超声波换能器及其制作方法与流程

本发明涉及旋转超声加工技术领域，特别是涉及一种超声波换能器及其制作方法。

背景技术

对于超硬、超脆等特殊材料的加工，普通的加工工艺加工效果差，效率低，无法满足这类材料的加工精度要求。旋转超声加工技术，即将超声加工与工具旋转组合起来的加工模式，其可用于对这类特殊材料的加工，加工精度高，效率高，逐渐得到了广泛的应用。在旋转超声加工技术中，超声波换能器是超声加工中将超声电能转化为机械高频振动的核心执行机构，其工作原理是利用压电逆效应将频率电信号转换为高频机械振动，通过超声变幅杆对机械振动进行放大，并将振动传输到加工工件。传统的超声波换能器制作时，容易受杂质干扰，产品的阻抗与频率无法满足设计要求，产品使用的稳定较差。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种超声波换能器及其制作方法，该超声波换能器及其制作方法能够提高产品的使用稳定性，制作方便。

其技术方案如下：

一种超声波换能器的制作方法，包括以下步骤：

s1、对超声波换能器的各个部件进行表面清洁；

s2、将超声波换能器的盖板安装在超声波换能器的锁紧螺栓的螺杆上，将超声波换能器的压电振子安装在超声波换能器的锁紧螺栓的螺杆上，且所述盖板位于所述锁紧螺栓的螺帽与所述压电振子之间，得到螺栓安装整体件；

s3、将螺栓安装整体件中的锁紧螺栓拧紧至超声波换能器的变幅杆的后端面的螺纹孔中，得到超声波换能器半成品；

s4、将超声波换能器半成品放入恒温炉中进行恒温去应力。

上述超声波换能器的制作方法，通过对超声波换能器的各个部件进行表面清洁，能够防止杂质干扰，保证制作得到的超声波换能器成品的阻抗与频率满足设计要求，提高产品使用的稳定性，通过将超声波换能器半成品放入恒温炉中进行恒温去应力，能够提高产品的性能稳定性，保证产品使用稳定可靠；此外，通过采用步骤s2和s3组装超声波换能器的各个部件，制作方便。

进一步地，在所述s2步骤中，在将超声波换能器的盖板安装在超声波换能器的锁紧螺栓的螺杆上的步骤之前，还包括步骤：

将超声波换能器的第一热缩绝缘管套设在超声波换能器的锁紧螺栓的螺杆上，加热使得第一热缩绝缘管热缩固定在所述螺杆上，其中，所述第一热缩绝缘管的长度与所述压电振子和所述盖板的长度之和匹配，所述第一热缩绝缘管的安装位置与所述压电振子和所述盖板安装位置相对应。

进一步地，在所述s2步骤中，在所述将超声波换能器的盖板安装在超声波换能器的锁紧螺栓的螺杆上的步骤之后，所述将超声波换能器的压电振子安装在超声波换能器的锁紧螺栓的螺杆上的步骤之前，还包括步骤：

将超声波换能器的第二热缩绝缘管套设在超声波换能器的锁紧螺栓的螺杆上，加热使得第二热缩绝缘管热缩固定在所述螺杆上，其中，所述第二热缩绝缘管的长度与所述压电振子的长度匹配，所述第二热缩绝缘管的安装位置与所述压电振子的安装位置相对应。

