阅读说明：本技术 超磁致伸缩窗形椭圆复合振动换能器及换能方法 (Giant magnetostrictive window-shaped elliptical composite vibration transducer and transduction method ) 是由 贺西平 刘强 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种超磁致伸缩窗形椭圆复合振动换能器及换能方法,换能器包括从上往下依次设置的后盖板、振动伸缩单元、楔形块以及变幅杆；所述后盖板、振动伸缩单元以及楔形块相固定；所述楔形块与变幅杆固定连接；楔形块包括两个斜面,一个斜面与振动伸缩单元的下端面接触；另一个斜面与变幅杆的端面接触且通过螺杆固定；楔形块两个斜面之间的夹角为10～60°。楔形块将振动伸缩单元的产生的单一方向的振动转换成两个方向的椭圆复合振动,通过楔形块的角度和尺寸调整换能器输出频率和轨迹。本发明具有结构简单,漏磁小,实现振动轨迹可调的大振幅椭圆振动输出、功率输出大。(The invention relates to a giant magnetostrictive window-shaped elliptical composite vibration transducer and a transduction method, wherein the transducer comprises a rear cover plate, a vibration telescopic unit, a wedge-shaped block and an amplitude transformer which are sequentially arranged from top to bottom; the rear cover plate, the vibration telescopic unit and the wedge-shaped block are fixed; the wedge block is fixedly connected with the amplitude transformer; the wedge-shaped block comprises two inclined planes, and one inclined plane is contacted with the lower end face of the vibration telescopic unit; the other inclined plane is contacted with the end face of the amplitude transformer and is fixed through a screw; the included angle between two inclined planes of the wedge-shaped block is 10-60 degrees. The wedge block converts the single-direction vibration generated by the vibration telescopic unit into two-direction elliptical composite vibration, and the output frequency and the track of the transducer are adjusted through the angle and the size of the wedge block. The invention has simple structure and small magnetic leakage, realizes adjustable vibration track, large-amplitude elliptical vibration output and large power output.)

超磁致伸缩窗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窗形椭圆复合振动换能器及换能方法。

背景技术

超声加工技术是一种将超声振动用于精密或超精密加工的技术，和普通加工相比，超声加工具有，可显著降低切削力、提高加工质量、减小刀具磨损和提高加工效率的突出优点；而超声振动输出的方向和形式对加工质量和加工效率有着重要的影响，与单相振动相比，椭圆振动具有更低的切削力和更优的工艺效果。

目前的椭圆振动主要是是对两个独立的压电陶瓷堆施加激励，从而在两个方向产生纵向超声振动，形成椭圆复合振动，传统的椭圆振动需要两个超声波电源驱动，电路和振动装置的结构复杂，调整困难，制约了其在实际生产中的应用；另外，压电陶瓷的功率密度比较小，压电换能器难以实现大功率大振幅的超声振动输出。

发明内容

为了解决现有换能器的结构复杂，输出功率小的技术问题，本发明提供一种结构简单、能实现大功率输出的超磁致伸缩窗形椭圆复合振动换能器及换能方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超磁致伸缩窗形椭圆复合振动换能器，包括从上往下依次设置的后盖板、振动伸缩单元、楔形块以及变幅杆；所述后盖板、振动伸缩单元以及楔形块相固定；所述楔形块与变幅杆连接，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调节椭圆复合振动的频率和振幅。

进一步的，所述楔形块包括两个斜面，一个斜面与振动伸缩单元的下端面接触；另一个斜面与变幅杆的端面接触且通过螺杆固定；所述楔形块两个斜面之间的夹角为10～60°。

进一步的，所述振动伸缩单元包括超磁致伸缩棒以及缠绕在超磁致伸缩棒上的线圈；所述后盖板和振动伸缩单元与楔形块通过预紧螺栓固定。

进一步的，所述超磁致伸缩棒的两端处由内向外依次设置有永磁体以及导磁体；所述超磁致伸缩棒下端处的导磁体与楔形块的斜面接触；所述超磁致伸缩棒下端处的导磁体与后盖板接触。

一种超磁致伸缩窗形椭圆复合振动换能器的换能方法是，换能器在工作时，对振动伸缩单元施加高频交流电信号产生高频的交变磁场，振动伸缩单元在高频的交变磁场下产生高频的伸缩振动，通过楔形块将振动伸缩单元产生的单一方向上的振动转变成两个方向上的椭圆复合振动传输给变幅杆。

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流电信号产生的交变磁场，超磁致伸缩棒在交变磁场下产生单一方向的振动，并通过导磁体和楔形块将产生的单一方向上的振动转换成两个方向上的椭圆复合振动传递给变幅杆，并通过楔形块(5)的夹角和直径调节椭圆复合振动的频率和振幅。

