆50设在外壳30的另一端并封闭外壳的另一端，第一电极片40a和第二电极片40b分别设在磁致伸缩材料件20的两端并止抵磁致伸缩材料件20，第二电极片40b设在变幅杆50与磁致伸缩材料件20之间并止抵变幅杆50与磁致伸缩材料件20，第一电极片40a与第二电极片40b与外界电连接以使磁致伸缩材料件20内产生交变环向磁场，线圈骨架60设在外壳30内，线圈骨架60与外壳30相连且套设在磁致伸缩材料件20外周，线圈70绕设在线圈骨架60上，线圈70与外界电连接以使磁致伸缩材料件20内产生交变轴向磁场。

换言之，该磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器100主要由外壳30、磁致伸缩材料件20、变幅杆50、第一电极片40a和第二电极片40b、线圈骨架60和线圈70组成。外壳30沿竖直方向(如图1所示上下方向)延伸且大致形成为两端敞开的圆筒状结构，外壳30内限定有用于容纳磁致伸缩材料件20、线圈骨架60、线圈70等部件的腔室。

磁致伸缩材料件20大致形成沿外壳30轴向方向(如图1所示上下方向)延伸的柱状结构，且磁致伸缩材料件20设在外壳30的腔室内，变幅杆50沿外壳30轴向延伸，且变幅杆50与外壳30的另一端(如图1所示的下端)相连以封闭外壳30的另一端开口，从而可以避免外部杂质进入磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器100的内部，提高磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器100的使用可靠性。

进一步地，第一电极片40a和第二电极片40b分别设在磁致伸缩材料件20的两端(如图1所示的上端和下端)，第一电极片40a的一端面(如图1所示的下端面)与磁致伸缩材料件20的一端(如图1所示上端)止抵，第二电极片40b的一端面(如图1所示的上端面)与磁致伸缩材料件20的一端(如图1所示下端)止抵，第二电极片40b的另一端面(如图1所示的下端面)与变幅杆50的上端止抵，即第二电极片40b设在变幅杆50与磁致伸缩材料件20之间，通过对第一电极片40a和第二电极片40b通入高频电流，进而实现对磁致伸缩材料件20通入高频电流，根据电磁感应原理，磁致伸缩材料件20在高频电流作用下产生高频交变环向磁场(如图3所示)。

再者，线圈骨架60大致形成为沿外壳30的轴向延伸的筒体，线圈骨架60的内径不小于磁致伸缩材料件20的径向尺寸，从而使得线圈骨架60可以套设在磁致伸缩材料件20的外周，线圈70绕设在线圈骨架60上，当线圈70通入高频交变电流时，将形成高频交变轴向磁场(如图2所示)。

此时，用户可以通过对第一电极片40a和第二电极片40b通入高频交变电流，进而实现对磁致伸缩材料件20通入高频电流，同时，对线圈70通入高频交变电，并且保证线圈70通入的高频电流与磁致伸缩材料件20通入的高频电流的电流频率相同，相位差恒定，从而使得线圈70产生的高频交变轴向磁场与磁致伸缩材料件20产生的高频交变环向磁场耦合形成螺旋形磁场(如图4所示)，进而使得磁致伸缩材料件20处于螺旋形磁场中，根据维德曼效应，磁致伸缩材料件20由此将产生同频的纵向振动和扭转振动，从而可以有效地减少能量损耗，在同等条件下增大了输出功率和输出振幅，提高加工质量和加工效率。

优选地，变幅杆50与外壳30可以通过螺栓连接，后盖10与外壳30也可以通过螺栓连接，并且，装配时，在轴向上压紧第一电极片40a、磁致伸缩材料件20、第二电极片40b，给磁致伸缩材料件20一定的预紧力，使得磁致伸缩材料件20在磁场作用下产生的纵向振动和扭转振动能够传递到变幅杆50上，同时，变幅杆50与外壳30之间、后盖10与外壳30之间存在小间隙配合，从而便于实现变幅杆50与外壳30之间、后盖10与外壳30之间的定位。

