一种可分级调节压电陶瓷预紧力的超声刀柄制造技术

本发明专利技术公开了一种可分级调节压电陶瓷预紧力的超声刀柄。包括压帽拉杆、铜片、压电陶瓷、固定杆、超声变幅杆和刀具，超声变幅杆上下两端分别安装有压帽拉杆和刀具，超声变幅杆和压帽拉杆之间交替套装有压电陶瓷和铜片；压帽拉杆主要由压帽、拉杆Ⅰ和拉杆Ⅱ由上至下同轴依次连接组成；拉杆Ⅱ底部两侧设有对称布置的外凸缘，外凸缘上端面为螺旋斜面；超声变幅杆上端面中间开有柱状空腔，柱状空腔开口处设有两个对称布置的内凸缘，拉杆Ⅱ底部外凸缘伸入柱状空腔内。本发明专利技术通过分级旋转压帽拉杆实现分级调节压电陶瓷预紧力，通过加工过程中改变预紧力，实现改变超声振动系统的谐振频率，合理增大实际能量转换效率和增大超声振幅输出。

【技术实现步骤摘要】
一种可分级调节压电陶瓷预紧力的超声刀柄
本专利技术属于硬脆材料旋转超声加工
，尤其涉及一种可分级调节压电陶瓷预紧力的超声刀柄。
技术介绍
现如今互联网与人工智能技术飞速发展，智能手机、汽车电子、穿戴设备等集成电路产品拥有着巨大的市场空间。集成电路产品的核心是微电子芯片，微电子芯片的制造则离不开硅这种硬脆材料，目前硅材料在市场上的需求日益增加。除了硅材料以外，蓝宝石、陶瓷、碳纤维复合材料、玻璃等硬脆材料在市场上的需求量同样越来越大。对于这些硬脆材料，使用传统加工工艺的效率极其低下且易出现损伤缺陷，无法得到令人满意的效果。而旋转超声加工在硬脆材料的加工中可显著降低刀具磨损速度、减小加工切削力、降低加工表面热损伤与残余应力等，有效提高了硬脆材料的加工质量。换能系统是旋转超声加工系统的核心部件，其性能好坏直接决定了硬脆材料加工的性能好坏。换能系统通常由前盖板、压电陶瓷和后盖板组成。压电陶瓷的抗张强度较低，而抗压强度较高，两者约相差10倍左右，因此，为防止在功率较大时压电陶瓷发生损坏，通常利用前后盖板对压电陶瓷进行预紧。压电陶瓷所受预紧力的大小对超声振动系统的加工效率、振动模态、最大振动位移和谐振频率都有一定的影响。在合适的预紧力范围内，改变预紧力，可以提高加工效率、改变振动模态、调节谐振频率和最大振动位移等。但是现有系统很难实现对压电陶瓷预紧力的调节，究其原因，就是因为常规超声加工系统中压帽(后盖板)和拉杆通常为分离式，二者通过螺纹装配，预紧力在拧紧螺纹时产生，装配完成后，预紧力随之确定，其大小无法随意改变且预紧力的调整有很大程度的人为因素，该常规装配结构虽然简单，成本低廉，但是在加工过程中无法得知预紧力的大小，常出现预紧力过大或过小的情况。过大的预紧力会影响振动，甚至损坏压电陶瓷；过小的预紧力则会增加能量损耗，降低换能器转换效率。
技术实现思路
在现有超声振动装置中，固定压电陶瓷的压帽和拉杆为螺旋连接，这种连接方式导致初始的预紧力无法直观调整。为了解决现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种可分级调节压电陶瓷预紧力的超声刀柄，压帽和拉杆为整体式结构，该结构与变幅杆螺旋挤压，在挤压的过程中完成压电陶瓷预紧力的调节，通过调节预紧力实现系统谐振频率的改变，合理增大实际能量转换效率，增大超声振幅输出。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术包括压帽拉杆、铜片、压电陶瓷、固定杆、超声变幅杆和刀具，超声变幅杆上下两端分别安装有压帽拉杆和刀具，超声变幅杆和压帽拉杆之间交替套装有压电陶瓷和铜片；压帽拉杆主要由压帽、拉杆Ⅰ和拉杆Ⅱ由上至下同轴依次连接组成，拉杆Ⅰ外径大于拉杆Ⅱ外径；拉杆Ⅱ底部两侧设有对称布置的外凸缘，外凸缘上端面为螺旋斜面，两侧外凸缘的螺旋斜面倾斜方向一致。超声变幅杆上端面中间开有柱状空腔，柱状空腔开口处设有两个对称布置的内凸缘，拉杆Ⅱ底部外凸缘伸入柱状空腔内；内凸缘与外凸缘结构相同，均为1/4圆环柱状结构。超声变幅杆上端面两侧对称设有凸耳Ⅱ，两侧凸耳Ⅱ上开有一对对称布置的下定位孔；拉杆Ⅰ上交替套装有压电陶瓷和铜片，每块铜片两侧分别开有与超声变幅杆两侧的下定位孔位置上下对应的边孔；压帽两侧对称设有凸耳Ⅰ，两侧凸耳Ⅰ上开有多对上定位孔，每对上定位孔呈中心对称；两根固定杆通过由上至下依次穿过两侧上定位孔、每块铜片两侧的边孔后插入两侧的下定位孔实现压帽拉杆的固定，防止压帽拉杆发生转动，同时防止预紧力发生改变。两侧凸耳Ⅰ的中心连线与两侧外凸缘的中心连线垂直，具体是指同侧上定位孔之间的间距角度相同，中间一对上定位孔的连线与外凸缘中轴连线垂直。压帽拉杆底部伸入柱状空腔后，通过三级转动分级旋转压帽拉杆，使压帽拉杆外凸缘的螺旋斜面和超声变幅杆内凸缘底面产生螺旋挤压，压帽拉杆与超声变幅杆之间的挤压作用转化为对压电陶瓷的预紧作用，挤压作用越强，压电陶瓷的预紧力越大。