进一步的，所述楔形块的直径应大于导磁体的长度，小于该换能器的振动频率所对应的四分之一波长。

进一步的，所述楔形块的直径的长度为35～60mm。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在变幅杆与振动伸缩单元之间设楔形块，将振动伸缩单元的产生的单一方向的振动转变成两个方向的椭圆复合振动传输给变幅杆，并调节椭圆复合振动的频率和振幅；装置结构简单。

2、本发明中，振动伸缩单元包括超磁致伸缩棒以及缠绕在超磁致伸缩棒上的线圈，以及超磁致伸缩棒两端的永磁体、导磁体，从而使换能器能够产生较大振幅超声椭圆振动，降低切削力、提高加工质量、减小刀具磨损和提高加工效率。

3、本发明中，后盖板与超磁致伸缩棒、楔形块通过预紧螺栓连接起来，预紧螺栓上所施加的预紧力相同，有利于提高换能器工作时的稳定性。

4、本发明中楔形块的两个斜面之间的夹角为10～60°；楔形块的直径d应大于导磁体的长度，小于该换能器的振动频率所对应的四分之一波长；楔形块第一直角面的直径长度为35～60mm，可以通过改变楔形块的角度和直径大小，对换能器的谐振频率以及输出的椭圆振动进行适当调整，同时改变振动伸缩单元的输出频率以及输出位移，使得变幅杆输出的椭圆复合振动轨迹不同。

附图说明

图1是本发明的超磁致伸缩窗形椭圆复合换能器的主视图；

图2是本发明的超磁致伸缩窗形椭圆复合换能器的左视图；

图3是本发明超磁致伸缩棒的结构示意图；

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—线圈，4—振动伸缩单元，5—楔形块，6—螺杆，7—变幅杆，8—引线，9—导磁体，10—超磁致伸缩棒，11—永磁体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供的超磁致伸缩窗形椭圆复合振动换能器，包括从上往下依次设置的后盖板2、振动伸缩单元4、楔形块5以及变幅杆7；后盖板2、振动伸缩单元4以及楔形块5相固定；楔形块5与变幅杆7连接，通过楔形块5将单一方向上的振动转化成两个方向的椭圆复合振动并调节椭圆复合振动的频率和振幅。

本发明中，楔形块5包括两个斜面，一个斜面与振动伸缩单元4的下端面接触；另一个斜面与变幅杆7的端面接触且通过螺杆6固定；楔形块两个斜面之间的夹角为10～60°。

本发明中，振动伸缩单元4包括超磁致伸缩棒10以及缠绕在超磁致伸缩棒10上的线圈3；后盖板2和振动伸缩单元4与楔形块5通过预紧螺栓1固定。超磁致伸缩棒10的两端处由内向外依次设置有永磁体11以及导磁体9；超磁致伸缩棒10下端处的导磁体9与楔形块5的斜面接触；超磁致伸缩棒10下端处的导磁体9与后盖板2接触。

本发明提供的超磁致伸缩窗形椭圆复合振动换能器的换能方法是，换能器在工作时，对振动伸缩单元4施加高频交流电信号产生高频的交变磁场，振动伸缩单元4在高频的交变磁场下产生高频的伸缩振动，通过楔形块5将振动伸缩单元4产生的单一方向上的振动转变成两个方向上的椭圆复合振动传输给变幅杆7。

具体换能方法是向超磁致伸缩棒10上的线圈3施加交流电信号产生的交变磁场，超磁致伸缩棒10在交变磁场下产生单一方向的振动，并通过导磁体9和楔形块5将产生的单一方向上的振动转换成两个方向上的椭圆复合振动传递给变幅杆7，并通过楔形块5的夹角和直径调节椭圆复合振动的频率和振幅。楔形块5的直径应大于导磁体9的长度，小于该换能器的振动频率所对应的四分之一波长。楔形块5的直径的长度为35～60mm。

实施例1

参见图1以及图2，本实施例提供的超磁致伸缩窗形椭圆复合振动换能器，包括从上往下依次设置的后盖板2、振动伸缩单元4、楔形块5以及变幅杆7；后盖板2、振动伸缩单元4以及楔形块5相固定，楔形块5与变幅杆7固定连接，并在变幅杆7的输出端上形成椭圆复合振动，整体结构简单。

本实施例中，后盖板2为圆柱体，振动伸缩单元4为窗形结构，变幅杆7包括从上往下依次连接的圆台段、大圆柱段以及小圆柱段；圆台段的大圆端面上设置法兰，通过法兰与楔形块5相连；圆台段的小圆端面与大圆柱段相连。

