一种油冷超声换能器调幅器一体件的制作方法

一种油冷超声换能器调幅器一体件的制作方法
【专利摘要】一种油冷超声换能器调幅器一体件，包括压电陶瓷片、调幅器前盖、盖体外壳、压盖和紧固螺栓等；压电陶瓷片通过紧固螺栓和压盖，直接紧固连接在调幅器前盖上以形成换能器调幅器一体件，调幅器前盖和盖体外壳之间有两层橡胶密封圈，盖体外壳、压电陶瓷片、调幅器前盖和橡胶密封圈之间有一空腔，在空腔中有不导电且不易气化的矿物油；本发明通过换能器与调幅器的一体化制造技术，避免了两者之间的安装环节，同时将矿物油引入换能器中实现油冷散热和密封防尘，所以本装置可实现换能器调幅器一体件的准确安装和定位，提高其工作的稳定性以及振动的传递效率，提升超声加工的精度与可靠性，并且该装置结构简单，易于推广及使用。
【专利说明】一种油冷超声换能器调幅器一体件

【技术领域】
[0001]本发明涉及超声加工【技术领域】，尤其涉及一种油冷超声换能器和调幅器的一体件设备。

【背景技术】
[0002]超声技术已被广泛应用于各种工业生产过程中，如工业清洗、金属焊接、食品生产、橡胶切削等领域。在超声设备中，超声振动发生系统是设备的核心系统，该系统一般由超声发生器、换能器和调幅器等组成。超声发生器的作用是产生超声频振荡电信号；换能器的作用是将超声发生器输出的高频电振荡信号转化为高频机械振动；依据截面能量流动恒定的特点，调幅器利用截面面积的降低，引发截面能量密度的升高，进而实现该截面处机械振幅幅度的增强，完成机械振动振幅的放大功能；最终，经过振幅放大后的高频机械振动被应用于实际加工应用领域，所以，超声换能器与调幅器是超声振动发生系统的核心部件；其中，超声换能器是利用压电陶瓷片的逆压电效应将超声频振荡电信号转换为超声频机械振荡，实现电能向机械能的转换。
[0003]然而，目前常见的超声换能器与调幅器在使用中存在以下问题，首先，超声振动发生系统中的换能器与调幅器被分别制造，然后配合使用；另外，超声换能器在实现电能向机械能的转换中，因为根据能量转换的特点可知，能量转换效率不可能达到100%，其中部分能量被转换成热量，并积聚在换能器装置中，从而引发压电陶瓷片参数偏离设计标准值，并会导致整体工作效率的下降或失效。
[0004]如作者段忠福等人在《细长轴超声波辅助振动车削试验研究》中提出的超声振动系统，其换能器和调幅器是分体式的，分体式技术中的换能器与调幅器在装夹工艺、使用维护、精度控制和能量传递效率等方面有不足之处；株式会社厄泰克斯在专利CN1169891A中提出的超声换能器与调幅器的连接方案是采用螺栓连接的方式，螺栓连接的方式存在下述问题:多次装拆将造成连接螺纹的松动，导致连接处发热严重，传递和变换的能量大量耗费，整体效率低下，严重地还可导致设备失效；而对于能量转换过程中产生的热量问题，其采用的空气冷却方式对于设备长时间工作时的冷却效果不佳。
[0005]如果超声振动发生系统中的换能器与调幅器被分别制造，然后配合使用，则在使用过程中，需要将换能器与调幅器连接在一起，使换能器输出的微幅机械振动通过调幅器进行正常放大，如将换能器与调幅器通过螺孔在外部进行连接，但外部连接会引发连接可靠性差，连接处变形等问题，造成机械振动波传递方向偏离正确方向，影响了换能器和调幅器的正常使用；且外部连接的连接方式造成的振动方向偏离问题也将造成能量在传递过程中损耗大，使换能器和调幅器发热严重，引起整体效率大幅降低等问题；另外，换能器的输出位移随着夹持位置的变化而变化，只有当夹持位置在换能器节点位置时，其输出位移才会最大，而换能器与调幅器为分体结构时，换能器的节点位置难以确定，会引起换能器夹持位置的精度降低，最终造成超声加工质量的下降。对于超声换能器在目前采用的空气冷却方式，因为空气热容及导热系数较低，所以对于长时间工作的中等功率水平超声换能装置的冷却效果较差。
[0006]在现有技术中，针对超声换能器与调幅器的连接螺栓松动问题，业界一般采用周期紧固螺栓的方法，以防止螺栓松动；针对超声换能器的发热问题，业界一般采用冷却循环系统或者水冷冷却环的方法进行降温。
[0007]如:杭州电子科技大学在专利CN101441007A中提出了一种包含压缩机、冷凝器和节流元件等复杂设备的冷却循环系统，该系统对于超大功率的超声换能器具备极佳的冷却性能；另外，中国科学院声学研究所的专利CN202591095U中提出了一种水冷冷却环，以利用冷却环的外部水冷实现散热效果的大幅提升。
[0008]然而，本领域技术人员清楚，现有技术中的周期紧固螺栓的方法，造成了操作繁琐问题，且仍不能避免连接螺栓松动的问题，而连接螺栓处的松动，使得压电陶瓷片之间产生间隙，过大的间隙将造成压电陶瓷片间的碰撞，引发陶瓷片碎裂，导致整个装置失效；另夕卜，包含压缩机、冷凝器和节流元件等复杂设备的冷却循环系统，针对超声加工设备应用于普通车削机床的工作环境，该冷却循环系统过于复杂，安装使用不便，且一般超声加工领域超声换能器发热功率属于中等水平，该冷却循环系统在该中等水平的应用领域实用效果较差；而水冷冷却环，虽然其利用外部水冷可实现散热效果的大幅提升，但压电陶瓷片与空气的直接换热现状并未改变，因此热量散发没有本质提升；且采用水作为冷却剂，虽然带来了散热效果的提升，但针对实际的加工应用环境，冷却剂的泄露将引发陶瓷片的失效以及机床及工件的损坏；同时冷却环的设备复杂性及冷却剂的特点使得该装置在该应用场合中的实际使用效果较差。
[0009]因此，本领域的技术人员致力于开发一种油冷超声换能器调幅器一体件，以大幅提闻超声换能器和调幅器的能量传递效率和工作稳定性。


