一种贴片式固支梁型正交复合超声波拉丝振子的制作方法

本发明涉及超声波振动拉丝振子技术领域，特别涉及一种贴片式固支梁型正交复合超声波拉丝振子。

背景技术：

压电超声波振动拉丝就是在常规拉丝过程中叠加超声波振动能的加工工艺，通过压电片将由超声驱动器产生的交变电信号转换成超声波振动能，再经过变幅杆的放大匹配，将超声波振动能传递到拉丝模上，从而激励拉丝模的振动，然后被加工材料通过这样的振动模具进行拉拔加工，进而获得超声波振动能对金属材料塑性成形的作用。

现有技术中的超声波振动拉丝多为纵向振动，振动形式单一。研究表明复合超声波振动更有利于减小拉拔力，提高丝材加工精度及丝材加工后的表面质量。目前拉丝模正交振动的复合采用两个夹心式纵振超声振子正交放置来获得拉丝两个方向的正交振动。如文献：齐海群,单小彪,谢涛.正交复合超声波振动拉丝[J].北京科技大学学报,2010,01:89-95.中提出的正交振子。其结构虽然能实现拉丝模的正交复合运动，但两个超声纵向超声振子在输出端机械连接，振子间形成附加负载，存在超声能量的损耗；夹心式超声振子装配复杂，且超声振子与拉丝模间的超声波振动传递存在超声能量的损耗。故现有正交振子存在实际应用性差、耗能大等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种贴片式固支梁型正交复合超声波拉丝振子。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种贴片式固支梁型正交复合超声波拉丝振子，所述超声波拉丝振子包括金属基体梁1、压电陶瓷2；所述金属基体梁1设有拉丝模模芯1-1；所述金属基体梁1沿厚度方向开设频率简并槽1-2；所述金属基体梁1的横截面为矩形，两端设有固定端1-3，用于超声波拉丝振子的固支；所述压电陶瓷2均沿长度方向极化，工作在D33模式下；所述压电陶瓷分为2组，即金属基体梁上下表面各贴1片压电陶瓷，构成纵向压电陶瓷组2-1，金属基体梁前后两侧面各贴2片压电陶瓷，构成横向压电陶瓷组2-2；所述纵向压电陶瓷组2-1上下面所贴压电陶瓷极性方向相反；所述横向压电陶瓷组2-2前后侧面所贴压电陶瓷极性方向相反。

优选地，所述拉丝模模芯1-1与金属基体梁1加工成一体件，金属基体梁1充当拉丝模模芯1-1的模套。

优选地，所述频率简并槽1-2位于金属基体梁1中心及两端，贯穿金属基体梁上下表面；所述频率简并槽1-2为矩形槽、三角槽、椭圆槽或半圆槽，所述频率简并槽1-2位置、尺寸可进行调整。

优选地，所述压电陶瓷2工作在D33模式下，采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率的同相交流电压信号分别激励纵向压电陶瓷组2-1和横向压电陶瓷组2-2。

优选地，所述压电陶瓷2工作在D33模式下，采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率的反相交流电压信号分别激励纵向压电陶瓷组2-1和横向压电陶瓷组2-2。

优选地，所述压电陶瓷2工作在D33模式下，采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率，相位角相差90°的交流电压信号分别激励纵向压电陶瓷组2-1和横向压电陶瓷组2-2。

优选地，所述压电陶瓷2工作在D33模式下，采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率，相位角相差270°的交流电压信号分别激励纵向压电陶瓷组2-1和横向压电陶瓷组2-2。

优选地，采用频率为振子自身谐振频率的交流电压信号仅对纵向压电陶瓷组2-1进行激励使正交复合超声振子作为纵向超声振子使用。

优选地，采用频率为振子自身谐振频率的交流电压信号仅对横向压电陶瓷组2-2进行激励使正交复合超声振子作为横向超声振子使用。

本发明的贴片式固支梁型正交复合超声波拉丝振子中的压电陶瓷2工作在D33模式下，采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率的交流电压信号激励，产生高频的弯曲振动。其中通过纵向压电陶瓷组2-1驱动振子厚度方向的弯曲振动，从而实现拉丝模模芯1-1的纵向超声波振动；通过横向电陶瓷组2-2驱动振子侧向的弯曲振动，从而实现拉丝模模芯1-1的横向超声波振动；以上两个方向的超声波振动的频率简并通过位于金属基体梁1中心的频率简并槽1-2实现。