通过三级转动分级旋转压帽拉杆的操作如下：压帽拉杆底部伸入柱状空腔，且压帽拉杆外凸缘与超声变幅杆内凸缘未发生接触挤压时为初始状态，内凸缘52与外凸缘25的中轴连线垂直；将压帽拉杆朝螺旋斜面的螺旋方向旋转30度，压帽拉杆外凸缘与超声变幅杆内凸缘开始挤压，压帽拉杆与超声变幅杆之间的挤压力度为一级，压电陶瓷受到最大预紧力的1/3；将压帽拉杆朝螺旋斜面的螺旋方向旋转60度，压帽拉杆外凸缘与超声变幅杆内凸缘的挤压作用增加，压帽拉杆与超声变幅杆之间的挤压力度为二级，压电陶瓷受到最大预紧力的2/3；将压帽拉杆朝螺旋斜面的螺旋方向旋转90度，压帽拉杆外凸缘与超声变幅杆内凸缘上下对齐，挤压作用达到最大，压帽拉杆与超声变幅杆之间的挤压力度为三级，压电陶瓷受到最大预紧力。压帽拉杆旋转30度、60度、90度时，超声变幅杆上端面的下定位孔分别对应压帽上同侧的三个上定位孔，同侧的三个上定位孔分别为上定位孔Ⅰ、上定位孔Ⅱ和上定位孔Ⅲ，并通过固定杆固定连接上定位孔与下定位孔。超声变幅杆上端外周面设置有法兰盘用于与超声加工中心固定连接。超声变幅杆下端通过筒夹和螺母与刀具同轴固定连接，筒夹轴向两端分别伸入超声变幅杆下端和刀具上端，安装于刀具上端的螺母通过内外螺纹配合紧固到超声变幅杆下端，并将筒夹夹紧收缩。超声变幅杆下端开有与筒夹上端形状配合的内端小外端大的锥孔。拉杆Ⅰ高度略小于压电陶瓷和铜片的高度之和，使压电陶瓷的预紧作用正常发生；拉杆Ⅱ高度与外径与内凸缘高度与内径相适配；外凸缘的螺旋斜面高度为1/4螺距。拉杆Ⅰ上套装有绝缘套，铜片的边孔内设置有绝缘膜。压电陶瓷之间串联后与超声加工电源相连，相邻的压电陶瓷极化方向相反，铜片与压电陶瓷之间通过焊接相连。所述固定杆采用钢材质外套装一层绝缘套以防止与铜片发生短接。所述压帽上端设有扳拧结构，通过工具夹紧扳拧结构实现压帽拉杆的旋转本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术采用整体式压帽拉杆与超声变幅杆螺旋挤压的结构，实现压电陶瓷预紧力的分级调节，改变了普通变幅杆无法调节压电陶瓷预紧力的情况。合理预紧范围内，通过分级调节预紧力可以达到调节系统谐振频率、增大实际能量转换效率，增大超声振幅输出的效果。(2)本专利技术采用对称式固定结构，利用两根固定杆将压帽拉杆整体和变幅杆固定在一起，可以防止在加工过程中压电陶瓷预紧力发生二次改变的情况，使预紧力始终保持为理想值，超声加工工作状态更稳定。(3)本专利技术的压帽拉杆整体可以适配多个变幅杆，包括指数型、阶梯型、悬链型、圆锥型、级联型等，可以在具体加工过程中随时更换所需要的变幅杆类型，灵活方便，适应性强。附图说明图1为本专利技术装配图，其中a对应一级预紧力，b对应二级预紧力，c对应三级预紧力；图2为本专利技术爆炸视图；图3为本专利技术压帽拉杆的零件图；图4为本专利技术超声变幅杆的零件图；图5为本专利技术内部连接示意图，其中a对应无预紧状态，b对应一级预紧力，c对应二级预紧力，d对应三级预紧力。图中：固定杆1、压帽拉杆2、压电陶瓷3、铜片4、超声变幅杆5、螺母6、刀具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可分级调节压电陶瓷预紧力的超声刀柄，其特征在于：包括压帽拉杆(2)、铜片(4)、压电陶瓷(3)、固定杆(1)、超声变幅杆(5)和刀具(7)，超声变幅杆(5)上下两端分别安装有压帽拉杆(2)和刀具(7)，超声变幅杆(5)和压帽拉杆(2)之间交替套装有压电陶瓷(3)和铜片(4)；/n压帽拉杆(2)主要由压帽(27)、拉杆Ⅰ(28)和拉杆Ⅱ(29)由上至下同轴依次连接组成，拉杆Ⅰ(28)外径大于拉杆Ⅱ(29)外径；拉杆Ⅱ(29)底部两侧设有对称布置的外凸缘(25)，外凸缘(25)上端面为螺旋斜面；/n超声变幅杆(5)上端面中间开有柱状空腔，柱状空腔开口处设有两个对称布置的内凸缘(52)，拉杆Ⅱ(29)底部外凸缘(25)伸入柱状空腔内；内凸缘(52)与外凸缘(25)结构相同，均为1/4圆环柱状结构；/n超声变幅杆(5)上端面两侧对称设有凸耳Ⅱ，两侧凸耳Ⅱ上开有一对对称布置的下定位孔(51)；拉杆Ⅰ(28)上交替套装有压电陶瓷(3)和铜片(4)，每块铜片(4)两侧分别开有与超声变幅杆(5)两侧的下定位孔(51)位置上下对应的边孔；压帽(27)两侧对称设有凸耳Ⅰ，两侧凸耳Ⅰ上开有多对上定位孔，每对上定位孔呈中心对称；两根固定杆(1)通过由上至下依次穿过两侧上定位孔、每块铜片(4)两侧的边孔后插入两侧的下定位孔(51)实现压帽拉杆(2)的固定。/n...

