双棒型超磁致伸缩换能器及双棒型超磁致伸缩主轴的制作方法

本发明涉及超声加工技术领域，具体涉及一种双棒型超磁致伸缩换能器，还涉及一种双棒型超磁致伸缩主轴。

背景技术：

随着科学技术的发展，超声产业逐渐从最初只出现在国防军事中到目前应用于制造、医疗诊断、故障检测等众多行业，其广泛的应用前景，使得国内外众多专家学者开始从事有关超声的研究。对于超声产业，其现已应用的产品有超声制动器、超声换能器、超声传感器等。超声换能器作为其一重要分支发展迅猛，最初的超声换能器其核心机电转化材料为石英，这种材料磁致伸缩率低，能量转换率小，很快被一些磁致伸缩材料(退火镍，铁钴合金等)取代，目前超声换能器中主要使用锆钛酸铅等压电陶瓷作为电声转换材料，其相对较好的物理性质使得这种材料得到较为广泛的应用。但是，随着材料产业的不断发展，稀土超磁致伸缩材料(gmm)的出现为超声领域的发展再提供了新的动力源，gmm作为一种先进材料具有磁致伸缩率大、响应快、频带宽等众多优势，是制造超声换能器较为理想的材料。

稀土超磁致伸缩换能器作为超声加工的核心装置，其良好的设计不仅可以提高超声换能器的功率和精度，也保证了其使用寿命。

现有技术中的超磁致伸缩换能器主要存在以下几个问题：

一是，现有的稀土超磁致伸缩换能器大多为单棒型换能器，其结构简单，易操作。但是根据超磁致伸缩换能器的工作原理可知，要保证超磁致伸缩换能器的正常工作，就必须确保其形成封闭的高频环形磁场。在单棒型超磁致伸缩换能器中，当超磁致伸缩棒中心轴线与整体结构的中心线重合时，其要形成环形封闭磁场，就必须在超磁致伸缩棒的外围装配导磁套筒，但是导磁套筒会产生安装间隙，因此单超磁致伸缩棒型超磁致伸缩换能器存在较大的漏磁现象；

二是，现有的窗形或非圆柱单棒型超磁致伸缩换能器多采取单螺栓施加预紧力，这样会使超磁致伸缩棒受到偏心预紧力的作用，不能保证预紧力对超声换能器输出效率的同时，也降低了超磁致伸缩棒的使用寿命；

三是，现有超磁致伸缩换能器均采用截面为圆形的后盖板，这样的设计使得换能器旋转方向可以有效的减少空气阻力。但是，采用圆形后盖板可能会使得换能器轴向振动阻尼相对增大，不利于换能器的振动。

综上所述，针对目前超磁致伸缩换能器存在的这些缺点或不足，本发明设计了一种双超磁致伸缩棒型超声换能器，在解决上述问题的基础上，设计了冷却结构，保证换能器能高效稳定的工作。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种双棒型超磁致伸缩换能器，解决了现有技术中的单超磁致伸缩棒型换能器漏磁的问题。

本发明的另一目的是提供一种双棒型超磁致伸缩主轴。

本发明所采用的第一种技术方案是，双棒型超磁致伸缩换能器，包括并列的超磁致伸缩棒，每根超磁致伸缩棒的棒身均绕有线圈，两根超磁致伸缩棒的一端通过上导磁片连接，上导磁片远离线圈的一端设有后盖板，两根超磁致伸缩棒的另一端通过下导磁片连接，还包括轴向固定装置，轴向固定装置依次将上导磁片、两根超磁致伸缩棒、下导磁片轴向固定。

本发明的第一种技术方案的特点还在于，

每根超磁致伸缩棒均为圆筒状，轴向固定装置为两根螺栓，每根螺栓依次穿过上导磁片、一根超磁致伸缩棒、下导磁片。

超磁致伸缩棒的内壁开有多个长形槽a，超磁致伸缩棒的外壁开有多个长形槽b。

多个长形槽a周向均匀排布于所述超磁致伸缩棒的内壁，多个长形槽b周向均匀排布于超磁致伸缩棒的外壁，多个长形槽a与多个所述长形槽b错开排布。

后盖板、上导磁片、下导磁片的横截面均为直槽口形。

上导磁片和下导磁片的外圆弧壁均开有多个长形槽c。

本发明所采用的第二种技术方案是，双棒型超磁致伸缩主轴，包括刀柄，刀柄一端安装有刀柄拉丁，刀柄的另一端开有容置腔，刀柄的另一端还安装有变幅杆，变幅杆大端安装有第一种技术方案的双棒型超磁致伸缩换能器，双棒型超磁致伸缩换能器伸入容置腔内，变幅杆的小端安装有弹簧夹头，弹簧夹头夹持有工具头，工具头通过螺帽锁紧，刀柄的侧壁开有穿线孔，穿线孔与容置腔贯通，每个线圈两端均从穿线孔伸出。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