进一步地，在所述s1步骤之前，还包括步骤：

s0、对所述锁紧螺栓的螺帽上用于与盖板接触的装配侧面进行预加工，研磨所述装配侧面，使得所述装配侧面表面光滑，所述装配侧面与所述螺杆上的螺纹的中轴线垂直。

进一步地，在所述s3步骤之后，s4步骤之前，还包括步骤：

s3a、将所述超声波换能器半成品的压电振子的各电极片短路连接。

进一步地，在所述s4步骤之后，还包括步骤：

s5、再次拧紧所述锁紧螺栓进行二次加压，得到超声波换能器成品。

进一步地，所述s4步骤具体包括：

将超声波换能器半成品放入恒温炉内以90℃±5℃老化10h～14h，以70℃±5℃保温2.5h～3.5h；

取出经过处理后的换能器半成品，室温静置85d～95d。

进一步地，所述s1步骤具体包括：

超声清洗去除超声波换能器的各个部件上的油污；

丙酮清洗超声波换能器的各个部件的接触表面。

进一步地，所述s2步骤和s3步骤在无尘车间进行。

本技术方案还提供了一种超声波换能器，所述的超声波换能器采用如上所述的超声波换能器的制作方法制作得到。

上述超声波换能器，采用所述的超声波换能器的制作方法制作得到，具备所述的该超声波换能器的制作方法的技术效果，产品使用稳定性好，制作方便。

附图说明

图1为本发明一实施例所述的超声波换能器的制作方法的流程示意图。

图2为本发明一实施例所述的超声波换能器的结构示意图；

图3为本发明一实施例所述的超声波换能器的爆炸结构示意图；

图4为本发明一实施例所述的超声波换能器的正视图；

图5为图4的剖面结构示意图；

图6为本发明一实施例所述的热缩绝缘管的剖视图。

附图标记说明：

100、盖板，110、固定孔，200、锁紧螺栓，210、螺帽，212、装配侧面，220、螺杆，300、压电振子，310、安装孔，320、第一压电陶瓷片，330、第一电极片，340、第二压电陶瓷片，350、第二电极片，360、第三压电陶瓷片，370、第三电极片，380、第四压电陶瓷片，390、第四电极片，400、变幅杆，410、杆本体，412、螺纹孔，414、内锥孔，416、螺旋槽，420、装配法兰，422、环形凹槽，424、减振孔，500、热缩绝缘管，510、第一热缩绝缘管，520、第二热缩绝缘管。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。本文所使用的术语“第一”、“第二”等在本文中用于区分对象，但这些对象不受这些术语限制。

如图1、图2、图3所示，一实施例提供一种超声波换能器的制作方法，包括以下步骤：

s1、对超声波换能器的各个部件进行表面清洁。

进一步地，所述s1步骤具体包括：

s11、超声清洗去除超声波换能器的各个部件上的油污；

s12、丙酮清洗超声波换能器的各个部件的接触表面。

采用上述方法，先通过超声波对超声波换能器的各个部件进行清洁，再通过丙酮对超声波换能器的各个部件的接触表面进行二次清洁，清洁效果好，能够有效去除杂质，防止杂质干扰，保证产品的阻抗与频率在设计范围内，保证产品性能稳定。

s2、将超声波换能器的盖板100安装在超声波换能器的锁紧螺栓200的螺杆220上，将超声波换能器的压电振子300安装在超声波换能器的锁紧螺栓200的螺杆220上，且所述盖板100位于所述锁紧螺栓200的螺帽210与所述压电振子300之间，得到螺栓安装整体件。

s3、将螺栓安装整体件中的锁紧螺栓200拧紧至超声波换能器的变幅杆400的后端面的螺纹孔412中，得到超声波换能器半成品。

本实施例中，所述s2步骤和s3步骤在无尘车间进行，能够有效防止各部件在组装过程中被杂质干扰，保证产品的阻抗与频率在设计范围内，保证产品性能稳定。

s4、将超声波换能器半成品放入恒温炉中进行恒温去应力。

进一步地，所述s4步骤具体包括：

s41、将超声波换能器半成品放入恒温炉内以90℃±5℃老化10h～14h，以70℃±5℃保温2.5h～3.5h；

s42、取出经过处理后的换能器半成品，室温静置85d～95d。

采用上述方法对超声波换能器半成品进行恒温老化，能够使得超声波换能器半成品度过性能变化期，达到性能稳定期，从而提高产品使用中的稳定性。

可选地，所述s4步骤具体包括：将超声波换能器半成品放入恒温炉内以95℃老化12h，以75℃保温3h后，取出经过处理后的换能器半成品，室温静置90d，完成产品老化。如此，去应力效果好，能够有效提高产品使用中的稳定性。

