阅读说明：本技术 超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器及换能方法 (Giant magnetostrictive rod-shaped elliptical composite vibration transducer and transduction method ) 是由 贺西平 刘强 汪彦军 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明属于超声加工技术领域,涉及一种超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器及其换能方法,换能器包括从上往下依次连接的后盖板、导磁筒、外壳以及变幅杆；导磁筒内设置振动部件；外壳内设置楔形块,且所述外壳的尺寸稍大于楔形块的尺寸；振动部件的一端与后盖板相接触,振动部件的另一端通过楔形块与变幅杆相接触；后盖板、振动部件以及楔形块通过预紧螺栓固定；楔形块包括两个斜面；一个斜面与变幅杆的端面相接触；另一个斜面与振动部件的端面相垂直,两个斜面之间的夹角为10～60°。本发明通过楔形块将单一方向的振动转换成两个方向的椭圆复合振动,振动功率大且效果好,结构简单,并可对换能器的振动频率和椭圆振动轨迹进行调整。(The invention belongs to the technical field of ultrasonic processing, and relates to a giant magnetostrictive rod-shaped elliptical composite vibration transducer and a transduction method thereof, wherein the transducer comprises a rear cover plate, a magnetic conduction cylinder, a shell and an amplitude transformer which are sequentially connected from top to bottom; a vibration part is arranged in the magnetic conduction cylinder; a wedge-shaped block is arranged in the shell, and the size of the shell is slightly larger than that of the wedge-shaped block; one end of the vibration component is contacted with the rear cover plate, and the other end of the vibration component is contacted with the amplitude transformer through the wedge-shaped block; the rear cover plate, the vibration component and the wedge-shaped block are fixed through a pre-tightening bolt; the wedge block comprises two inclined planes; one inclined plane is contacted with the end surface of the amplitude transformer; the other inclined plane is perpendicular to the end face of the vibration component, and the included angle between the two inclined planes is 10-60 degrees. The invention converts the vibration in a single direction into the elliptical composite vibration in two directions through the wedge-shaped block, has large vibration power, good effect and simple structure, and can adjust the vibration frequency and the elliptical vibration track of the transducer.)

超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器及换能方法

技术领域

本发明属于超声加工技术领域，涉及一种超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器及其换能方法。

背景技术

超声加工技术在硬脆性材料加工方面有着广泛的应用，传统的超声加工很多采用单一振动形式，随着超声振动理论与实践的不断改进和完善，椭圆振动形式得到发展，与常规超声振动加工相比，椭圆振动在硬脆性材料加工方面有很大优势，它不仅可以有效降低切削力与切削温度，并且能够显著提高工件的加工质量、刀具的耐用度和加工系统的稳定性。

目前主要有两种方法产生椭圆振动，一种是采用两组或两组以上的压电陶瓷片来激发产生具有一定相位的两个或多个振动模态，另一种是由两个换能器在两个方向分别施加纵向超声振动实现椭圆振动输出，但必须配备至少两路超声驱动电源信号，控制各路超声驱动电源信号之间的相位差，超声振动系统和控制系统的结构复杂、不易控制且成本高；另外，压电换能器的功率容量小，难以实现大功率大振幅的超声振动输出，制约了在工业生产中的应用。

发明内容

针对现有换能器振动形式单一、输出功率小以及结构复杂的技术问题，本发明提供一种超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器及其换能方法，能实现椭圆复合振动、振动功率大且效果好、结构简单。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器，包括从上往下依次连接的后盖板、导磁筒、外壳以及变幅杆；所述导磁筒内设置振动部件；所述外壳内设置楔形块，且所述外壳的尺寸稍大于楔形块的尺寸；所述振动部件的一端与后盖板相接触，振动部件的另一端通过楔形块与变幅杆相接触；所述后盖板、振动部件以及楔形块通过预紧螺栓固定。

进一步的，所述楔形块包括两个斜面；一个斜面与变幅杆的端面相接触；另一个斜面与振动部件的端面相垂直，所述两个斜面之间的夹角为10～60°。

进一步的，所述振动部件包括超磁致伸缩棒以及套设在超磁致伸缩棒外部的线圈；所述超磁致伸缩棒的轴向与导磁筒的轴向相平行；所述超磁致伸缩棒两端由中间向两端依次设置永磁体以及导磁块；所述后盖板、超磁致伸缩棒以及楔形块通过预紧螺栓固定。

所述超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器还包括设置在导磁筒与外壳之间的导磁片。

一种超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器的换能方法是：向换能器通电后，振动部件将电能转化成动能，并通过楔形块将单一方向上的振动转化成两个方向的椭圆复合振动并通过楔形块调节椭圆复合振动的频率和振幅，传递给变幅杆。

