耐磨高錳鋼制件的加工裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種鋼板加工裝置，包括機身，所述機身上設(shè)置有銑刀電機，所述銑刀電機下端設(shè)置有銑刀，所述機身上設(shè)置有軌道，所述銑刀電機設(shè)置在軌道上，銑刀電機可沿軌道左右移動，所述銑刀電機上端設(shè)置有升降氣缸，銑刀電機通過升降氣缸上下工作，所述機身下方設(shè)置有圓形工作臺，所述圓形工作臺上設(shè)置有卡緊裝置。通過圓形工作臺上的卡緊裝置將長條鋼板豎直夾緊，并通過上下運動的銑刀電機帶動銑刀進行加工，節(jié)省空間，并且在圓形工作臺上設(shè)置多個卡緊裝置，一次加工，工作效率高且不占用空間，適用于中小型企業(yè)。
【專利說明】
耐磨高錳鋼制件的加工裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及機械領(lǐng)域，具體涉及的是耐磨高錳鋼制件的加工裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 相關(guān)技術(shù)中，以ZGMnl3鋼（其化學(xué)成分大致為0.9~1.2%C，11~14%Mn，0.3~ 0.6%SK0.04%S，<0.07 %P)為代表的耐磨高錳鋼，通常是在其制件整體經(jīng)過1000°C溫 度左右的水韌處理后得到單相奧氏體的組織狀態(tài)下來使用的。由于表層的奧氏體組織在強 烈的沖擊載荷或接觸應(yīng)力作用下，能夠迅速產(chǎn)生加工硬化而使表層硬度急劇升高，從而使 耐磨高錳鋼具有了優(yōu)異的耐磨性能。外加沖擊載荷越大，其表層自身的硬化效果就越好。在 外加載荷持續(xù)作用下，雖然表層硬化層將不斷地磨耗掉，但次表層的奧氏體將會連續(xù)不斷 地形成新的加工硬化層，從而保證高錳鋼在使用過程中一直保持著高的耐磨性能。并且，耐 磨高錳鋼在表層硬度得到提高的同時，其內(nèi)部仍為具有良好韌性的奧氏體。因此，經(jīng)水韌處 理后的耐磨高錳鋼在具有優(yōu)異耐磨性的同時，還能承受較大的沖擊載荷而不破裂。耐磨高 錳鋼的這一特殊性使其在冶金、礦山、建材、鐵路、電力、煤炭等機械裝備中，如破碎機錘頭、 齒板、乳臼壁、挖壁機斗齒、球磨機襯板、鐵路道岔等中長期得以廣泛地應(yīng)用。除了耐磨高錳 鋼鑄件在切割加工的過程中存在有較大的困難之外，而且還由于耐磨高錳鋼經(jīng)過水韌處理 后所獲得的單相奧氏體組織具有非常高的形變強化能力，而使得高錳鋼在機械加工過程 中，在切削刀具的作用下，其表層的切削部位會迅速產(chǎn)生加工硬化，而使切削加工性能急劇 降低，導(dǎo)致了材料很難進一步切削加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種耐磨高錳鋼制件的加工裝置，解決高錳 鋼在機械加工過程中，在切削刀具的作用下，其表層的切削部位會迅速產(chǎn)生加工硬化，而使 切削加工性能急劇降低，導(dǎo)致了材料很難進一步切削加工的技術(shù)問題。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是耐磨高錳鋼制件的加工裝置，包 括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器，所 述變幅桿包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所 述下端部分直接連接工具頭，所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算

其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x) 為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部分的半徑，PQ為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積， Pi為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：
[0005] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)，偶 數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反。根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率后通過下列公式得到換能器的幾何 尺寸：
[0006] (1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，ZbL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設(shè)定；
[0007] (2)所述換能器的振動頻率方程為
[0009] 前金屬蓋板輸入機械阻抗為
，后金屬蓋板輸入機械阻抗為
.換能器的機械阻抗為；
[0010]
k2= c〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，h和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0011] (3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為IZiliO;若考慮機械損耗，輸入電阻 抗為最小時，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過換能器的振動頻率方程計算得到 換能器的具體尺寸；
[0012] ⑷由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，g|]ZbL = ZfL = 0,當(dāng) 輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當(dāng)輸入電阻抗為 無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過換能器的振動頻率方 程計算得到換能器的具體尺寸；
[0013] 所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上 彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述 下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。
[0014] 作為優(yōu)選，相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02- 0.2mm〇
[0015] 作為優(yōu)選，根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率后通過下列公式得到換能器的幾 何尺寸：（1)首先對換能器的頻率方程進行推導(dǎo):截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器 分成兩個四分之一波長的振子，即L f+h以及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一 波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶 瓷進隊的長度記為L f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為Lb，若壓電 陶瓷晶堆由P個厚度為1的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠小于厚度振動的波長。位 移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k丄￡^&11(1?1 2)=2。/&，位移波節(jié)后的四 分之一波長振子的共振方程為tanGO^tanU山）= Ζ。/^，其中，Zo是單個壓電陶瓷圓環(huán)的 特性阻抗，ljPh分別是后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實際需要設(shè)定共振頻率，并通過得 到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。
[0016] 作為優(yōu)選，所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向 設(shè)有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個可伸縮 結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。
[0017] 本發(fā)明的有益效果:利用形狀因數(shù)攀比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù) 譽表達式如下：
[0019]
，pc為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機械阻抗。
[0020] 通過ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.371 X 10_12m/ Pa，設(shè)計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
【附圖說明】
[0021] 利用附圖對發(fā)明作進一步說明，但附圖中的實施例不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制， 對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其 它的附圖。
[0022] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖2是本發(fā)明換能器的等效電路圖。
[0024] 圖3是本發(fā)明的壓電陶瓷圓環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖4是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 附圖標(biāo)記:1、框架，2、旋轉(zhuǎn)變壓器，3、換能器，4、變幅桿，5、工具頭。
【具體實施方式】
[0027] 結(jié)合以下實施例對本發(fā)明作進一步描述。
[0028] 實施例一
[0029] 本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。
[0030] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大， 但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截 面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所 述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：
其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部分的 半徑，Po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，Pi為下端部分與變截面部分連接處 的橫截面面積。
[0031] 下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：
[0032] 于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0033] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02- 0.2mm〇
[0034] 根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0035] (1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設(shè)定；
[0036] (2)所述換能器的振動頻率方程為
[0038] 前金屬蓋板輸入機械阻抗
，后金屬蓋板輸入機械阻抗為
[0039]