上述超声波换能器的制作方法，通过对超声波换能器的各个部件进行表面清洁，能够防止杂质干扰，保证制作得到的超声波换能器成品的阻抗与频率满足设计要求，提高产品使用的稳定性，通过将超声波换能器半成品放入恒温炉中进行恒温去应力，能够提高产品的性能稳定性，保证产品使用稳定可靠；此外，通过采用步骤s2和s3组装超声波换能器的各个部件，制作方便。

进一步地，在所述s2步骤中，在将超声波换能器的盖板100安装在超声波换能器的锁紧螺栓200的螺杆220上的步骤之前，还包括步骤：将超声波换能器的第一热缩绝缘管510套设在超声波换能器的锁紧螺栓200的螺杆220上，加热使得第一热缩绝缘管510热缩固定在所述螺杆220上，其中，如图3、图5所示，所述第一热缩绝缘管510的长度与所述压电振子300和所述盖板100的长度之和匹配，所述第一热缩绝缘管510的安装位置与所述压电振子300和所述盖板100安装位置相对应。如此，第一热缩绝缘管510能够起到隔离锁紧螺栓200与盖板100、压电振子300的作用，进而起到绝缘保护作用，防止压电振子300通过锁紧螺栓200发生短路，提高产品使用的稳定性；此外，第一热缩绝缘管510在安装时可先热缩安装在锁紧螺栓200上，不会影响锁紧螺栓200与其他部件的装配，装配方便、快捷。

进一步地，在所述s2步骤中，在所述将超声波换能器的盖板100安装在超声波换能器的锁紧螺栓200的螺杆220上的步骤之后，所述将超声波换能器的压电振子300安装在超声波换能器的锁紧螺栓200的螺杆220上的步骤之前，还包括步骤：将超声波换能器的第二热缩绝缘管520套设在超声波换能器的锁紧螺栓200的螺杆220上，加热使得第二热缩绝缘管520热缩固定在所述螺杆220上，其中，所述第二热缩绝缘管520的长度与所述压电振子300的长度匹配，所述第二热缩绝缘管520的安装位置与所述压电振子300的安装位置相对应。如此，第二热缩绝缘管520能够起到进一步隔离锁紧螺栓200与压电振子300的作用，进一步配合第一热缩绝缘管510，既能够对压电振子300加强保护，防止短路，又不会使得绝缘管的管厚太厚而影响锁紧螺栓200与盖板100的装配；此外，采用上述装配方法，第一热缩绝缘管510与第二热缩绝缘管520在实现较好保护效果的基础上，各部件装配方便，装配效率较高。

进一步地，如图5所示，在所述s1步骤之前，还包括步骤：s0、对所述锁紧螺栓200的螺帽210上用于与盖板100接触的装配侧面212进行预加工，研磨所述装配侧面212，使得所述装配侧面212表面光滑，所述装配侧面212与所述螺杆220上的螺纹的中轴线垂直。进而，通过对锁紧螺栓200进行预加工，当锁紧螺栓200拧紧后，锁紧螺栓200的装配侧面212能够为压电振子300提供压力均匀的锁紧力，使得压电振子表面各处所受到的压力统一均匀，提高压电振子300的性能，保证产品的阻抗与频率在设计范围内。

进一步地，在所述s3步骤之后，s4步骤之前，还包括步骤：s3a、将所述超声波换能器半成品的压电振子300的各电极片短路连接。如此，能够防止压电振子300损坏。可选地，压电振子300的各电极片采用铜线短路连接，短路效果好。

进一步地，在所述s4步骤之后，还包括步骤：s5、再次拧紧所述锁紧螺栓200进行二次加压，得到超声波换能器成品。从而，通过对经过恒温去应力后的超声波换能器半成品进行二次加压，可防止锁紧螺栓200经过恒温去应力后锁紧力度不够，提高锁紧效果，保证产品的阻抗与频率在设计范围内。

另一实施例还提供了一种超声波换能器，所述的超声波换能器采用如上所述的超声波换能器的制作方法制作得到。上述超声波换能器，采用所述的超声波换能器的制作方法制作得到，具备所述的该超声波换能器的制作方法的技术效果，产品使用稳定性好，制作方便。