进一步的，所述具体换能方法是：向超磁致伸缩棒上的线圈施加交变电流产生交变磁场，超磁致伸缩棒在交变磁场下产生单一方向的伸缩振动，并通过导磁块和楔形块将超磁致伸缩棒产生的单一方向上的振动转换成大振幅的两个方向上的椭圆复合振动传递给变幅杆。

进一步的，在换能器换能过程中通过楔形块的直径和夹角来调整振动频率以及振动振幅大小。

进一步的，所述楔形块的直径大于导磁块的宽度且小于换能器振动频率所对应的四分之一波长。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在变幅杆的端部与振动部件下端之间设置有楔形块；振动部件包括置于导磁套筒轴向上的超磁致伸缩棒，超磁致伸缩棒两端的永磁体与导磁体，超磁致伸缩棒产生单一方向上的大振幅超声振动通过楔形块转换成两个方向上的大振幅超声椭圆形复合振动，并传递给变幅杆，结构简单。

2、本发明中，超磁致伸缩棒下端的导磁块的结构为圆台形，与楔形块接触的是大圆端面，有利于超磁致伸缩棒产生的超声能量振动向楔形块以及变幅杆的方向辐射。

3、本发明中，通过改变楔形块的夹角，可以对换能器的谐振频率以及输出的椭圆振动进行适当调整；楔形块的角度不同，变幅杆顶端输出的椭圆轨迹不同，同时楔形块的直径应大于导磁块的直径，小于换能器的振动频率所对应的四分之一波长。

4、本发明中，外壳的内径稍大于楔形块的尺寸使得楔形块与外壳、导磁片之间有间隙，避免楔形块、导磁片与外壳之间相互接触对换能器的振动产生影响。

附图说明

图1是本发明的超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器的主视图；

图2是本发明的超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器的左视图；

图3是本发明楔形块和变幅杆之间的连接示意图；

图4为试验1中换能器的椭圆振动轨迹图；

图5为试验1中换能器的横向位移和纵向位移曲线图；

图6为试验2中换能器的椭圆振动轨迹图；

图7为试验2中换能器的横向位移和纵向位移曲线图；

图8为试验3中换能器的椭圆振动轨迹图；

图9为试验3中换能器的横向位移和纵向位移曲线图；

图中：

1—预紧螺栓，2—后盖板，3—永磁体，4—超磁致伸缩棒，5—导磁筒，6—导磁块，7—导磁片，8—楔形块，9—变幅杆，10—引线，11—线圈，12—螺栓A，13—螺母A，14—外壳，15—螺栓B，16—螺母B，17—螺钉C。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供的超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器，包括从上往下依次连接的后盖板2、导磁筒5、外壳14以及变幅杆9；导磁筒5内设置振动部件；外壳14内设置楔形块8，且外壳14的尺寸稍大于楔形块8的尺寸；振动部件的一端与后盖板2相接触，振动部件的另一端通过楔形块8与变幅杆9相接触；后盖板2、振动部件以及楔形块8通过预紧螺栓1固定。

本发明中，楔形块8包括两个斜面；一个斜面与变幅杆9的端面相接触；另一个斜面与振动部件的端面相垂直，两个斜面之间的夹角为10～60°。

本发明中，振动部件包括超磁致伸缩棒4以及套设在超磁致伸缩棒4外部的线圈11；超磁致伸缩棒4的轴向与导磁筒5的轴向相平行；超磁致伸缩棒4两端由中间向两端依次设置永磁体3以及导磁块6；后盖板2、超磁致伸缩棒4以及楔形块8通过预紧螺栓1固定。超磁致伸缩棒4为两个且对称置于导磁筒5内。

本发明提供的超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器还包括设置在导磁筒5与外壳14之间的导磁片7。

本发明提供的超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器的换能方法是：向换能器通电后，振动部件将电能转化成动能，并通过楔形块8将单一方向上的振动转化成两个方向的椭圆复合振动并通过楔形块8调节椭圆复合振动的频率和振幅，传递给变幅杆9。

本发明中，换能器的具体换能方法是：向超磁致伸缩棒4上的线圈11施加交变电流产生交变磁场，超磁致伸缩棒4在交变磁场下产生单一方向的伸缩振动，并通过导磁块6和楔形块8将超磁致伸缩棒4产生的单一方向上的振动转换成大振幅的两个方向上的椭圆复合振动传递给变幅杆9。在换能器换能过程中通过楔形块8的直径和夹角来调整振动频率以及振动振幅大小。楔形块8的直径大于导磁块6的宽度且小于换能器振动频率所对应的四分之一波长。

