一种基于高能超声针作用于金属液滴内腔成形的研究方法

1.本发明属于微纳米加工制造技术领域，尤其涉及一种基于高能超声针作用于金属液滴内腔成形的研究方法。


背景技术：

2.随着技术的迭代更新，越来越多的新型材料应用到各个领域当中，但很多材料是非金属或者硬度很低的金属导致不能用刀具进行直接加工，传统的加工方法却不能很好的解决，例如生物组织，液态金属等，所以需要新型的加工技术。由于超声加工不需要刀具就可以直接对零件内部进行加工，通过声波聚焦形成的热效应，对物体内部进行加工形成各种微型结构，成为了对材料内部进行加工的一种新方法。然而超声内加工需要声波的高能聚焦，以达到能量的集中从而对零件内部进行加工。
3.近年来，国内外很多课题组都对超声聚焦进行了大量的研究。截止目前，声聚焦的方法主要有超声相控阵聚焦、温度调控聚焦等。但是影响超声相控阵能否聚焦的因素较多，首先多个声源的排列方式影响着声波能否聚焦，其次是聚焦点的位置不易调控。影响温度调控聚焦的因素主要有聚焦能量较低，相位调控难以控制、不易观测测量等缺点。
4.针对以上问题，故，有必要对其进行改进。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于高能超声针作用于金属液滴内腔成形的研究方法。
6.为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于高能超声针作用于金属液滴内腔成形的研究方法，包括以下步骤：
7.步骤一，单轴超声悬浮装置为被加工金属液滴提供微重力加工环境；
8.步骤二，利用超声波发生器发出的正弦信号作为非线性lc电路的激励电压；
9.步骤三，本发明高能超声针换能器由非线性lc电路提供激励电压；
10.步骤四，非线性lc电路激励产生的孤子结合超声针的指向性共同作用于金属液滴内部，诱发空化核产生空化泡，从而达到超声内加工的目的。
11.作为本发明的一种优选方案，步骤一中，反射面采用凹球面反射，曲率半径为37.5。
12.作为本发明的一种优选方案，步骤一中，采用步进电机控制升降台上下移动为悬浮金属液滴提供稳定悬浮谐振距离；其中，谐振距离12mm。
13.作为本发明的一种优选方案，所述试验加工金属为钾金属。
14.作为本发明的一种优选方案，高能超声针的超声波频率选f＝110
±
1.5khz,对应峰峰值放大至54vpp，功率p＝304w。
15.作为本发明的一种优选方案，所述非线性lc电路可激励产生包络孤子。
16.作为本发明的一种优选方案，所述反射面曲率半径为37.5。
17.作为本发明的一种优选方案，所述孤子携带的高能量可以在超声针中指向性传输作用于金属液滴内部。
18.作为本发明的一种优选方案，所述非线性lc电路连接压电陶瓷片，压电陶瓷片通过前铝块、后铝块和螺栓拧紧，超声针按垂直于极化方向焊接在前铝块上。
19.作为本发明的一种优选方案，所述压电陶瓷片的谐振频率f＝110
±
1.5khz。
20.本发明的有益效果是：
21.1.本发明专利选用超声波作为加工刀具，适用于各种脆硬材料，易于加工各种复杂形状的型孔、型腔及成型表面且绿色无污染；
22.2.本发明通过可调升降台为悬浮金属液滴提供一个稳定无接触的微重力环境。
23.3.本发明专利结合孤子携带高能量这一特点，设计一个非线性lc电路产生的包络孤子作为高能超声针换能器的激励电压；
24.4.与现有超声针换能器相比，本发明的高能超声针换能器结合孤子共同作用可以激发出高能量超声波聚焦；
25.5.结合超声波具有指向性这一特点，将高能超声针激励出的孤子直接作用于金属液滴内部诱发空化核产生空化泡。
附图说明
26.图1本发明实施例中高能超声针换能器结构示意图；
27.图2本发明实施例中高能超声针作用于金属液滴内腔成形的系统整体框架示意图；
28.图3本发明实施例中高能超声针内腔加工工作原理示意图。