如图2、图3所示，另一实施例提供的超声波换能器包括盖板100、锁紧螺栓200、压电振子300、变幅杆400以及热缩绝缘管500。所述变幅杆400的后端面上开设有与所述锁紧螺栓200匹配的螺纹孔412。所述压电振子300设置在所述变幅杆400的后端面上。所述压电振子300上开设有安装孔310。所述盖板100设置在所述压电振子300远离所述变幅杆400的一侧。所述盖板100上开设有固定孔110。所述锁紧螺栓200用于穿过所述固定孔110、安装孔310与所述螺纹孔412配合，使得所述压电振子300、盖板100锁紧在所述变幅杆400上。如图4、图5所示，所述热缩绝缘管500设置在所述锁紧螺栓200与所述压电振子300、盖板100之间。本实施例中，变幅杆400用于安装加工刀具的一端为前端，变幅杆400用于安装压电振子300的一端为后端。

上述超声波换能器，通过将压电振子300设置在变幅杆400的后端面上，变幅杆400的后端相当于压电振子300的前盖板100，盖板100相当于压电振子300的后盖板100，通过锁紧螺栓200与变幅杆400上的螺纹孔412配合将压电振子300锁紧在变幅杆400上，无需额外设置压电振子300的前盖板100，结构简单，且采用锁紧螺栓200锁紧，装配方便；通过在锁紧螺栓200与压电振子300、盖板100之间设置热缩绝缘管500，热缩绝缘管500能够起到绝缘保护的作用，防止压电振子300通过锁紧螺栓200发生短路，提高产品使用的稳定性，热缩绝缘管500在安装时可先热缩安装在锁紧螺栓200上，不会影响锁紧螺栓200的装配，装配方便。

本实施例中，如图2、图5所示，所述变幅杆400的前端面上开设有用于与加工刀具匹配的内锥孔414。如此，变幅杆400的前端面用于安装加工刀具，与筒夹接触，便于加工刀具的装夹。

进一步地，如图3、图5、图6所示，所述热缩绝缘管500包括第一热缩绝缘管510以及第二热缩绝缘管520。所述第一热缩绝缘管510的长度与所述压电振子300和所述盖板100的长度之和匹配。所述第一热缩绝缘管510套设在所述锁紧螺栓200的外侧。所述第二热缩绝缘管520的长度与所述压电振子300的长度匹配。所述第二热缩绝缘管520套设在所述第一热缩绝缘管510的外侧。其中，长度方向是指锁紧螺栓200的螺杆220的轴线方向。第一热缩绝缘管510在所述锁紧螺栓200上的安装位置与压电振子300、盖板100的安装位置对应，第二热缩绝缘管520在所述锁紧螺栓200上的安装位置与压电振子300的安装位置对应。

采用上述结构，本实施例的超声波换能器的各部件装配时，可先将第一热缩绝缘管510套设在锁紧螺栓200的外侧后加热收缩，将盖板100套设在锁紧螺栓200的外侧，第一热缩绝缘管510位于锁紧螺栓200与盖板100之间，然后再将第二热缩绝缘管520套设在锁紧螺栓200的外侧后加热收缩，将压电振子300套设在锁紧螺栓200的外侧，第一热缩绝缘管510、第二热缩绝缘管520位于锁紧螺栓200与压电振子300之间，最后再将锁紧螺栓200整体锁紧至变幅杆400的螺纹孔412中，完成装配。第一热缩绝缘管510可先起到一层绝缘保护作用，又不会太厚而影响锁紧螺栓200与盖板100的装配，第二热缩绝缘管520可着重对压电振子300再起到一层绝缘保护作用，能够对压电振子300加强保护，有效防止压电振子300的各电极片发生短路，保护效果好；在实现较好保护效果的基础上，各部件装配方便，装配效率较高。