k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0040] (3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Zi |=0;若考慮機械損耗，輸入電阻 抗為最小時，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過換能器的振動頻率方程計算得到 換能器的具體尺寸；
[0041] (4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當(dāng) 輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當(dāng)輸入電阻抗為 無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過換能器的振動頻率方 程計算得到換能器的具體尺寸。
[0042] 在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對換能器的 頻率方程進行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振 子，即L f+12以及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L f，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為Lb，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2()是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實際需要設(shè)定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0043] 相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。
[0044] 所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動 損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。
[0045] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通 過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭 相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳 遞，提尚振動能量的利用率。
[0046] 在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為17mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為12mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為35mm。
[0047]在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0048]在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為30mm，其長度為12mm，下端部 分的端面直徑為15mm，其長度為36mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結(jié)金剛砂磨料。
[0049]利用形狀因數(shù)-比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)擎表達式如下：
[0051 ]
>PC為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機械阻抗。
[0052] 通過ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.371 X 10_12m/ Pa，設(shè)計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090X 10-12m/Pa〇 [0053] 實施例二
[0054]本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。
[0055]相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大， 但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截 面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所 述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：
中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部分的半 徑，Po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P:為下端部分與變截面部分連接處的 橫截面面積。
[0056] 下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：
[0057] 于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0058] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02- 0.2mm〇
[0059] 根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0060] (1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設(shè)定；
[0061 ] (2)所述換能器的振動頻率方程為
[0063] 前金屬蓋板輸入機械阻抗為
后金屬蓋板輸入機械阻抗為
>換能器的機械阻抗為
[0064]
k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0065] (3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Zi |=0;若考慮機械損耗，輸入電阻 抗為最小時，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過換能器的振動頻率方程計算得到 換能器的具體尺寸；
[0066] (4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當(dāng) 輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當(dāng)輸入電阻抗為 無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過換能器的振動頻率方 程計算得到換能器的具體尺寸。
[0067] 在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對換能器的 頻率方程進行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振 子，即Lf+12以及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為Lf，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有Lf+Lb = Pl且1遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2()是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實際需要設(shè)定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0068] 相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。
[0069] 所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動 損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。
[0070] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通 過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭 相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳 遞，提尚振動能量的利用率。
[0071] 在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為18mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為13mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為36mm。
[0072]在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0073]在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為32mm，其長度為12mm，下端部 分的端面直徑為16mm，其長度為37mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結(jié)金剛砂磨料。
[0074] 利用形狀因數(shù)擊比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)響表達式如下：
[0075] ρ -
[0076]
>PC為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機械阻抗。
[0077] 通過ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.389 X 10_12m/ Pa，設(shè)計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0078] 實施例三
[0079] 本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。
[0080] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大， 但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截 面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所
述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：
其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部分的 半徑，Po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，Pi為下端部分與變截面部分連接處 的橫截面面積。
[0081] 下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：
[0082] 于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0083] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm〇
[0084] 根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0085] (1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，ZbL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設(shè)定；
[0086] (2)所述換能器的振動頻率方程為
[0088] 前金屬蓋板輸入機械阻抗為
后金屬蓋板輸入機械阻抗為

換能器的機械阻抗
[0089]