由此，根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器100，通过将第一电极片40a和第二电极片40b分别止抵磁致伸缩材料件20的两端，并且将线圈70设在磁致伸缩材料件20的外周，利用对第一电极片40a和第二电极片40b通电，间接地对磁致伸缩材料件20通电以产生环形磁场，对线圈70通电以产生轴向磁场，从而利用两个磁场结合产生螺旋形磁场，在维德曼效应下，使得磁致伸缩材料件20能够产生纵扭复合振动，有效地减少能量损耗，在同等条件下增大了输出功率和输出振幅，提高加工质量和加工效率，而且与其他纵扭复合超声振动换能器相比，减少了零部件，简化了整体结构，有利于实现小型化设计。

在本发明的一些实施例中，第一电极片40a和第二电极片40b的朝向磁致伸缩材料件20的一侧表面形成为导电面，另一侧形成为绝缘面。

具体地，如图1和图2所示，第一电极片40a的下端面和第二电极片40b的上端面为导电面，即第一电极片40a和第二电极片40b的朝向磁致伸缩材料件20的一侧表面形成为导电面，第一电极片40a的上端面和第二电极片40b的下端面为绝缘面，即第一电极片40a的朝向后盖10的一侧表面和第二电极片40b的朝向变幅杆50的一侧表面形成为绝缘面，从而避免外壳30和变幅杆50带电，进而产生安全隐患。

例如，第一电极片40a和第二电极片40b的另一侧表面上可以涂覆有绝缘材料层，从而通过涂覆绝缘材料层，使得第一电极片40a和第二电极片40b背向磁致伸缩材料件20的一侧形成为绝缘面，进而在保证绝缘的情况下，可以减少第一电极片40a和第二电极片40b的厚度，简化整体结构，使得磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器100更加紧凑。

可选地，线圈骨架60的轴向长度小于磁致伸缩材料件20的轴向长度，线圈骨架60的一端与后盖10之间设有第一导磁片90a，线圈骨架60的另一端与变幅杆50之间设有第二导磁片90b。

具体地，如图1和图2所示，线圈骨架60的上下两端分别设有第一导磁片90a和第二导磁片90b，第一导磁片90a位于线圈骨架60的上端和后盖10之间、第二导磁片90b位于线圈骨架60的下端与变幅杆50之间，并且，线圈骨架60的轴向长度(即沿上下方向延伸的长度)小于磁致伸缩材料件20的轴向长度，从而可以减少绕设在线圈骨架60上的线圈70通入高频交变电流后产生的磁场的漏磁现象，保证磁致伸缩材料件20的变形量。

有利地，外壳30的内壁面设有向内突出的安装凸台31，第二导磁片90b安装在安装凸台31上，线圈骨架60和第一导磁片90a依次安装在第二导磁片90b上。

具体地，如图1所示，外壳30的内壁面的下部设有沿其径向方向向内突出的安装凸台31，第二导磁片90b设在安装凸台31的上端面上，线圈骨架60和第一导磁片90a依次设在第二导磁片90b上，也就是说，第一导磁片90a、线圈骨架60和第二导磁片90b沿轴向(如图1所示的上下方向)从上至下依次设在安装凸台31上，从而便于实现轴向定位，避免第一导磁片90a、线圈骨架60和第二导磁片90b在加工过程中向下窜动。

其中，磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器100还包括导磁套筒80，导磁套筒80套设在线圈骨架60外周并包覆线圈70，导磁套筒80设在第一导磁片90a和第二导磁片90b之间。

参照图1，导磁套筒80大致形成为沿外壳30的轴向延伸的筒状结构，导磁套筒80的外径略小于外壳30的内径，从而使得导磁套筒80与外壳30之间形成间隙配合，便于进行轴向定位，同时，导磁套筒80的内径与线圈骨架60的最大外径大致相等，从而使得线圈70和线圈骨架60处于第一导磁片90a、磁致伸缩材料件20、第二导磁片90b和导磁套筒80限定出的封闭空间内(即导磁套筒80套设在线圈骨架60外周并包覆线圈70，导磁套筒80设在第一导磁片90a和第二导磁片90b之间)，有利于通入交流电后线圈70产生的磁场形成封闭导磁回路，从而进一步地减小漏磁，保证磁致伸缩材料件20的形变量。

