一种大振幅纵弯超声振动切割装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种大振幅纵弯超声振动切割装置，其包括超声振动换能器、一级变幅杆、二级变幅杆、三级变幅杆、刀头、超声波电源和防护外壳。所述的超声振动换能器包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和一级变幅杆，后盖板和一级变幅杆通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和一级变幅杆联接压紧；二级变幅杆设置在一级变幅杆的前端，三级变幅杆设置在二级变幅杆的前端，刀头设置在三级变幅杆的前端，刀头中心轴线与三级变幅杆轴线夹角a在80‑100度之间，刀头边沿具有刃口，且刃口边沿具有尖头朝向刀头尖端的三角形锯齿结构。本发明专利技术具有功率容量大、结构简单、能量转换效率高、振幅大、工作性能稳定等优点。

A Large Amplitude Longitudinal Bending Ultrasound Vibration Cutting Device

【技术实现步骤摘要】
一种大振幅纵弯超声振动切割装置
本专利技术涉及利用压电陶瓷逆压电效应的超声振动领域，尤其是涉及一种大振幅纵弯超声振动切割装置。
技术介绍
超声切割是利用超声压电换能器驱动切割刀具产生超声频率的振动，将碰撞和冲击能量传递到被切介质，致使被切介质材料疲劳破碎从而达到切割目的的一项新型工艺技术。超声切割可更有效、更精确地加工如碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、各种蜂窝复合材料和硬脆材料如光学玻璃、硅晶体、陶瓷等。另外，由于与生物组织接触的切割刀具以一定的超声频率振动时可使生物组织内水汽化、蛋白氢键断裂、细胞崩解、组织被切开、凝固和封闭小血管，所以超声切割技术又可运用到医疗外科手术工具上。目前，超声切割技术已广泛应用于医疗、航空航天、化工、农业、食品和机械等领域。超声切割加工中，在其他条件不变的情况下，切割刀具的振幅越大，超声压电换能器的转换效率越高，增大切割刀具的振幅可以提高切割加工的速度，因此在超声切割加工中，刀具刃口的振幅是切割刀具性能的重要指标之一，为了提升超声振动在各个应用领域的性能，采取了各种方式对超声振动的振动幅值进行提高。
技术实现思路
本专利技术提供了一种新型的大振幅纵弯超声振动切割装置，目的是为了克服现有超声振动换能器中振幅较低的不足，提供一种较大振幅的超声振动切割装置。一种大振幅纵弯超声振动切割装置：包括超声振动换能器、一级变幅杆、二级变幅杆、三级变幅杆、刀头、超声波电源和防护外壳，所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和一级变幅杆，后盖板和一级变幅杆通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和一级变幅杆联接压紧；所述的二级变幅杆设置在一级变幅杆的前端，三级变幅杆设置在二级变幅杆的前端。刀头设置在三级变幅杆的前端，刀头中心轴线与三级变幅杆轴线夹角a在80-100度之间，刀头边沿具有刃口，且刃口边沿具有尖头朝向刀头尖端的三角形锯齿结构。更进一步的，三级变幅杆和二级变幅杆可以制作成一个整体设置在一级变幅杆的前端。更进一步的，二级变幅杆可通过焊接设置在一级变幅杆的前端。更进一步的，一级变幅杆上设置有法兰盘，用于超声振动换能器与外部结构的联接。更进一步，所述的一种大振幅纵弯超声振动切割装置只有一组纵向振动压电陶瓷片。更进一步，所述的一种大振幅纵弯超声振动切割装置只需一路超声电信号激励。更进一步，一种大振幅纵弯超声振动切割装置的工作频率范围为18kHz-40kHz。更进一步的，超声振动换能器和一级变幅杆、二级变幅杆及三级变幅杆外周设置有具有保护和握持作用的外壳。更进一步的，在一级变幅杆、二级变幅杆及三级变幅杆，以及刀头及其柄部的截面突变部位，均设置有圆弧过渡。本专利技术采用了夹心式压电超声振动换能器和三级变幅杆结构，可以有效提高换能器输出功率和变幅比，在同等功率情况下，可以有效增大切割刀的振动幅值，提高电-机转换效率，可将该大振幅纵弯超声振动切割装置用于碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、各种蜂窝复合材料、橡胶等材料的高效切割，且工作性能稳定，应用前景广阔。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的刀头结构示意图；图3是本专利技术的刀头结构的俯视图；图4是本专利技术的应用实例示意图；图中标号说明：1.螺栓，2.后盖板，3.压电陶瓷片，4.电极片，5.一级变幅杆，6.法兰盘，7.二级变幅杆，8.三级变幅杆，9.刀头，10.外壳，11.超声电源；91.尖头朝向刀头尖端的三角形锯齿结构，92.刀头安装柄，93.过渡圆弧。