【技术特征摘要】
1.一种可分级调节压电陶瓷预紧力的超声刀柄，其特征在于：包括压帽拉杆(2)、铜片(4)、压电陶瓷(3)、固定杆(1)、超声变幅杆(5)和刀具(7)，超声变幅杆(5)上下两端分别安装有压帽拉杆(2)和刀具(7)，超声变幅杆(5)和压帽拉杆(2)之间交替套装有压电陶瓷(3)和铜片(4)；
压帽拉杆(2)主要由压帽(27)、拉杆Ⅰ(28)和拉杆Ⅱ(29)由上至下同轴依次连接组成，拉杆Ⅰ(28)外径大于拉杆Ⅱ(29)外径；拉杆Ⅱ(29)底部两侧设有对称布置的外凸缘(25)，外凸缘(25)上端面为螺旋斜面；
超声变幅杆(5)上端面中间开有柱状空腔，柱状空腔开口处设有两个对称布置的内凸缘(52)，拉杆Ⅱ(29)底部外凸缘(25)伸入柱状空腔内；内凸缘(52)与外凸缘(25)结构相同，均为1/4圆环柱状结构；
超声变幅杆(5)上端面两侧对称设有凸耳Ⅱ，两侧凸耳Ⅱ上开有一对对称布置的下定位孔(51)；拉杆Ⅰ(28)上交替套装有压电陶瓷(3)和铜片(4)，每块铜片(4)两侧分别开有与超声变幅杆(5)两侧的下定位孔(51)位置上下对应的边孔；压帽(27)两侧对称设有凸耳Ⅰ，两侧凸耳Ⅰ上开有多对上定位孔，每对上定位孔呈中心对称；两根固定杆(1)通过由上至下依次穿过两侧上定位孔、每块铜片(4)两侧的边孔后插入两侧的下定位孔(51)实现压帽拉杆(2)的固定。


2.根据权利要求1所述的一种可分级调节压电陶瓷预紧力的超声刀柄，其特征在于，压帽拉杆(2)底部伸入柱状空腔后，通过三级转动分级旋转压帽拉杆(2)，使压帽拉杆(2)外凸缘(25)的螺旋斜面和超声变幅杆(5)内凸缘(52)底面产生螺旋挤压，压帽拉杆(2)与超声变幅杆(5)之间的挤压作用转化为对压电陶瓷(3)的预紧作用，挤压作用越强，压电陶瓷的预紧力越大。


3.根据权利要求2所述的一种可分级调节压电陶瓷预紧力的超声刀柄，其特征在于，通过三级转动分级旋转压帽拉杆(2)的操作如下：
压帽拉杆(2)底部伸入柱状空腔，且压帽拉杆(2)外凸缘(25)与超声变幅杆(5)内凸缘(52)未发生接触挤压时为无预紧状态；将压帽拉杆(2)朝螺旋斜面的螺旋方向旋转30度，压帽拉杆(2)外凸缘(25)与超声变幅杆(5)内凸缘(52)开始挤压，压帽拉杆(2)与超声变幅杆(5)之间的挤压力度为一级，压电陶瓷(3)受到最...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅德庆，白天，汪延成，程佳峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33