【发明内容】

[0010]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发一种超声换能器和超声调幅器一体件装置，以大幅提闻超声换能器和超声调幅器的能量传递效率和工作稳定性，并要求结构简单，易于推广及使用。
[0011]为实现上述目的，本发明提供了一种油冷超声换能器调幅器一体件，通过换能器与调幅器的一体化制造技术，避免了两者之间的安装环节，同时将矿物油引入换能器中实现油冷散热和密封防尘，该装置可实现换能器调幅器一体件的准确安装和定位，提高其工作的稳定性以及振动的传递效率，并提升超声加工的精度与可靠性。本发明的具体方案如下所述:
[0012]一种油冷超声换能器调幅器一体件，包括压电陶瓷片，进一步的，还包括调幅器前盖、盖体外壳、压盖和紧固螺栓；所述紧固螺栓与所述压盖的中心螺纹通孔和所述调幅器前盖的尾部螺纹沉孔通过螺纹连接方式进行串联连接，并通过所述调幅器前盖的尾部螺纹沉孔实现紧固；所述紧固螺栓穿过所述压电陶瓷片的中心通孔，所述紧固螺栓通过与所述压盖和所述调幅器前盖的螺纹连接将所述压电陶瓷片夹紧在所述压盖和所述调幅器前盖之间；所述调幅器前盖和所述盖体外壳之间至少有一层橡胶密封圈；所述盖体外壳、所述压电陶瓷片、所述调幅器前盖和所述橡胶密封圈之间有一空腔，在所述空腔中有不导电且不易气化的冷却剂。
[0013]优选地，所述调幅器前盖在其直径最大处与所述盖体外壳通过所述橡胶密封圈进行密封连接。
[0014]优选地，所述调幅器前盖在其直径最小段的端面上有连接加工端的内螺纹，所述内螺纹与所述调幅器前盖同轴线，所述加工端指刀具等装置。
[0015]此处设计目的在于，换能器与调幅器一体件设计，可有效提高装夹和定位的操作效率，消除了频繁更换调幅器所带来的螺纹损坏并造成换能器失效的情况，解决了传统换能器与调幅器使用过程中装夹刚性差、同轴度可靠性差的问题，解决了节点寻找困难与传递过程中能量耗散大的难题，提高了其振动方向的稳定性，并降低了传递过程中的能量损耗，减少了发热量。
[0016]优选地，所述盖体外壳上有注油孔和排气孔。
[0017]优选地，所述注油孔和所述排气孔在所述盖体外壳端面上的投影的圆心到所述盖体外壳的端面的表面圆心的距离相同，且3个所述圆心在一直线上。
[0018]优选地，所述注油孔和所述排气孔有树脂胶物质进行封堵。
[0019]优选地，所述冷却剂为矿物油。
[0020]优选地，所述盖体外壳、所述压电陶瓷片、所述压盖和所述调幅器前盖同轴线。
[0021]优选地，所述盖体外壳与所述调幅器前盖之间有两层橡胶密封圈。
[0022]优选地，所述调幅器前盖在所述空腔之外的本体上的直径变化的台阶处均为圆弧过渡的结构。
[0023]此处设计目的在于，采用矿物油的冷却方式，可以排出换能器工作时所产生的热量，维持换能器正常的工作状态，提高其连续工作时间，以达到提高其加工效率，节能减排等目的；并且引入矿物油类冷却剂，并将压电陶瓷片浸入其中，因为压电陶瓷片产生超高频振动时，压电陶瓷片间会出现缝隙，而矿物油将进入其间，并因为矿物油的低可压缩性，其可有效阻止压电陶瓷片的碰撞，以提高压电陶瓷片换能器的使用寿命；矿物油的使用，改变了常规超声换能器的空冷模式，为设备的长时间工作提供了保证，并且矿物油的使用没有造成换能器体积的增大，也没有提高操作复杂性；在盖体外壳与调幅器前盖之间采用了两层橡胶密封圈进行了矿物油类冷却剂的隔绝防渗漏处理，则提高了设备的可靠性。
[0024]从上述技术方案可以看出，本发明一种油冷超声换能器调幅器一体件，通过换能器与调幅器的一体化制造技术，避免了两者之间的安装环节，同时将矿物油引入换能器中实现油冷散热和密封防尘，所以该装置可实现换能器调幅器一体件的准确安装和定位，提高其工作的稳定性以及振动的传递效率，并提升超声加工的精度与可靠性。
[0025]以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