本发明的利用固支梁两个方向的一阶弯曲振动实现拉丝模模芯的正交复合运动，具有激励方式简单、结构简单、设计灵活、可系列化生产的优点。

本发明的利用金属基体梁1与拉丝模模芯1-1加工为一体件，避免了传统超声波拉丝振子与拉丝模之间超声能传递过程中的损耗问题，具有能量利用率高的优点。

附图说明

图1是本发明所述的贴片式固支梁型正交复合超声波拉丝振子的立体结构示意图；

图2是本发明所述的振子的金属基体梁立体示意图；

图3是本发明所述的振子的纵向压电陶瓷组极化方向示意图；

图4是本发明所述的振子的横向压电陶瓷组极化方向示意图；

图5是本发明所述的振子的沿厚度方向的弯振振型示意图；

图6是本发明所述的振子的沿侧向方向的弯振振型示意图；

图7是本发明所述的振子的不同具体实施方式下拉丝模模芯运动轨迹示意图；

(1、金属基体梁；1-1、拉丝模模芯；1-2、频率简并槽；1-3、固定端；2、压电陶瓷；2-1、纵向压电陶瓷组；2-2、横向压电陶瓷组；A为纵向超声波振动振幅；B为横向超声波振动振幅；)

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图1是本发明所述的贴片式固支梁型正交复合超声波拉丝振子的立体结构示意图；图2是本发明所述的振子的金属基体梁立体示意图；图3是本发明所述的振子的纵向压电陶瓷组极化方向示意图；图4是本发明所述的振子的横向压电陶瓷组极化方向示意图；结合图1-图4，一种贴片式固支梁型正交复合超声波拉丝振子，所述超声波拉丝振子包括金属基体梁1、压电陶瓷2；所述金属基体梁1设有拉丝模模芯1-1；所述拉丝模模芯1-1与金属基体梁1加工成一体件，金属基体梁1充当拉丝模模芯1-1的模套；所述金属基体梁1中心及两端均沿厚度方向开设有横截面为半圆的频率简并槽1-2；所述金属基体梁1的横截面为矩形，两端设有固定端1-3，用于超声波拉丝振子的固支；六片压电陶瓷2均沿长度方向极化，分别贴于金属基体梁1的上、下、左前、右前、左后、右后六个面上，其中金属基体梁1上下表面所贴压电陶瓷极性方向相反，上表面陶瓷片极性方向左正右负，下表面陶瓷片极性方向左负右正，构成纵向压电陶瓷组2-1；金属基体梁1前后两侧面各贴2片压电陶瓷，所贴压电陶瓷极性方向相反，前表面陶瓷片极性方向左正右负，后表面陶瓷片极性方向左负右正，构成横向压电陶瓷组2-2。压电陶瓷2工作在D33模式下，采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率的同相交流电压信号分别激励纵向压电陶瓷组2-1和横向压电陶瓷组2-2。

所述频率简并槽1-2还可以为矩形槽、三角槽或椭圆槽等，所述频率简并槽1-2位置、尺寸可根据实际情况进行调整。

实施例2

本实施方案与实施方案一不同在于，六片压电陶瓷2工作在D33模式下，采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率的反相交流电压信号分别激励纵向压电陶瓷组2-1和横向压电陶瓷组2-2。

实施例3

本实施方案与实施方案一不同在于，六片压电陶瓷2工作在D33模式下，采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率，相位角相差90°的交流电压信号分别激励纵向压电陶瓷组2-1和横向压电陶瓷组2-2。

实施例4

本实施方案与实施方案一不同在于，六片压电陶瓷2工作在D33模式下，采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率，相位角相差270°的交流电压信号分别激励纵向压电陶瓷组2-1和横向压电陶瓷组2-2。

实施例5

本实施方案与实施方案一不同在于，压电陶瓷2工作在D33模式下，采用频率为振子自身谐振频率的交流电压信号仅对纵向压电陶瓷组2-1进行激励使正交复合超声振子作为纵向超声振子使用。

实施例6

本实施方案与实施方案一不同在于，压电陶瓷2工作在D33模式下，采用频率为振子自身谐振频率的交流电压信号仅对横向压电陶瓷组2-2进行激励使正交复合超声振子作为横向超声振子使用。

图7为本发明所述的振子在实施例1-实施例6具体实施方式下拉丝模模芯运动轨迹示意图，从图中可以看出不同实施方式下拉丝模模芯的运动轨迹。

本发明的贴片式固支梁型正交复合超声波拉丝振子中的压电陶瓷2工作在D33模式下，采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率的交流电压信号激励，产生高频的弯曲振动。其中通过纵向压电陶瓷组2-1驱动振子厚度方向的弯曲振动，如图5所示，从而实现拉丝模模芯1-1的纵向超声波振动；通过横向电陶瓷组2-2驱动振子侧向的弯曲振动，如图6所示，从而实现拉丝模模芯1-1的横向超声波振动；以上两个方向的超声波振动的频率简并通过位于金属基体梁1中心的频率简并槽1-2实现。

本发明的利用固支梁两个方向的一阶弯曲振动实现拉丝模模芯的正交复合运动，具有激励方式简单、结构简单、设计灵活、可系列化生产的优点。

本发明的利用金属基体梁1与拉丝模模芯1-1加工为一体件，避免了传统超声波拉丝振子与拉丝模之间超声能传递过程中的损耗问题，具有能量利用率高的优点。

以上对本发明所提供的一种贴片式固支梁型正交复合超声波拉丝振子，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。