具体实施方式结合图1所示，一种大振幅纵弯超声振动切割装置：包括超声振动换能器、一级变幅杆6、二级变幅杆7、三级变幅杆8、刀头9、超声波电源11和防护外壳10，所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓1及依次套设在螺栓1上的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和一级变幅杆5，后盖板1和一级变幅杆5通过螺栓1将后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和一级变幅杆5联接压紧；所述的二级变幅杆7设置在一级变幅杆5的前端，三级变幅杆8设置在二级变幅杆7的前端。结合图2、3所示，刀头9设置在三级变幅杆8的前端，刀头中心轴线与三级变幅杆轴线夹角a为90度，刀头9边沿具有刃口，且刃口边沿具有尖头朝向刀头尖端的三角形锯齿结构91。结合图4所示，超声电源11通过导线与超声振动换能器的电极相连接，超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片3，压电陶瓷换能器段直径30mm，压电陶瓷片3为PZT-8，尺寸为：Ф30×Ф15×5，压电陶瓷片3的片数为2。超声振动换能器的固有频率为29.86KHz，阻抗为63欧姆，动态电阻为19欧姆，超声电源11输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为29.86±0.01KHz，且超声电源11在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。运行时，超声振动换能器的电极片4接入超声电源11输出的电信号后，由于压电陶瓷片3的逆压电效应，压电陶瓷片3将会产生纵向超声振动，即超声振动换能器将超声电源11输出的电能转换为超声振动能量，并驱动整个换能器系统进行纵向超声振动，当超声振动能量从超声振动换能器传递到一级变幅杆5的末端后，压电陶瓷所产生的原始振幅在一级变幅杆5的末端得到放大，超声振动能量继续向前传递到二级变幅杆7的末端，振幅又一次得到放大，最后超声振动能量继续向前传递到三级变幅杆8的末端，振幅再一次得到放大，三级变幅杆8末端的纵向振动，传递到刀头9，转化为刀头的弯曲振动，进一步放大了刀头的振幅，并最终驱动刀头9进行弯曲超声振动。当对超声振动换能器加载电压，运行10分钟达到稳定振动状态后，超声电源11的输出电压为220V，电流为1.35A，使用激光多普勒测振仪测得三级变幅杆8末端的振幅为142微米，刀头9末端的振幅为189微米，而一般常规的振动幅值8-20微米，该大振幅纵弯超声振动切割装置的振动幅值提高了6-20倍。握持该切割刀对2CM厚纸质蜂窝复合材料进行切割，当施加约1N的切割力时，切割速度可达到5CM/min，且复合材料切割边沿无毛边产生。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大振幅纵弯超声振动切割装置，其特征在于：一种大振幅纵弯超声振动切割装置包括超声振动换能器、一级变幅杆、二级变幅杆、三级变幅杆、刀头、超声波电源和防护外壳，所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和一级变幅杆，后盖板和一级变幅杆通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和一级变幅杆联接压紧；所述的二级变幅杆设置在一级变幅杆的前端，三级变幅杆设置在二级变幅杆的前端，刀头设置在三级变幅杆的前端，刀头中心轴线与三级变幅杆轴线夹角a在80‑100度之间，刀头边沿具有刃口，且刃口边沿具有尖头朝向刀头尖端的三角形锯齿结构；在一级变幅杆、二级变幅杆及三级变幅杆，以及刀头及其柄部的截面突变部位，均设置有圆弧过渡。

【技术特征摘要】
1.一种大振幅纵弯超声振动切割装置，其特征在于：一种大振幅纵弯超声振动切割装置包括超声振动换能器、一级变幅杆、二级变幅杆、三级变幅杆、刀头、超声波电源和防护外壳，所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和一级变幅杆，后盖板和一级变幅杆通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和一级变幅杆联接压紧；所述的二级变幅杆设置在一级变幅杆的前端，三级变幅杆设置在二级变幅杆的前端，刀头设置在三级变幅杆的前端，刀头中心轴线与三级变幅杆轴线夹角a在80-100度之间，刀头边沿具有刃口，且刃口边沿具有尖头朝向刀头尖端的三角形锯齿结构；在一级变幅杆、二级变幅杆及三级变幅杆，以及刀头及其柄部的截面突变部位，均设置有圆弧过渡。2.根据权利要求1所述的一种大振幅纵弯超声振动切割装置，其特征在于：所述的三级变幅杆和二级变幅杆制作成一个整体设置在一级变幅杆的前...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄怀晶，王宇婷，殷振，高子萱，丁颖超，刘继承，张洋，邹林胜，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32