【专利附图】

【附图说明】
[0026]图1是本发明的一种油冷超声换能器调幅器一体件示意图；
[0027]图2是图1中所示的本发明的一种油冷超声换能器调幅器一体件示意图的A-A剖面图。
[0028]图中，I为盖体外壳，2为紧固螺栓，3为压电陶瓷片，4为矿物油，5为橡胶密封圈，6为调幅器前盖，7为注油孔，8为内螺纹，9为排气孔，10为压盖。

【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和实施例对本发明的一种油冷超声换能器调幅器一体件做进一步的描述。
[0030]实施例:
[0031]如图1至图2所示，图1是本发明的一种油冷超声换能器调幅器一体件示意图；图2是图1中所示的本发明的一种油冷超声换能器调幅器一体件示意图的A-A剖面图；图1和图2说明了一种油冷超声换能器调幅器一体件，包括压电陶瓷片3，进一步的，还包括调幅器前盖6、盖体外壳I和紧固螺栓2 ;所述紧固螺栓2与所述压盖10的中心螺纹通孔和所述调幅器前盖6的尾部螺纹沉孔通过螺纹连接方式进行串联连接，并通过所述调幅器前盖6的尾部螺纹沉孔实现紧固；所述紧固螺栓2穿过所述压电陶瓷片3的中心通孔，所述紧固螺栓2通过与所述压盖10和所述调幅器前盖6的螺纹连接将所述压电陶瓷片3夹紧在所述压盖10和所述调幅器前盖6之间；所述调幅器前盖6和所述盖体外壳I之间有两层橡胶密封圈5 ;所述盖体外壳1、所述压电陶瓷片3、所述调幅器前盖6和所述橡胶密封圈5之间有一空腔，在所述空腔中有不导电且不易气化的矿物油4，该矿物油4通过盖体外壳I的注油孔7与排气孔9实现装置内的注油与排气，以防止矿物油4中夹杂有空气而造成的装置损坏，注油完毕后，利用树脂胶类物质封堵上述两孔，实现装置的密封，完成注油和密封后，即可将该装置固定于夹具上，连接工作端，进行超声加工工作。
[0032]在实施例中，所述调幅器前盖6在其直径最大处与所述盖体外壳I通过所述橡胶密封圈5进行密封连接。
[0033]在实施例中，所述调幅器前盖6在其直径最小段的端面上有连接加工端的内螺纹8，所述内螺纹8与所述调幅器前盖6同轴线，所述加工端指刀具等装置。
[0034]换能器与调幅器一体件设计，可有效提高装夹和定位的操作效率，消除了频繁更换调幅器所带来的螺纹损坏并造成换能器失效的情况，解决了传统换能器与调幅器使用过程中装夹刚性差、同轴度可靠性差的问题，解决了节点寻找困难与传递过程中能量耗散大的难题，提高了其振动方向的稳定性，并降低了传递过程中的能量损耗，减少了发热量。
[0035]在实施例中，所述注油孔7和所述排气孔9在所述盖体外壳I端面上的投影的圆心到所述盖体外壳I的端面的表面圆心的距离相同，且3个所述圆心在一根直线上。
[0036]在实施例中，所述盖体外壳1、所述压电陶瓷片3、所述压盖10和所述调幅器前盖6同轴线。
[0037]在实施例中，所述调幅器前盖6在所述空腔之外的本体上的直径变化的台阶处均为圆弧过渡的结构。
[0038]在实施例中，将油冷超声换能器调幅器一体件与作者段忠福等人在《细长轴超声波辅助振动车削试验研究》中的分体式装置进行了对比实验，在不加载任何负载的情况下，将传统的“超声换能器和调幅器分体式”和本装置的一体件，分别连接在相同功率的超声波发生器上，测试了 5组对比数据，数据显示，本装置的一体件平均损耗15.54W，而分体式平均损耗40.66W，所以本发明的一体件装置在超声波传递上有明显的改进；并且，本发明的一体件装置可以承受的最大破坏扭矩为25.93Nm，远高于分体式装置的18.78Nm ;根据实际测试结果，本发明的一体件装置在调幅器振幅输出面上的均一性为99.12%，也高于分体式的96.77% ;且本发明的一体件装置实际节点位置偏离理论设计位置的平均误差为正负0.012mm,低于分体式的正负0.05mm的误差。
