一种带有散热装置的纵扭复合超声换能器

1.本实用新型涉及超声换能器技术领域，特别涉及一种带有散热装置的纵扭复合超声换能器。


背景技术：

2.近些年以来，随着蜂窝芳纶型等复合材料在国防工业、航空航天领域应用的越来越广泛，而蜂窝芳纶型等复合材料作为难加工材料的一种，使用传统高速铣削加工往往会出现加工表面孔格塌陷、毛边、倒刺等缺陷，同时刀具磨损加剧，严重加快老化，加工效率较低。而超声辅助加工技术被证明是较为适合对蜂窝芳纶型等复合材料进行加工的技术之一，其是通过在传统机床的基础上引入一个额外的超声振动激励，使得刀具或工件产生超声振动，控制其振动频率、振动幅度和振动方向，使刀具产生周期性的高频分离的加工方式。
3.对比传统高速铣削，超声辅助加工技术由于超声切削的瞬时性有效的减少了材料的变形和毛刺的产生，提高了加工表面质量和加工精度。根据相关研究可知，单一的纵向或者单一的扭转模态振动由于只有一维的运动模态，超声振动系统主轴加工效率较为低下，严重浪费了超声辅助加工系统的性能发挥。而将其两者复合在一起的纵扭模式的组合可以更好地发挥超声辅助加工系统的性能，突出其蜂窝芯去除效率的高效，同时还可以获得较好的加工表面。
4.实现纵扭复合超声振动的方式之一是用两组压电陶瓷片分别进行径向和切向极化，从而分别产生纵向和扭转振动模态。然而切向极化了的压电陶瓷片工艺技术复杂，加工难度高，成片率较低，技术上难以实现工业上的规模生产；同时径向极化和切向极化压电陶瓷片很难保持频率上的谐振，这也在一定程度上限制了纵扭复合超声技术的运用。


技术实现要素：

5.针对以上技术存在的问题，本实用新型要解决的问题是：提出一种结构设计合理、紧凑，配合巧妙且在提高加工效率的同时保障其有良好工作性能的带有散热装置的纵扭复合超声换能器。
6.本实用新型基于上述目的采用的技术手段如下：一种带有散热装置的纵扭复合超声换能器，其包括后盖板、中央压电陶瓷片、金属电极片、散热装置、前盖板、预应力螺栓、可拆卸刀具和预应力螺栓绝缘套管，所述可拆卸刀具通过外螺纹连接设置在所述前盖板的末端，所述散热装置设置在所述中央压电陶瓷片和前盖板之间，所述金属电极片和所述中央压电陶瓷片交错设置在所述后盖板之间，所述预应力螺栓设置在后盖板首端，所述预应力螺栓绝缘套管设置在后盖板凸台上部。
7.更进一步的，所述中央压电陶瓷片与所述金属电极片各含四片，沿轴向交错设置。
8.更进一步的，所述散热装置包括一个散热法兰盘和十二片散热片，散热片沿周向焊接分布在散热法兰盘上。
9.更进一步的，所述前盖板中间过渡面上开设有螺旋斜圆头槽，顶部内侧轴向开有用于安装定位的沉头孔及用于连接紧固的沉头螺纹，螺旋斜圆头槽的螺旋角为30
°‑ꢀ
60
°
，优选为45
°
。
10.更进一步的，所述前盖板尾部中心轴线上设有与所述可拆卸刀具相匹配的装配腔，装配腔内设有螺纹，方便所述可拆卸刀具的装换。
11.更进一步的，所述预应力螺栓有螺栓头和与该头部相连的螺栓杆部，该螺栓杆部依次穿过所述后盖板、中央压电陶瓷片、金属电极片、散热装置，最终通过螺纹旋入所述前盖板的前段部，预应力的大小为18-23n。
12.后盖板上设置的凸台用于预应力螺栓绝缘套管、中央压电陶瓷片、金属电极片、散热装置的安装与定位；前盖板顶部内侧轴向开有用于安装定位的沉头孔及用于连接紧固的沉头螺纹，末端设置的螺纹孔用于与可拆卸刀具连接；可拆卸刀具用于蜂窝芯芳纶等复合材料的切削；预应力螺栓绝缘套管用于绝缘防护。
13.相比现有技术，本实用新型的有益效果是：本实用新型在超声换能器的前盖板中间过渡面上开设有螺旋斜圆头槽，使得只对径向极化了的压电陶瓷片产生的纵向模态振动部分转化成扭转振动模态，从而实现了纵扭复合模态振动，大大提高了加工效率。
14.本实用新型在压电陶瓷片与前盖板之间设置有散热装置，使超声换能器产生的大量热量通过散热装置传递到环境中，保障换能器良好的工作性能，进而保证加工效果。
15.本实用新型对超声换能器前盖板和超声变幅杆进行一体化设计，结构紧凑，有效避免了压电能量向外泄露，保障了超声波能量有效地传递至可拆卸刀具，工作稳定性能好。
16.本实用新型对加工刀具进行了可拆卸式设计，可根据加工材料的特点更换加工刀具，互换性和通用性较强，具有较强的推广性。
附图说明
17.图1为本实用新型所述的一种带有散热装置的纵扭复合超声换能器结构示意图。
18.图2为本实用新型所述的一种带有散热装置的纵扭复合超声换能剖视结构示意图。
19.图3为本实用新型所述的中央压电陶瓷片和所述的金属电极片结构分布示意图。
20.图4为本实用新型所述的散热装置结构示意图。
21.图5为本实用新型所述的带有螺旋斜圆头槽前盖板结构示意图。
22.1：后盖板，2：中央压电陶瓷片，3：金属电极片，4：散热装置，5：前盖板， 6：预应力螺栓，7：可拆卸刀具，8：预应力螺栓绝缘套管，2-1：压电陶瓷片，3-1：金属电极片，4-1：散热法兰盘，4-2：散热片，5-1：螺旋斜圆头槽。
具体实施方式
23.为了更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型实施方式作进一步地阐述。
24.结合图1、图2、图3、图4、图5说明本实施方式，一种带有散热装置的纵扭复合超声换能器，其包括后盖板1、中央压电陶瓷片2、金属电极片3、散热装置4、前盖板5、预应力螺栓6、可拆卸刀具7和预应力螺栓绝缘套管8，所述可拆卸刀具7通过外螺纹连接设置在所述前
盖板5的末端，它用于蜂窝芯芳纶等复合材料的切削，所述散热装置4设置在所述中央压电陶瓷片2和前盖板5之间，包括一个散热法兰盘4-1和十二片散热片4-2，散热片4-2沿周向焊接分布在散热法兰盘4-1上，所述金属电极片3和所述中央压电陶瓷片2交错设置在所述后盖板1之间，它包括四片压电陶瓷片和四片金属电极片，所述预应力螺栓6设置在后盖板1首端，所述预应力螺栓绝缘套管8设置在后盖板1凸台上部，它的设置用于绝缘防护。
25.所述前盖板5中间过渡面上开设有螺旋斜圆头槽，顶部内侧轴向开有用于安装定位的沉头孔及用于连接紧固的沉头螺纹，螺旋斜圆头槽的螺旋角为30
°‑ꢀ
60
°
，优选为45
°
。
26.所述前盖板5尾部中心轴线上设有与所述可拆卸刀具7相匹配的装配腔，装配腔内设有螺纹，方便所述可拆卸刀具7的装换。
27.所述预应力螺栓6有螺栓头和与该头部相连的螺栓杆部，该螺栓杆部依次穿过所述后盖板1、中央压电陶瓷片2、金属电极片3、散热装置4，最终通过螺纹旋入所述前盖板5的前段部，预应力的大小为18-23n。施加预紧力时要求使用扭力扳手，保障与后盖板1的结合面的紧密结合。