实施例1

参见图1和图2，超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器包括从上往下依次连接的后盖板2、导磁筒5、导磁片7、外壳14以及变幅杆9。

本实施例中，导磁筒5为圆形筒体，导磁筒5的内部设置振动部件；外壳14的内部设置楔形块8；振动部件的一端与后盖板2相接触，振动部件的另一端通过楔形块8与变幅杆9相连。

本实施例中，楔形块8的主体为圆柱体两端被切削后形成的，该楔形块8上包括两个斜面，两个斜面之间的夹角为30°，楔形块8的直径为一个斜面与变幅杆9的端部接触，另一个斜面与振动部件的端部接触；后盖板2、振动部件通过预紧螺栓1与楔形块8固定；振动部件与楔形块8的连接出处设置导磁片7且导磁片7位于导磁筒5和外壳14之间；导磁筒5的端部、导磁片7以及外壳14的端部分别通过螺栓A12和螺母A 13固定，通过楔形块8将单一方向上的振动转化成两个方向的椭圆复合振动并传递给变幅杆9，还可通过楔形块8来调节椭圆复合振动的频率和振幅。

本实施例中，振动部件包括超磁致伸缩棒4以及套设在超磁致伸缩棒4外部的线圈11；超磁致伸缩棒4置于导磁筒5内部，且其轴向与导磁筒5的轴向相平行；超磁致伸缩棒4的一端依次经永磁体3以及导磁块6与后盖板2相接触；超磁致伸缩棒4的另一端依次经永磁体3以及导磁块6与楔形块8的斜面接触；后盖板2、超磁致伸缩棒4以及楔形块8通过预紧螺栓1固定；

本实施例中，与楔形块8相接触的导磁块6，其结构为圆台结构，大圆台一端与楔形块8的斜面接触，小圆台一端与通过永磁体3与超磁致伸缩棒4接触。

本实施例中，导磁片7置于导磁筒5与外壳14之间，且导磁片7与导磁块6的外侧壁相接触。且导磁片7的一端均与导磁块6的外壁相接触，导磁片7的另一端均通过螺栓A 12和螺母A 13固定。

本实施例中，外壳14的内部尺寸稍大于楔形块8的尺寸，使得楔形块8与外壳14之间，楔形块8与导磁片7之间均存在间隙，避免相互之间接触对换能器的振动产生影响。

参见图2和图3，本实施例中，在外壳14内部，楔形块8的斜面和变幅杆9通过两个螺钉C17固定起来，楔形块8上的两个孔为沉头孔。楔形块8的直径d为22mm，楔形块8的角度和直径d改变，对换能器的椭圆振动轨迹进行适当调整。外壳14的外部，变幅杆9的法兰与外壳14的法兰连接且用螺栓B15与螺母B16固定起来。

实施例2

在实施例1的基础上，后盖板2的材料为不锈钢；后盖板2的直径为36mm，长度为36.5mm。

楔形块8的材料为铝合金。导磁筒5、导磁块6、导磁片7的材料为电工纯铁；永磁体3的材料为钕铁硼，其规格为超磁致伸缩棒4的规格为材料为Terfenol-D。

变幅杆9的材料均为不锈钢；变幅杆9的法兰直径为63mm，长度为5mm，圆台段大圆直径为49mm，圆台段小圆直径为25mm，长度为21mm，大圆柱段直径为25mm，长度为20mm，小圆柱段直径为15mm，长度为51mm。

进一步的，楔形块8的两个斜面之间的夹角大小(角度θ)以及楔形块8的直径d大小对换能器的振动频率、横向位移、纵向位移以及相位差有影响。因此，对不同尺寸的楔形块8的换能效果进行试验验证，具体的，

试验1：楔形块8的直径为22mm，角度为30°；

试验2：楔形块8的直径为42mm，角度为50°；

试验3：楔形块8的直径为60mm，角度为40°；

采用上述三种尺寸的楔形块8制成换能器，记录变幅杆9输出端的椭圆复合振动的运动轨迹以及换能器的横向和纵向位移，结果如图4-9所示。

此外，还对楔形块8的其他尺寸制成的换能器，用ANSYS计算出换能器的谐振频率与输出位移，结果具体如表1。

表1换能器的输出位移与谐振频率

通过表1以及图4-9可知，随着楔形块8的夹角增大，换能器的横向位移和纵向位移均增大，纵向振动和横向振动的相位差也增大；随着楔形块8的直径增大，换能器的谐振频率减小，纵向振动和横向振动的相位差先增大后减小。