本实施例中，如图3所示，所述压电振子300包括依次叠设的第一压电陶瓷片320、第一电极片330、第二压电陶瓷片340、第二电极片350、第三压电陶瓷片360、第三电极片370、第四压电陶瓷片380以及第四电极片390。所述第一压电陶瓷片320的负极与所述变幅杆400的后端面相接，所述第一压电陶瓷片320的正极与所述第二压电陶瓷片340的正极相对设置，所述第二压电陶瓷片340的负极与所述第三压电陶瓷片360的负极相对设置，所述第三压电陶瓷片360的正极与所述第四压电陶瓷片380的正极相对设置，所述第四压电陶瓷片380的负极与所述第四电极片390相接。如此，通过相应的电极片，相邻的压电陶瓷片之间正极与正极相接，负极与负极相接，通过向相应的电极片通电，能够实现压电振子300的压电特性。具体地，所述第一压电陶瓷片320、第一电极片330、第二压电陶瓷片340、第二电极片350、第三压电陶瓷片360、第三电极片370、第四压电陶瓷片380以及第四电极片390均设有相匹配的通孔，每块压电陶瓷片与电极片上的通孔共同形成所述安装孔310。

进一步地，所述第一电极片330的电极片耳朵朝向一个方向伸出，所述第三电极片370的电极片耳朵的伸出方向与所述第一电极片330的电极片耳朵的伸出方向相同。所述第二电极片350的电极片耳朵朝向另一个方向伸出，所述第四电极片390的电极片耳朵的伸出方向与所述第二电极片350的电极片耳朵的伸出方向相同。如此，第一电极片330的极性与第三电极片370的极性相同，它们的电极片耳朵均向相同的一个方向伸出，第二电极片350的极性与第四电极片390的极性相同，它们的电极片耳朵均向相同的另一个方向伸出，便于通电时正负极的连接，且不易出错。

进一步地，如图3、图5所示，所述锁紧螺栓200包括螺帽210以及与所述螺帽210连接的螺杆220。所述螺帽210与所述螺杆220连接的侧面为装配侧面212。所述装配侧面212为光滑平面，所述装配侧面212与所述螺杆220上的螺纹的中轴线垂直。进而，由于锁紧螺栓200的装配侧面212表面光滑，且装配侧面212与所述螺杆220上的螺纹的中轴线垂直，当锁紧螺栓200拧紧后，锁紧螺栓200能够为压电振子300提供的压力均匀的锁紧力，使得压电振子300表面各处所受到的压力统一均匀，提高压电振子300的性能，保证产品的阻抗与频率在设计范围内。

可选地，所述锁紧螺栓200的螺杆220直径为8mm，结构强度好，能够可靠锁紧压电振子300。可选地，所述锁紧螺栓200为高碳铬轴承钢材质，即gcr15,锁紧螺栓200采用高碳铬轴承钢，强度好，耐磨性好，钢性较好，加工性佳，可直接加工成型。

进一步地，如图3、图5所示，所述变幅杆400包括杆本体410以及设于所述杆本体410的后端处的装配法兰420。所述压电振子300设置在所述杆本体410的后端面上。所述装配法兰420上朝向所述压电振子300的侧面为第一侧面，远离所述压电振子300的侧面为第二侧面。所述第一侧面上在与所述杆本体410连接处开设有环形凹槽422。所述第二侧面上开设有减振孔424。通过在装配法兰420上设置环形凹槽422与减振孔424，对装配法兰420进行减材料处理，使得装配法兰420强度减弱，减小装配法兰420与杆本体410间的连接面积，准确定位连接位置，使得连接位置处于变幅杆的振动节点处，进而干扰超声波传递，使装配法兰420的装配面无振动，能够阻隔超声振动的传递，形成超声阻隔技术，使得压电振子300的机械振动更容易带动变幅杆400本身振动，高效放大振幅，减少能量损失。

进一步地，所述杆本体410的外壁上开设有螺旋槽416或曲线槽。通过在杆本体410的外壁上开设螺旋槽416或曲线槽，相比于传统变幅杆400外壁为圆柱或圆锥的光面结构，该超声波换能器应用在超声波振动系统中时，超声波刀柄高速旋转，螺旋槽416或曲线槽可以将一部分轴向振动转化为沿圆周方向的振动，使得部分纵向振动转化成扭振，从而为切削工件增加扭转方向的超声振动，实现纵扭复合加工，有利于实现大振幅加工。本实施例的附图中示意出了杆本体410的外壁上开设有螺旋槽416的结构。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。