k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0090] (3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Zi |=0;若考慮機械損耗，輸入電阻 抗為最小時，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過換能器的振動頻率方程計算得到 換能器的具體尺寸；
[0091] (4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當(dāng) 輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi I = c-;當(dāng)輸入電阻抗為 無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過換能器的振動頻率方 程計算得到換能器的具體尺寸。
[0092] 在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對換能器的 頻率方程進行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振 子，即L f+12以及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L f，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為Lb，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2()是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實際需要設(shè)定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0093] 相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。
[0094] 所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動 損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。
[0095] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通 過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭 相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳 遞，提尚振動能量的利用率。
[0096] 在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為16mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為11mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為32mm。
[0097]在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0098]在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為28mm，其長度為10mm，下端部 分的端面直徑為13mm，其長度為32mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結(jié)金剛砂磨料。
[0099]利用形狀因數(shù)-比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)變表達式如下：
[0101]
pc為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機械阻抗。
[0102] 通過ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.365 X 10_12m/ Pa，設(shè)計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0103] 實施例四
[0104] 本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。
[0105] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大， 但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截 面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所 述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：

中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部分的半 徑，Po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，Pi為下端部分與變截面部分連接處的 橫截面面積。
[0106] 下端部分的長度根據(jù)下列公式計算
[0107] 于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0108] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm〇
[0109] 根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0110] (1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設(shè)定； (2)所述換能器的振動頻率方程為
[0113] 前金屬蓋板輸入機械阻抗為
，后金屬蓋板輸入機械阻抗為
，換能器的機械阻抗：
[0114]
k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0115] (3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為IZiliO;若考慮機械損耗，輸入電阻 抗為最小時，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過換能器的振動頻率方程計算得到 換能器的具體尺寸；
[0116] (4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當(dāng) 輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當(dāng)輸入電阻抗為 無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過換能器的振動頻率方 程計算得到換能器的具體尺寸。
[0117] 在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對換能器的 頻率方程進行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振 子，即L f+12以及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L f，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為Lb，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2()是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實際需要設(shè)定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0118] 相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。 [0119]所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動 損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。
[0120] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通 過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭 相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳 遞，提尚振動能量的利用率。
[0121] 在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為20mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為15mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為39mm。
[0122] 在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0123] 在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為25mm，其長度為10mm，下端部 分的端面直徑為l〇mm，其長度為30mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結(jié)金剛砂磨料。
[0124] 利用形狀因數(shù)-比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)嘗表達式如下：
[0125] φ 二 Ape,
[0126]
，PC為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機械阻抗。
[0127] 通過ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.326 X 10_12m/ Pa，設(shè)計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0128] 實施例五
[0129] 本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。
[0130] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大， 但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截 面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所
述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：
其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部分的 半徑，Po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，Pi為下端部分與變截面部分連接處 的橫截面面積。
[0131] 下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：
[0132] 于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0133] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm〇
[0134] 根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0135] (1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設(shè)定；
[0136] (2)所述換能器的振動頻率方程為
[0138]前金屬蓋板輸入機械阻抗為
，后金屬蓋板輸入機械阻抗為
，換能器的機械阻抗為
[0139]
k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0140] (3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為IZiliO;若考慮機械損耗，輸入電阻 抗為最小時，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過換能器的振動頻率方程計算得到 換能器的具體尺寸；
