面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法
【专利摘要】本发明提供了一种面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法。本发明不仅考虑了毛刺对超声波振动系统振幅的影响，而且利用谐振电路中电路复阻抗虚部为0的特点，计算并优化了超声振子的谐振频率，确保振子的谐振频率在设计频段范围内。
【专利说明】面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超声波振子的设计方法，尤其是一种应用于针对软磁铁氧体超声波去毛毛刺的超声波振子设计方法。
【背景技术】
[0002]目前，我国软磁铁氧体磁芯的产量已经跃居世界第一，但是产品质量亟待提高。磁芯表面的毛刺会影响软磁铁氧体磁芯的高频磁导率，同时也会对磁芯的装配性能产生影响。现阶段，控制磁芯表面毛刺的方法主要有:喷涂有机涂料、手工打磨、车削法等。但是这些方法都存在不同程度的局限性，首先，喷涂法本质上未去除磁芯表面的毛刺，只是将其隐藏到涂料之下；其次，手工打磨法虽然能够去除各种形状磁芯的毛刺，但是加工速度过慢而且质量难以稳定；最后，车削法虽然能够快速的去除软磁铁氧体磁芯表面的毛刺，但是只能用于圆柱形的磁芯，对磁芯形状的适应性不好。因此有必要使用新方法来去除软磁铁氧体磁芯表面的毛刺。
[0003]超声波加工已经被广泛应用于精密加工中，其核心部件是超声波振子(超声波换能器和超声波变幅杆)。首先，超声波换能器将超声波电源产生的电激励信号转化为超声波机械振动，然后通过超声波变幅杆将超声波振动放大到一定的幅度，满足具体加工的需要。超声波的振幅过大时可能会导致磁芯发生断裂，过小则难以去除毛刺。目前超声波振子的设计方比较完善，但是针对软磁铁氧体去毛刺加工过程的超声波振子设计缺乏必要的设计方法。
【发明内容】
[0004]针对软磁铁氧体超声波去毛刺中无超声波变振子的方法的问题，本发明提供了一种面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法，包括如下步骤:
首先，将软磁铁氧体磁芯表面毛刺简化为悬臂梁模型，并采用力电类比的方法得到悬臂梁在电路中的阻抗；
其次，采用力电类比的方法将超声振子简化成电路；
最后，将超声波振子和软磁铁氧体磁芯表面毛刺二者的力电类比电路串联得到整个超声波振动系统的力电类比电路；
根据悬臂梁失效条件，计算出超声波振动系统末端所需要的振幅，将末端需要的振动幅度除以换能器所能提供的振幅得到超声波振动系统的放大倍数；
对超声波振动系统的力电类比电路的复阻抗进行计算；首先利用超声波位移节点位置的振速为O的特点结合超声波变幅杆和换能器的界面，将超声波振子分成4段，再次利用各部分的复阻抗的虚部为O的电路谐振条件和变幅杆的放大倍数，结合所选用的变幅杆和换能器形状得到超声波换能器和超声波变幅杆的尺寸要求，最终得到超声波符合超声波振动系统频率要求的超声波换能器和超声波变幅杆，两者通过螺纹连接在一起，得到超声波振子。[0005]进一步的，所述变幅杆类型为阶梯形变幅杆或指数形变幅杆。
[0006]进一步的，所述超声波换能器采用郎之万结构。
[0007]本发明不仅考虑了毛刺对超声波振动系统振幅的影响，而且利用谐振电路中电路复阻抗虚部为O的特点，计算并优化了超声振子的谐振频率，确保振子的谐振频率在设计频段范围内。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是超声波振子结构示意图；
图2是变截面杆的力电类比模型；
图3是压电陶瓷晶堆的力电类比模型；
图4是圆柱形辐射端连接阶梯形变幅杆结构示意图；
图5是超声波振子的力电类比模型；
图6是楔形辐射端连接指数形变幅杆的示意图。
[0009]图中各附图标记含义:1-换能器，2-阶梯形变幅杆，3-换能器，4-指数形变幅杆，Ia-超声波换能器，Ib-超声波变幅杆，2.l-z2.1； 2.2-z2.2，2.3_z2.3，3.1-z^，3.2_z3.2，