刀柄轴向开有通孔a，通孔a、与容置腔贯通；刀柄拉丁轴向开有通孔b，通孔b与通孔a接通；刀柄的侧壁开有排气槽，排气槽与容置腔贯通，排气槽靠近变幅杆。

排气槽沿刀柄的侧壁周向均匀排布。

本发明双棒型超磁致伸缩换能器具有至少以下有益效果：

1)双超磁致伸缩棒通过导磁片连接，不存在安装间隙，减小了漏磁；

2)上导磁片、下导磁片横截面均为与双超磁致伸缩棒紧密贴合的直槽口形，减小了磁路长度；

3)后盖板的横截面也同样设计为直槽口形，有利于减小换能器振动时的阻尼；

4)螺栓采取超磁致伸缩棒中心布置的方式，保证超磁致伸缩棒的振动方向垂直于变幅杆端面。

本发明双棒型超磁致伸缩主轴的有益效果是：安装有双棒型超磁致伸缩换能器，有效减小了磁场的漏磁现象，设计了通孔a与通孔b用作排气以及采用排气槽排气，散发工作过程中的热量，保证整个装置能高效工作。

附图说明

图1是本发明双棒型超磁致伸缩换能器的结构示意图；

图2是本发明双棒型超磁致伸缩换能器的超磁致伸缩棒的主视图；

图3是本发明双棒型超磁致伸缩换能器的超磁致伸缩棒的俯视图；

图4是本发明双棒型超磁致伸缩换能器的后盖板的a-a剖视图；

图5是本发明双棒型超磁致伸缩主轴的下导磁片结构示意图；

图6是本发明双棒型超磁致伸缩主轴的结构示意图；

图7是本发明双棒型超磁致伸缩主轴的俯视图；

图8是本发明双棒型超磁致伸缩主轴的刀柄的b-b剖视图；

图9是单超磁致伸缩棒型换能器的机构示意图。

图中，1.刀柄，2.螺栓，3.后盖板，4.线圈，5.变幅杆，6.螺帽，7.工具头，8.弹簧夹头，9.穿线孔，10.下导磁片，11.超磁致伸缩棒，12.上导磁片，13.刀柄拉钉，14.长形槽a，15.长形槽b，16.长形槽c，17.排气槽，18.单棒型超磁致伸缩棒，19.单棒型上导磁片，20.单棒型导磁套筒，21.单棒型线圈，22.单棒型下导磁片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的第一种技术方案，双棒型超磁致伸缩换能器，如图1所示，包括两根并列的超磁致伸缩棒11，每根超磁致伸缩棒11均为圆筒状，每根超磁致伸缩棒11棒身均绕有线圈4，两根超磁致伸缩棒11的一端通过上导磁片12连接，上导磁片12远离线圈4的一端设有后盖板3，两根超磁致伸缩棒11的另一端通过下导磁片10连接，还包括轴向固定装置，轴向固定装置为两根螺栓2，每根螺栓2依次穿过上导磁片12、一根超磁致伸缩棒11、下导磁片10，并将上导磁片12、两根超磁致伸缩棒11、下导磁片10轴向固定。

如图2、3所示，超磁致伸缩棒11的内壁开有多个周向排布的长形槽a14，超磁致伸缩棒11的外壁开有多个周向排布的长形槽b15，长形槽a14与长形槽b15错开排布。

如图4、5所示，后盖板3、上导磁片12、下导磁片10的横截面均为直槽口形，上导磁片12和下导磁片10的外圆弧壁均开有多个长形槽c16，长形槽c16之间相互平行且顺沿磁力线方向，有益于降低磁力线在导磁片中所受的阻碍。

本发明所采用的第二种技术方案是，双棒型超磁致伸缩主轴，如图6、7所示，包括刀柄1，刀柄1一端安装有刀柄拉丁13，刀柄1的另一端开有容置腔，刀柄1的另一端还安装有变幅杆5，变幅杆5大端安装有第一种技术方案的双棒型超磁致伸缩换能器，双棒型超磁致伸缩换能器伸入容置腔内，变幅杆5的小端安装有弹簧夹头8，弹簧夹头8夹持有工具头7，工具头7通过螺帽6锁紧，刀柄1的侧壁开有穿线孔9，穿线孔9与容置腔贯通，每个线圈4两端均从穿线孔9伸出。

如图6、图8所示，刀柄1轴向开有通孔a，通孔a与容置腔贯通；刀柄拉丁13轴向开有通孔b，通孔b与通孔a接通；刀柄1的侧壁开有排气槽17，排气槽17与容置腔贯通，排气槽17靠近变幅杆5；排气槽17沿刀柄1的侧壁周向均匀排布。

