专利名称：超声复合振动体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声加工设备的用于振动加工(焊接、切削、研磨等)金属和非金属材 料的超声波设备工具，尤其是涉及一种超声复合振动体。
背景技术：
现有的用于振动加工(焊接、切削、研磨等)金属和非金属材料的超声波设备工具是利 用切向极化的压电陶瓷换能器、周向的磁致伸縮扭转换能器、纵振推挽式振动装置或螺旋沟 槽式振动装置等(1、曹凤国.超声加工技术.北京化学工业出版社，2005; 2、张云电.超声
加工技术.北京国防工业出版社，1995)。上述设备所存在的主要缺点是利用切向极化的压
电陶瓷换能器和周向的磁致伸缩扭转换能器难以实现大功率，利用纵振推挽式振动装置难以 实现整个振动装置的旋转，而螺旋沟槽式振动装置的几何尺寸、位置及角度等对共振频率都 有影响，要兼顾纵振与扭振同频共振，设计困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于超声波加工设备的超声复合振动体。 本发明设有一长棒，在长棒的一端接有同轴的小质量棒，小质量棒的截面积等于或小于 长棒的截面积，小质量棒的质量小于长棒的质量。 长棒可以是等截面或变截面的回转体或多边形体。
小质量棒可以是等截面或变截面的回转体或多边形体，在小质量棒的周向设有至少2条
斜槽，斜槽最好是均布的斜槽。
本发明可直接与纵振换能器或其变幅杆连接构成共振体，可在复合振动体的输出端产生 复合振动。它不必改变换能器原有的节面支撑，只需考虑与换能器纵振频率一致即可。
本发明的结构设计基于超声波传输理论，如对于等截面长棒接小体积棒的机械输入阻抗
为Z￡ = A tan"/! +arctan ~
式中Z,-ac^ ，为长棒的特性阻抗，p,、 c,、 分别为长棒的密度、纵波声速和截面积；& 为长棒纵波波数，A为长棒的长度；Z2=y^^7 ，为小质量棒产生的总阻抗，
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，为小质量棒的纵波阻抗；《=
Z21 + Z:
为小质量棒的扭转波总阻抗，
《
，为小质量棒的扭转波阻抗，
，为长棒的扭转波
阻抗，/92、 c2、 ^分别为小质量棒的密度、纵波声速和截面IR，、为小质量棒的纵波波数，/2 为小质量棒的长度，A为小质量棒的力转换系数；c2,、 /2分别为小质量棒的扭转波声速和 截面极惯性矩，^,为小质量棒的扭转波波数，A,为小质量棒的力一扭矩转换系数。q,、 ^分
别小质量棒的为长棒扭转波声速和截面极惯性矩， 为小质量棒的扭转波波数，么,为小质量
棒的力一扭矩转换系数。
由上式可以得到其整体的共振频率公式为
从上式中可以看出当参数A、 &、 /2、 /2中某一个很小时，也就是说当小质量棒相对长 棒的质量小得多时，22很小，所以/,受小质量棒的影响很小，可以得出小质量棒的阻抗形式
对整个纵振模态的影响很小。这种情况类似于利用纵振加工时，当有较小的力和扭矩负载时， 整个纵振的模态不变，只是频率略有降低。
上述各参数可严格按频率公式计算，但计算复杂。显然由于小质量棒的阻抗小，因此设 计计算可以大大简化。设计时Z,可以只考虑完全的纵波阻抗，按频率公式确定长棒/,或先按
纵波频率公式确定不带小质量棒时的长棒/,，然后按近似公式确定带小质量棒时长棒/,的缩 短量为
式中，W,为小质量棒的质量，^、 A分别是长棒接小质量棒位置的面积(即长棒输出面积) 和长棒的密度。由此可见，很小的Z2将使A略有减短。这样再根据有限元模态分析或实验的 结果对/,进行很少的修正，以满足要求的频率。 一般情况下长棒的体积是小质量棒体积的15
倍以上，/,修正量不大。
与现有的用于振动加工复合体相比，本发明与换能器或换能器变幅杆同轴连接，当换能
器施加电信号时，纵振在短棒斜槽位置转换为纵扭复合振动输出，可实现超声波复合振动加 工。
图1为本发明实施例1的结构示意图。 图2为本发明实施例2的结构示意图。 图3为本发明与换能器构成的复合振动装置结构示意图。