优选地，第一导磁片90a、第二导磁片90b、导磁套筒80与外壳30之间形成间隙配合，装配时，采用环氧树脂将第一导磁片90a、第二导磁片90b、导磁套筒80、线圈骨架60粘合成一体，并固定在外壳30的内壁上，从而保证第一导磁片90a、第二导磁片90b、导磁套筒80、线圈骨架60形成的结构整体与外壳30保持相对固定，同时，线圈70沿轴向缠绕在线圈骨架60上，与磁致伸缩材料件20之间形成间隙，有利于气冷散热设计。

在本发明的一些实施例中，第一电极片40a、第二电极片40b和线圈70分别通过导线(未示出)与外界连接，第一导磁片90a、线圈骨架60、第二导磁片90b和后盖10上分别设有适于导线穿过的通孔。

参照图1、图6和图7，第一导磁片90a和第二导磁片90b上设有导磁片线槽91(即通孔)，线圈骨架60上设有线圈骨架线槽61，后盖10上设有通孔，第一电极片40a、第二电极片40b和线圈70分别通过焊接导线引出，然后通过导磁片线槽91、线圈骨架线槽61和后盖10上的通孔与外界连接，从而实现对磁致伸缩材料件20和线圈70的通电，进而产生磁场，连接方便。

其中，磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器100还包括后盖10，后盖10设在外壳30的一端并封闭外壳30，后盖10和变幅杆50与外壳30通过螺栓连接，后盖10的端面与外壳30的端面存在间隙。具体地，后盖10设在外壳30的一端(如图1所示的上端)以封闭腔室的一端开口，通过将后盖10和变幅杆50分别与壳体之间通过螺栓连接实现外壳轴向方向上的间隙配合，既可以实现对磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器100进行的外壳30进行封闭以起到保护作用，又可以通过调整螺栓预紧力对第一电极片40a、第二电极片40b、磁致伸缩材料件20和变幅杆50进行预紧，保证纵振和扭振的传递。

其中，变幅杆50包括第一杆段51、连接部52和第二杆段53，第一杆段51沿外壳30的轴向延伸，第一杆段51的一端止抵第二电极片40b，连接部52设在第一杆段51的外周，连接部52与外壳30相连，第二杆段53沿外壳30的轴向延伸且与第一杆段51相连，第二杆段53的外表面形成指数型衰减曲面，即第二杆段53的径向尺寸从外壳30的轴向向外逐渐减小。

具体地，如图1所示，变幅杆50主要由第一杆段51、连接部52和第二杆段53组成，第一杆段51沿外壳30的轴向(如图1所示上下方向)延伸，第一杆段51一端(如图1所示上端)止抵第二电极片40b，从而便于将磁致伸缩材料件20在磁场作用下产生的纵向振动和扭转振动传递到变幅杆50上，连接部52的一端(如图1所示的上端)与第一杆段51的另一端(如图1所示的下端)相连，连接部52形成沿外壳30的径向方向延伸的盘状，且与外壳30的下端通过螺栓实现小间隙配合。

第二杆段53沿外壳30的轴向延伸且与第一杆段51的下端相连，并且第二杆段53沿轴向方向向外的径向尺寸逐渐减小，可选地，第二杆段53与第一杆段51同轴布置，需要说明的是，变幅杆50可以是一体成型件，也可以是组合件，同时，本领域技术人员可以根据实际设计需求改变变截面处的衰减指数和杆长，从而实现变幅杆50的纵振和扭振可以在同一频率下谐振(即共振)。

优选地，磁致伸缩材料件20为Fe-Ga合金材料件，从而利用Fe-Ga合金材料的良好的机械性能和可以加工性能，既可以便于加工制造，又可以增强切向力受力，利于扭转振动的传递，便于实现大功率、大振幅的超声频扭转振动。

根据本发明实施例的磁致伸缩纵扭复合超声振动换能器100的其他构成以及操作对于本领域的普通技术人员来说是可知的，在此不再详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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发明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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。