参见图1与图2，本实施例中，楔形块5的主体为圆柱体两端被切削后形成的，楔形块5包括两个斜面，两个斜面之间的夹角为30°，振动伸缩单元4的下端面与楔形块5的斜面接触；变幅杆7的上端与楔形块5的斜面通过螺杆6固定连接；通过改变楔形块5的角度，对换能器的谐振频率以及输出的椭圆振动进行适当调整，使得变幅杆7输出的椭圆轨迹不同，满足加工的要求。

参见图1以及图2，本实施例中，振动伸缩单元4包括两个一个超磁致伸缩棒10以及缠绕在超磁致伸缩棒10上的线圈3，及超磁致伸缩棒两端的永磁体、导磁体。超磁致伸缩棒10为窗形结构，超磁致伸缩棒10为长方形，中间为空，两侧对称的棒上缠绕着线圈3。后盖板2和超磁致伸缩棒10与楔形块通过预紧螺栓固定，具体的，后盖板2与振动伸缩单元4、楔形块5通过预紧螺栓1固定起来，并且预紧螺栓1上保证超磁致伸缩棒10所施加的预紧力相同，有利于提高换能器的整体稳定性；同时后盖板2、超磁致伸缩棒10、楔形块5、变幅杆7之间均通过绝缘胶粘结连接，超磁致伸缩棒10产生的超声振动，能降低切削力、提高加工质量、减小刀具磨损和提高加工效率。

参见图3，本实施例中，超磁致伸缩棒10的两端处由内向外依次设置有永磁体11以及导磁体9。具体的，超磁致伸缩棒10两侧的棒状端面处均设置永磁体11，然后在永磁体11的外侧设置导磁体9，导磁体9的长度与超磁致伸缩棒10的端面长度相等，永磁体11、导磁体9以及超磁致伸缩棒10形成闭合的磁回路，这样有利于减小漏磁，提高能量的利用率；超磁致伸缩棒10两端的导磁体9分别与后盖板2和楔形块5的斜面相接触。

参见图2，本实施例中，超磁致伸缩窗形椭圆复合振动换能器还包括与线圈3相连的引线8，通过引线8向线圈3施加激励交变信号。

超磁致伸缩窗形椭圆复合振动换能器，其换能方法是，换能器在工作时，通过引线8对换能器的线圈3施加高频交流电信号，线圈3产生高频的交变磁场，振动伸缩单元4在高频的交变磁场下产生单一方向的高频伸缩振动，通过楔形块5转换成两个方向的椭圆复合转动并传递给变幅杆7，在变幅杆7的输出端产生椭圆振动轨迹，并能调节椭圆复合振动的频率和振幅。具体的，超磁致伸缩棒10上的线圈3施加交流电信号产生的交变磁场，超磁致伸缩棒10在交变磁场下产生单一方向的振动，并通过导磁体9和楔形块5将产生的单一方向上的振动转换成两个方向上的椭圆复合振动传递给变幅杆7，并通过楔形块5的夹角和直径调节椭圆复合振动的频率和振幅。

本实施例中，为了使得换能器在工作时产生较大的谐振频率，提高换能效果，楔形块的直径应大于导磁块9的长度，小于该换能器的振动频率所对应的四分之一波长，且楔形块的直径为60mm；从而实现椭圆复合振动的频率和振幅的调节。

实施例2

在实施例1的基础上，后盖板2和变幅杆7的材料均为不锈钢；楔形块5的材料为铝合金；超磁致伸缩棒10的材料为Terfenol-D；导磁体9的材料为电工纯铁；永磁体11的材料为钕铁硼。

后盖板2的直径为36mm，长度为36.5mm；超磁致伸缩棒10的规格为15mm×7.5mm×35mm；导磁体9的材料为电工纯铁；永磁体11的规格为15mm×7.5mm×3mm；变幅杆7的大法兰直径为60mm，长度为5mm，圆台段的大圆直径为49mm，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：楔形块的直径35mm，楔形块的角度35°；

试验2：楔形块的直径48mm，楔形块的角度30°；

试验3：楔形块的直径60mm，楔形块的角度60°；

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、输出位移以及相位差，结果具体如表1。

表1为换能器的输出位移、谐振频率以及相位差

结合图4-9以及表1可知，随着楔形块夹角的增大，换能器的谐振频率减小，横向位移先增大后减小；随着楔形块的直径增大，换能器的谐振频率减小，纵向振动和横向振动的相位差减小。

综上所述，本发明提供的超磁致伸缩窗形椭圆复合振动换能器，通过在超磁致伸缩棒与变幅杆之间设置楔形块，在变幅杆上形成椭圆复合振动，相对于传统的椭圆振动需要两个超声波电源驱动两个独立的压电陶瓷堆而言，本发明换能器结构简单，且超磁致伸缩换能器产生的超声振动，具有输出功率大，能显著降低切削力、提高加工质量、减小刀具磨损和提高加工效率。