图4为长棒接开斜槽棒位移矢量模态图。在图4中，位移单位mm，最大位移为lmm，位 移量由大至小依次为l細e+00， 8.914e-01, 7.827e-01 ， 6.741e-01 ， 55e-01 ， 4.568e-01 ， 3.482e-01 ， 2.396e-01， 1.309e-01， 2.229e-02，箭头方向为位移矢量方向，箭头的长度代表位移量的大小； 模态l，共振频率为+1.9940E+04Hz。
图5为长棒接开斜槽变截面棒位移矢量模态图。在图5中，位移单位mm，最大位移为 l醒，位移量由大至小依次为l細e+00， 8.905e-01， 7細e陽01， 6. 741e-01， 5.618e-01， 4.523e-01， 3.427e-01， 2.332e-01， 1.236e-01， 1.407e-02，箭头方向为位移矢量方向，箭头的 长度代表位移量的大小；模态l，共振频率为+1.9717E+04Hz。
图6为长棒接空心圆处开斜槽变截面棒位移矢量模态图。在图6中，位移单位mm，最 大位移为lmm，位移量由大至小依次为1.000e+00，8.911e-01，7.822e-01，6. 733e-01 ，5.644e-01 ， 4.556e-01， 3.467e-01， 2.378e-01， 1.289e-01， 2.001e-02，箭头方向为位移矢量方向，箭头的 长度代表位移量的大小；模态l，共振频率为+1.9708E+04Hz。
图7为锥形长棒接开斜槽棒位移矢量模态图。在图7中，位移单位mm，最大位移为lmm， 位移量由大至小依次为l.OOOe+OO, 8.920e-01， 7.841e-01， 6.761e-01， 5.682e-01， 4.602e-01， 3.523e-01， 2.443e-01， 1.364e-01， 2.844e-02，箭头方向为位移矢量方向，箭头的长度代表位 移量的大小；模态l，共振频率为+2.0027E+04Hz。
图8为锥形长棒接空心圆处开斜槽变截面棒位移矢量模态图。在图8中，位移单位mm, 最大位移为lmm，位移量由大至小依次为1.000e+00， 8.905e-01， 7.811e-01， 6. 716e-01， 5.621e-01， 4.526e-01， 3.432e-01， 2.337e-01， 1.242e-01， L476e國02，箭头方向为位移矢量方 向，箭头的长度代表位移量的大小；模态l，共振频率为+1.9837E+04Hz。
具体实施例方式
图1给出本发明实施例1的结构示意图，本发明设有一长棒1，在长棒1的一端接有同 轴的小质量棒3，小质量棒3的质量小于长棒1的质量。在小质量棒3的周向开有均布斜槽2。 长棒1和小质量棒3是等截面或变截面的回转体。长棒1与小质量棒3可以一体成型也可以
同轴连接。小质量棒3可以连接工具4 (参见图2给出的本发明实施例2的结构示意图)也 可以与工具一体。
图3给出本发明与换能器构成的复合振动装置，当对纵振换能器6施加电信号时，复合 振动装置在纵振模态下激振，纵波振动传递到复合振动体(由长棒1和小质量棒3组成，小 质量棒3上开有斜槽2)，复合振动体的小质量棒3上的斜槽2使纵波振动成为纵扭复合振动。 利用这一前端面的复合振动可实现超声振动加工。在图3中，节面左侧为变幅杆5，节面的 位移为0，作为固定位置。
以下给出本发明的应用形态实例
1. 以20KHz频率半波长进行设计。等截面钢长棒的直径为35mm，可以得到纵振半波 长度为126mm。如接小质量棒材料为钢，直径取16mm，长度取20mm，距连接截面lmm处 均布开4个与轴线成25。的斜槽。斜槽长15mm、深5mm、宽0.5mm，対称于轴线构成复合
振动体。经计算可以得到，当长棒长度^ 126mm减少为121mm时，保证纵扭共振模态频率 为20KHz。由图4可见，有限元模态分析结果频率为19.94KHz与计算误差很小，位移矢量 表明输出振动为复合振动。
2. 同样以20KHz频率半波长进行设计，其它条件不变。小质量棒为阶梯变截面。直径 分别为16mm和8mm，长度分别为18mm和30mm。斜槽与上述一致开在直径16mm的园上。