稀土超磁致伸缩换能器工作原理：超声波电源将常用频率为50hz低频电转换成所设计超声换能器所需的高频电，高频电通过缠绕在超磁致伸缩棒上的螺旋线圈，产生高频换向磁场，高频磁场在穿过超磁致伸缩棒时，超磁致伸缩棒利用自身材料的磁致伸缩效应(joule效应)产生轴向高速伸长或缩短，即超声振动。在后盖板配重及螺栓预紧力的作用下，超磁致伸缩棒的超声振动将在变幅杆的振幅放大之后，在工具头上输出，用以实现换能器的各种实际应用。

根据超磁致伸缩换能器的工作原理可知，超磁致伸缩换能器中磁力线需尽可能在环形封闭磁路中流动，即本发明中磁力线要保证尽量在上导磁片，超磁致伸缩棒，下导磁片形成的环形磁路中流动，而且要尽量减小漏磁现象，所以确定本发明中双棒型超磁致伸缩主轴各零件的材料属性如表1所示。

表1双棒型超磁致伸缩主轴的零件材料及其磁导率

单棒型超磁致伸缩换能器的漏磁现象，如图9所示，在单棒型超磁致伸缩换能器中，当超磁致伸缩棒中心轴线与整体结构的中心线重合时，其要形成环形封闭磁场，就必须在单棒型超磁致伸缩棒18的外围装配单棒型导磁套筒20，单棒型导磁套筒20安装单棒型线圈21，但是单棒型导磁套筒20与单棒型上导磁片19及单棒型下导磁片22之间产生安装间隙a，因此单棒型超磁致伸缩换能器存在较大的漏磁现象。

首先，为了克服单棒型超声换能器的漏磁现象，本发明的双棒型超磁致伸缩换能器，如图1所示，其原理为：两根超磁致伸缩棒11上均缠绕的螺旋线圈4为超磁致伸缩棒11提供驱动磁场，两根超磁致伸缩棒在下导磁片10，上导磁片12的连接下形成封闭的环形磁场，没有装配间隙的存在，因此可以有效的减小漏磁。

其次，为了保证超磁致伸缩棒11受到的预紧力垂直于变幅杆5的大端，采用双螺栓中心布置的方式，如图6所示，螺栓2经过后盖板3从超磁致伸缩棒11的中心通过，与变幅杆5进行连接，确保超磁致伸缩棒中轴向受到的预紧力没有偏心，也可以间接提高超磁致伸缩棒的寿命。

再者，为了尽可能减小双棒型超磁致伸缩换能器在工作时产生的阻尼，如图4所示，将后盖板3设计为直槽口形，可以有效的减小因为后盖板3面积较大而产生较大的空气阻力。

最后，为了使双棒型超磁致伸缩换能器及时散热，如图2、3、5所示，对超磁致伸缩棒11、下导磁片10及上导磁片12均进行切槽处理使得超磁致伸缩棒11的内壁有多个长形槽a14，超磁致伸缩棒11的外壁有多个长形槽b15，长形槽a14与长形槽b15错开排布，上导磁片12和下导磁片10的外圆弧壁均有多个长形槽c16，以减小因线圈产生的涡流的影响。

在此基础上，双棒型超磁致伸缩主轴设有散热冷却结构，如图6、8所示，采取在刀柄1中心轴向开有通孔a的方式以达到进气的目的，在刀柄1与变幅杆5连接的一端开设多个排气槽17以达到出气的目的，从而对整个双棒型超磁致伸缩主轴进行散热降温的目的，保证其正常高效工作。

本发明双棒型超磁致伸缩主轴主要应用于板料单点增量成形，当然，也可以应用于其他的超声加工中。

本发明双棒型超磁致伸缩主轴的安装方式：

1)将双棒型超磁致伸缩超声换能器与变幅杆5进行安装，完成之后，使用四氟乙烯薄膜对两根超磁致伸缩棒11进行轻裹(防止线圈因超磁致伸缩棒的振动产生漏电)；

2)将线圈4依次缠绕在包有四氟乙烯薄膜的超磁致伸缩棒上(两根超磁致伸缩棒11上缠绕的线圈匝数相同)，并将线圈4末端固定在刀柄1穿线孔9的位置；

3)将双棒型超磁致伸缩超声换能器与变幅杆5连接的装配体通过螺栓装配到刀柄1上；

4)在刀柄拉钉13尾部接入软管，对双棒型超磁致伸缩超声换能器进行通风冷却；

5)为线圈4接入经过超声电源转换的高频电，并调节频率直至换能器的谐振频率点即可。其次，在接电之前，还需要对换能器进行适当的阻抗匹配，因为换能器中线圈的存在使得电路呈电感性，所以使用阻抗分析仪测量出换能器线路中的阻抗值，计算得到匹配电容的参数，在电路中接入计算大小的电容来实现阻抗匹配，保证超声换能器处于最佳电场工作状态。

本发明双棒型超磁致伸缩主轴安装有非接触式电能传输装置，非接触式电能传输装置分两部分，一部分是与双棒型超磁致伸缩主轴中的线圈4连接与主轴一起转动，另一部分是带有轴承是固定在机床上不动的。