技术特征：
1.一种带有散热装置的纵扭复合超声换能器，其特征在于，包括：后盖板(1)、中央压电陶瓷片(2)、金属电极片(3)、散热装置(4)、前盖板(5)、预应力螺栓(6)、可拆卸刀具(7)和预应力螺栓绝缘套管(8)，所述可拆卸刀具(7)通过外螺纹连接设置在所述前盖板(5)的末端，所述散热装置(4)设置在所述中央压电陶瓷片(2)和前盖板(5)之间，所述金属电极片(3)和所述中央压电陶瓷片(2)交错设置在所述后盖板(1)之间，所述预应力螺栓(6)设置在后盖板(1)首端，所述预应力螺栓绝缘套管设置在后盖板(1)凸台上部。2.根据权利要求1所述的一种带有散热装置的纵扭复合超声换能器，其特征在于：所述中央压电陶瓷片(2)与所述金属电极片(3)各含四片，沿轴向交错设置。3.根据权利要求1所述的一种带有散热装置的纵扭复合超声换能器，其特征在于：所述散热装置(4)包括一个散热法兰盘(4-1)和十二片散热片(4-2)，散热片(4-2)沿周向焊接分布在散热法兰盘(4-1)上。4.根据权利要求1所述的一种带有散热装置的纵扭复合超声换能器，其特征在于：所述前盖板(5)中间过渡面上开设有螺旋斜圆头槽(5-1)，顶部内侧轴向开有用于安装定位的沉头孔及用于连接紧固的沉头螺纹，螺旋斜圆头槽(5-1)的螺旋角为30
°‑
60
°
。5.根据权利要求1所述的一种带有散热装置的纵扭复合超声换能器，其特征在于：所述前盖板(5)尾部中心轴线上设有与所述可拆卸刀具(7)相匹配的装配腔，装配腔内设有螺纹，方便所述可拆卸刀具(7)的装换。6.根据权利要求1所述的一种带有散热装置的纵扭复合超声换能器，其特征在于：所述预应力螺栓(6)有螺栓头和与螺栓头相连的螺栓杆部，该螺栓杆部依次穿过所述后盖板(1)、中央压电陶瓷片(2)、金属电极片(3)、散热装置(4)，最终通过螺纹旋入所述前盖板(5)的前段部，预应力的大小为18-23n。

技术总结
本实用新型提出了一种带有散热装置的纵扭复合超声换能器，其包括后盖板、压电陶瓷套件、散热装置、前盖板、可拆卸刀具和预应力螺栓。所述可拆卸刀具通过外螺纹连接设置在所述前盖板的末端，该前盖板的中间过渡面上开设有螺旋斜圆头槽，顶部内侧轴向开有用于安装定位的沉头孔及用于连接紧固的沉头螺纹；所述散热装置通过配合设置在与所述压电陶瓷套件和所述后盖板的中间，该后盖板尾部设有安装定位凸台。本实用新型合理的设计了一种将压电陶瓷套件产生的纵向振动通过后盖板上的螺旋斜圆头槽转换成纵扭复合振动的超声换能器，并设计了搭配换能器使用的散热装置，在提高换能器加工效率的同时保障了换能器的良好工作性能。效率的同时保障了换能器的良好工作性能。效率的同时保障了换能器的良好工作性能。


技术研发人员：王晓东 马佐田 张明星 孙智鼎 薛登辉 李向群 直新奇 邵程祎
受保护的技术使用者：长春工业大学
技术研发日：2021.11.10
技术公布日：2022/5/30