[0141] (4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當(dāng) 輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當(dāng)輸入電阻抗為 無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過換能器的振動頻率方 程計算得到換能器的具體尺寸。
[0142] 在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對換能器的 頻率方程進行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振 子，即L f+12以及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L f，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為Lb，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2()是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實際需要設(shè)定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0143] 相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。
[0144] 所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動 損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。
[0145] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通 過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭 相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳 遞，提尚振動能量的利用率。
[0146] 在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為17mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為12mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為35mm。
[0147] 在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0148] 在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為40mm，其長度為25mm，下端部 分的端面直徑為21mm，其長度為40mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結(jié)金剛砂磨料。
[0149] 利用形狀因數(shù)警比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)變表達式如下：
[0150] 備n、4pC.，
[0151]
，PC為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機械阻抗。
[0152] 通過ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.402 X 10_12m/ Pa，設(shè)計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0153] 最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對本發(fā)明保 護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明作了詳細地說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng) 當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實 質(zhì)和范圍。
【主權(quán)項】
1. 耐磨高錳鋼制件的加工裝置，包括機身，所述機身上設(shè)置有銑刀電機，所述銑刀電機 下端設(shè)置有銑刀，其特征在于，所述機身上設(shè)置有軌道，所述銑刀電機設(shè)置在軌道上，銑刀 電機可沿軌道左右移動，所述銑刀電機上端設(shè)置有升降氣缸，銑刀電機通過升降氣缸上下 工作，所述機身下方設(shè)置有圓形工作臺，所述圓形工作臺上設(shè)置有卡緊裝置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨高錳鋼制件的加工裝置，其特征在于，所述圓形工作臺中 心下部設(shè)置有轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸帶動圓形工作臺轉(zhuǎn)動，所述圓形工作臺上設(shè)置有滑槽，所述卡 緊裝置通過滑槽設(shè)置在圓形工作臺上，所述卡緊裝置的數(shù)量至少為兩個。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的耐磨高錳鋼制件的加工裝置，其特征在于，所述卡緊裝置包括 卡緊塊和夾緊螺栓，所述夾緊螺栓控制卡緊塊對鋼板進行卡緊。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的耐磨高錳鋼制件的加工裝置，其特征在于，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓 器、換能器、變幅桿和工具頭;所述換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器，所述變幅桿包括上端 部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連 接工具頭，所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算_ 其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do?Λ?· 為上端部分的半徑，Ρ〇為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，Ρ1為下端部分與變 截面部分連接處的橫截面面積，下端部分的長度根據(jù)下列公式計算所述換 能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)，偶數(shù)個所述壓電陶 瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相 反;根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率后通過下列公式得到換能器的幾何尺寸： (1) 所述換能器的等效電路圖，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電 路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，z bL和ZfL分別是換能器后、前兩端的負 載阻抗，根據(jù)實際需要設(shè)定； (2) 所述換能器的振動頻率方程為前金屬蓋板輸入機械阻抗為g金屬蓋板輸入機械阻抗為 .、 γ 必對:糧·炫_； 1 能器的機械阻抗戈 《 ·.0 " ·' · 其中Zf = P2C2S2，k2 = w/c2，C2是前金屬蓋板中的聲速，Ρ2、Ε2、σ2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)， 12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積； (3) 由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若忽略機 械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為ΙΖ, |=0;若考慮機械損耗，輸入電阻抗為最 小時，換能器的共振頻率方程為I Z, | = | Z, | _，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器 的具體尺寸； (4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0，當(dāng)輸入電 阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當(dāng)輸入電阻抗為無效大 時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Zi| = IZikx，通過換能器的振動頻率方程計算 得到換能器的具體尺寸； 所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和固定 法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定 柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端 蓋的下方，所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈 簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下 彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的耐磨高錳鋼制件的加工裝置，其特征在于，相鄰兩個壓電陶瓷 圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的耐磨高錳鋼制件的加工裝置，其特征在于，根據(jù)實際需要設(shè)定 換能器的共振頻率后通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：（1)首先對換能器的頻率方程 進行推導(dǎo):截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子，即L f+h 以及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬 蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L f，位移節(jié)面后與后 金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為U，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為1的壓電陶瓷圓 環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振 方程為tanUeLDtanUsldiZo/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為tan (keLb)tan(kili) =Z〇/Zf，其中，Ζο是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，li和I2分別是后、前金屬 蓋板的厚度；（2)根據(jù)實際需要設(shè)定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體 尺寸。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的耐磨高錳鋼制件的加工裝置，其特征在于，所述固定法蘭的中 心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠 圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端 蓋。
【文檔編號】C21D10/00GK105950857SQ201610552711
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月11日
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請人】楊林