29.图中附图标记：预紧螺栓1；弹簧垫片2；后铝块3；压电陶瓷片4；前铝块5；超声针6；非线性lc电路7；超声波发生器8；变幅杆9；ccd高速摄像机10；悬浮金属液滴11；凹球面反射12；升降台13。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.实施例1：
33.本发明提供的一种基于高能超声针作用于金属液滴内腔成形的研究方法，包括以下步骤：
34.步骤一，单轴超声悬浮装置为被加工金属液滴11提供微重力加工环境；
35.步骤二，利用超声波发生器8发出的正弦信号作为非线性lc电路7的激励电压；
36.步骤三，本发明高能超声针换能器由非线性lc电路7提供激励电压；
37.步骤四，非线性lc电路7激励产生的孤子结合超声针的指向性共同作用于金属液滴11内部，诱发空化核产生空化泡，从而达到超声内加工的目的。
38.本实例中的高能超声针6换能器结构如图1所示；本例中采用的压电陶瓷片4外形尺寸：直径
×
外径
×
高度为50
×
17
×
6.5，材料为p8；谐振频率为f＝110
±
1.5khz，首先，此处利用共振频率结合超声波发生频率可以激励超声针在弯曲振动模态下激发出最大的能量。其次，便于使用低电压，提高安全性和能量利用率。
39.将压电陶瓷片4按极化方向放置好，压电陶瓷片4通过前铝块5、后铝块3和螺栓1拧紧，超声针按垂直于极化方向焊接在前铝块5上。
40.压电陶瓷片4的谐振频率f＝110
±
1.5khz压电陶瓷片4外形尺寸：直径
×
外径
×
高度为50
×
17
×
6.5。
41.实施例2
42.本实施例中，利用单轴驻波超声悬浮装置9为悬浮金属液滴11提供微重力加工坏境；可以通过调整发射面和反射面12的距离，选用合适的超声波发射频率，从而为待加工的金属液滴11提供稳定悬浮、微重力且无接触的加工环境。如图2单轴悬浮装置所示。
43.其中，超声波发射频率选用40khz，发射面和反射面12的谐振距离调为12mm达到稳定悬浮状态。试验加工金属选用钾金属，具有良好的加工效应。
44.本发明专利选用超声波作为加工刀具，适用于各种脆硬材料，易于加工各种复杂形状的型孔、型腔及成型表面且绿色无污染；
45.本实施例的其他内容可参照实施例1。
46.实施例3
47.首先，通过课题组自制的超声波发生器发出频率为110khz的正弦信号作为非线性lc电路7的激励电压，使设计的非线性电路可以激发出高能的孤子，接着将串联的非线性lc电路7电压作为压电陶瓷片4的激励电压，使激励出的孤子可以在超声针6中进行指向性传播。具体实施如图2所示。
48.其中，以非线性lc电路7作为超声针换能器的激励电压；孤子可以在超声针中进行无衰减、指向性的传播。
49.本发明专利结合孤子携带高能量这一特点，设计一个非线性lc电路产生的包络孤子作为高能超声针换能器的激励电压；
50.本实施例的其他内容可参照实施例1或实施例2。
51.实施例4
52.如图3所示，经过前面实施例可以使超声针6成功激励出高能孤子后，通过高速摄像机ccd10观察金属液滴内部空化核的位置，然后将高能超声针6对准处于稳定悬浮状态的金属液滴空化核位置。为了使超声针换能器激发出的能量超过金属液滴内部空化阈值，诱发空化核产生空化泡达到内加工的目的。结构上设置y型高能超声针排列方式共同作用于空化核诱发产生空化泡。
53.优选的，y型高能超声针排列。
54.本实施例的其他内容可参照实施例1、实施例2或实施例3。
55.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
56.尽管本文较多地使用了图中附图标记：预紧螺栓1；弹簧垫片2；后铝块3；压电陶瓷片4；前铝块5；超声针6；非线性lc电路7；超声波发生器8；变幅杆9；ccd高速摄像机10；悬浮金属液滴11；凹球面反射12；升降台13等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。