3.3-z3.3，4a-超声波换能器的后板盖力电类比模型，4b-超声波换能器的压电陶瓷晶堆力电类比模型，4c-超声波换能器的前板盖力电类比模型，4d-超声波变幅杆低振幅段的力电类比模型，4e-超声波变幅杆过渡段的力电类比模型，4f-超声波变幅杆高振幅段的力电类比模型，4g-软磁铁氧体磁芯毛刺的力电类比模型；4.1-Zfl, 4.2-Zal，4.3-Zbl，4.4_Zlp，4.5_Zlp，
4.6-Za2,4.T-1b2A.8-ZT1,4.9_ZT2，4.1O-Ztn^.1 1-Zt12, 4.12_ZeT1，4.13-ZeT2, 4.14~Zf2,
4.15-ZeT3，4.16-Ζ\3，4.17_ZT3，4.18-Zc2, 4.19_Z2p，4.20- T1,4.21- Zcl。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0011]本发明的面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法，首先，将软磁铁氧体磁芯表面毛刺简化为悬臂梁模型，并采用力电类比的方法得到悬臂梁在电路中的阻抗；其次，采用力电类比的方法将超声振子简化成电路；最后，将超声波振子和软磁铁氧体磁芯表面毛刺二者的力电类比电路串联得到整个超声波振动系统的力电类比电路；
根据悬臂梁失效条件，计算出超声波振动系统末端所需要的振幅，将末端需要的振动幅度除以换能器所能提供的振幅得到超声波振动系统的放大倍数；
对超声波振动系统的力电类比电路的复阻抗进行计算；利用复阻抗的虚部为O的电路谐振条件和变幅杆的放大倍数，结合所选用的变幅杆类型得到超声波换能器和超声波变幅杆的尺寸要求，最终得到超声波符合超声波振动系统频率要求的超声波换能器和超声波变幅杆，两者通过螺纹连接在一起，得到超声波振子。
[0012]实施例1 如图1所示，超声波去毛刺机的超声波振子，采用PZT-4转换电能和机械能，压电超声波换能器采用的是郎之万结构。由力电类比只是可知:变截面杆的力电类比电路可有一个“T”形电路表示，如图2所示:
【权利要求】
1.一种面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法，包括如下步骤: 首先，将软磁铁氧体磁芯表面毛刺简化为悬臂梁模型，并采用力电类比的方法得到悬臂梁在电路中的阻抗； 其次，采用力电类比的方法将超声振子简化成电路； 最后，将超声波振子和软磁铁氧体磁芯表面毛刺二者的力电类比电路串联得到整个超声波振动系统的力电类比电路； 根据悬臂梁失效条件，计算出超声波振动系统末端所需要的振幅，将末端需要的振动幅度除以换能器所能提供的振幅得到超声波振动系统的放大倍数； 对超声波振动系统的力电类比电路的复阻抗进行计算；首先利用超声波位移节点位置的振速为O的特点结合超声波变幅杆和换能器的界面，将超声波振子分成4段，再次利用各部分的复阻抗的虚部为O的电路谐振条件和变幅杆的放大倍数，结合所选用的变幅杆和换能器形状得到超声波换能器和超声波变幅杆的尺寸要求，最终得到超声波符合超声波振动系统频率要求的超声波换能器和超声波变幅杆，两者通过螺纹连接在一起，得到超声波振子。
2.如权利要求1所述的面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法，其特征在于:所述变幅杆类型为阶梯形变幅杆或指数形变幅杆。
3.如权利要求1所述的面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法，其特征在于:所述超声波换能器采用郎之万结构。
【文档编号】B06B1/04GK103934187SQ201410199781
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】唐廷浩, 郑慧峰 申请人:中国计量学院