[0039]采用矿物油4的冷却方式，可以排出换能器工作时所产生的热量，维持换能器正常的工作状态，提高其连续工作时间，以达到提高其加工效率，节能减排等目的；并且引入矿物油4类冷却剂，并将压电陶瓷片3浸入其中，因为压电陶瓷片3产生超高频振动时，压电陶瓷片3间会出现缝隙，而矿物油4将进入其间，并因为矿物油4的低可压缩性，其可有效阻止压电陶瓷片3的碰撞，以提高压电陶瓷片3换能器的使用寿命；矿物油4的使用，改变了常规超声换能器的空冷模式，为设备的长时间工作提供了保证，并且矿物油4的使用没有造成换能器体积的增大，也没有提高操作复杂性；在盖体外壳I与调幅器前盖6之间采用了两层橡胶密封圈5进行了矿物油4类冷却剂的隔绝防渗漏处理，则提高了设备的可靠性。
[0040]从上述实施例可以看出，本发明一种油冷超声换能器调幅器一体件，通过换能器与调幅器的一体化制造技术，避免了两者之间的安装环节，同时将矿物油4引入换能器中实现油冷散热和密封防尘，所以该装置可实现换能器调幅器一体件的准确安装和定位，提高其工作的稳定性以及振动的传递效率，并提升超声加工的精度与可靠性。
[0041]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本【技术领域】中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种油冷超声换能器调幅器一体件，包括压电陶瓷片，其特征在于，还包括调幅器前盖、盖体外壳、压盖和紧固螺栓；所述紧固螺栓与所述压盖的中心螺纹通孔和所述调幅器前盖的尾部螺纹沉孔通过螺纹连接方式进行串联连接，并通过所述调幅器前盖的尾部螺纹沉孔实现紧固；所述紧固螺栓穿过所述压电陶瓷片的中心通孔，所述压电陶瓷片被夹在所述压盖和所述调幅器前盖之间；所述调幅器前盖和所述盖体外壳之间至少有一层橡胶密封圈；所述盖体外壳、所述压电陶瓷片、所述调幅器前盖和所述橡胶密封圈之间有一空腔，在所述空腔中有不导电的冷却剂。
2.根据权利要求1所述的油冷超声换能器调幅器一体件，其特征在于，所述调幅器前盖在其直径最大处与所述盖体外壳通过所述橡胶密封圈进行密封连接。
3.根据权利要求1所述的油冷超声换能器调幅器一体件，其特征在于，所述调幅器前盖在其直径最小段的端面上有连接加工端的内螺纹，所述内螺纹与所述调幅器前盖同轴线。
4.根据权利要求1所述的油冷超声换能器调幅器一体件，其特征在于，所述盖体外壳上有注油孔和排气孔。
5.根据权利要求4所述的油冷超声换能器调幅器一体件，其特征在于，所述注油孔和所述排气孔在所述盖体外壳端面上的投影的圆心到所述盖体外壳端面的表面圆心的距离相同，且所述注油孔和所述排气孔的所述投影的所述圆心和所述盖体外壳端面的所述表面圆心在一直线上。
6.根据权利要求4或5所述的油冷超声换能器调幅器一体件，其特征在于，所述注油孔和所述排气孔由树脂胶物质进行封堵。
7.根据权利要求1所述的油冷超声换能器调幅器一体件，其特征在于，所述冷却剂为矿物油。
8.根据权利要求1所述的油冷超声换能器调幅器一体件，其特征在于，所述盖体外壳、所述压电陶瓷片、所述压盖和所述调幅器前盖同轴线。
9.根据权利要求1所述的油冷超声换能器调幅器一体件，其特征在于，所述盖体外壳与所述调幅器前盖之间有两层橡胶密封圈。
【文档编号】B06B1/06GK104190608SQ201410347255
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2014年7月21日
【发明者】殷万武, 邵华, 姜英博, 隋宏艳, 李炜 申请人:上海交通大学, 上海骄成机电设备有限公司