经计算可以得到，当长棒长度A减少为120mm时，保证纵扭共振模态频率为20KHz。由图5 可见，有限元模态分析结果频率为19.717KHz与计算误差很小，位移矢量表明输出振动为复 合振动。
3. 同样以20KHz频率半波长进行设计，其它条件不变。小质量棒仍取变截面， 一段实 心直径取18mm，长度取15mm， 一段空心外径取18mm、内径取10mm、长度取20mm，在 空心处均布开4个与轴线成30。的斜槽。斜槽长15mm、开通至内圆表面、宽lmm，対称于
轴线。经计算可以得到，当长棒长度^减少为119mm时，保证纵扭共振模态频率为20KHz。 由图6可见，有限元模态分析结果频率为19.708KHz与计算误差很小，位移矢量表明输出振 动为复合振动。
4. 对变截面长棒，如锥形钢长棒，以20KHz频率半波长进行设计。长棒取大端直径35mm、 小端直径20mm。可以得到纵振半波长度为129mm。如接小质量棒材料为钢，直径取15mm， 长度取20mm，距连接截面lmm处均布开4个与轴线成25。的斜槽。斜槽长15mm、深5mm、
宽0.5mm，対称于轴线构成复合振动体。经计算可以得到，当长棒长度^减少为119mm时，
保证纵扭共振模态频率为20KHz。由图7可见，有限元模态分析结果频率为20.0027KHz与 计算基本一致，位移矢量表明输出振动为复合振动。
5.对于实例4，如接变截面小质量棒，材料为钢， 一段实心直径取15mm，长度取15mm， 一段空心外径取15mm、内径取10mm、长度取20mm,在空心处均布开4个与轴线成30°的 斜槽。斜槽长15mm、开通至内圆表面、宽lmm，対称于轴线构成复合振动体。经计算可以
得到，当长棒长度^减少为114mm时，保证纵扭共振模态频率为20KHz。由图8可见，有限 元模态分析结果频率为19.837KHz与计算基本一致，位移矢量表明输出振动为复合振动。 从上面的实例分析结果可以看出，长棒和小质量棒在不同截面的组合情况下，简化的设
计计算结果与有限元分析结果误差很小。如对长棒长度/,作少量的修正，并通过实验，可以
准确地保证要求频率下的纵扭共振模态。从模态分析的结果也可以看出小质量棒的输出端位 移矢量成纵扭共振两个方向，长棒的位移矢量基本保证纵向的振动方向并且有纵向的位移节 点。按照这种结构设计，必须保证小质量棒的质量比长棒的质量要小的多。 一般的情况下只 要保证小质量棒的质量使得长棒长度尺寸縮短不超过其按纵向振动频率公式得到的半波长度
的1/7即A/《A/7，对于长棒和小质量棒不同材料的组合仍然可以得到很好的效果。
权利要求
1.超声复合振动体，其特征在于设有一长棒，在长棒的一端接有同轴的小质量棒，小质量棒的截面积等于或小于长棒的截面积，小质量棒的质量小于长棒的质量。
2. 如权利要求1所述的超声复合振动体，其特征在于长棒为等截面或变截面的回转体， 或长棒为等截面或变截面的多边形体。
3. 如权利要求1所述的超声复合振动体，其特征在于小质量棒为等截面或变截面的回转 体，或小质量棒为等截面或变截面的多边形体。
4. 如权利要求1所述的超声复合振动体，其特征在于在小质量棒的周向设有至少2条斜槽。
5. 如权利要求1所述的超声复合振动体，其特征在于斜槽为均布的斜槽。
全文摘要
超声复合振动体，涉及一种超声加工设备的用于振动加工金属和非金属材料的超声波设备工具，尤其是涉及一种超声复合振动体。提供一种用于超声波加工设备的超声复合振动体。设有一长棒，在长棒的一端接有同轴的小质量棒，小质量棒的截面积等于或小于长棒的截面积，小质量棒的质量小于长棒的质量。与现有的用于振动加工复合体相比，与换能器或换能器变幅杆同轴连接，当换能器施加电信号时，纵振在短棒斜槽位置转换为纵扭复合振动输出，可实现超声波复合振动加工。
文档编号B06B1/02GK101108379SQ200710009459
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月31日 优先权日2007年8月31日
发明者钧 皮 申请人:钧 皮