[发明专利]带冷却装置的超声辅助上模结构

说明书

技术领域

本发明涉及超声振动辅助金属成形，尤其是涉及一种带冷却装置的超声辅助上模结构。

背景技术

超声加工技术是20世纪50年代以来逐步发展起来的一种加工方法。超声加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆和上模具等组成。其中，超声波换能器和变幅杆是超声振动系统的重要组成部分。超声波换能器在振动系统中的主要作用是把超声波发生器传来的高频电信号转化为高频机械信号，一般分为磁致伸缩式和压电陶瓷式。变幅杆在振动系统中的主要作用是放大位移振幅，或者把能量集中在较小的面积上即聚能作用。当工作频率在20KHz范围内超声换能器辐射面的振幅只有几个微米，而在超声加工中所需要的振幅为几十甚至几百微米，所以必须借助变幅杆的聚能作用将振动质点的位移放大。在功率超声的应用中，变幅杆可以分为纵向振动、弯曲振动、扭转振动等形式。指数形、阶梯形和圆锥形变幅杆是最简单的纵振单一变幅杆，将不同形式的单一变幅杆根据需要组合而成为复合变幅杆。

换能器、变幅杆和上模具是超声波加工系统的核心。在新型超声加工应用中，需要用不同尺寸的工具连接到变幅杆上以实现超声加工。上模具和变幅杆的有效连接是使振动能量最大限度地进行传递的关键，目前常见的连接方式有螺纹连接、椎体压配连接和钎焊连接。其中螺纹连接能比较方便的更换上模具，但缺点是容易出现松动，造成超声能量传递的损失。中国发明专利（申请号201310698287.5）公开了一种可快速更换刀具的超声变幅杆，通过圆锥-圆柱复合型变幅杆的输出端与特定结构的工具适配器连接，工具适配器根据工具的结构尺寸大小而设计，更换后可保证整个超声振动系统仍处于谐振状态，可大大节省更换工具后重新进行阻抗匹配的时间，提高加工效率，但该装置的缺点是不能保证变幅杆与工具适配器以及工具适配器与上模具连接的可靠性。

目前超声振动辅助常温成形加工技术已经非常成熟，应用比较广泛。但超声振动辅助高温成形和辅助半固态金属成形技术还鲜有报道，原因是普通的压电陶瓷式换能器不能在高温下作业，这大大限制了超声振动技术的应用范围。中国实用新型专利（申请号201320309688.2）公开了一种高效率、高温、高压超声波换能器，采用独特冷却套，通过外加冷却液体对压电陶瓷晶体进行冷却，使压电陶瓷晶体始终保持在固定的温度上，大大提高了压电陶瓷晶体的稳定性，但该装置结构比较复杂，具体实现有一定难度。

基于以上问题，提出一种带有简单、易于实现的冷却装置的且可以方便更换上模具同时又能保证上模具和变幅杆连接可靠性的超声结构是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带冷却装置的超声辅助上模结构。冷却装置结构简单，易于实现，解决了超声振动装置不能用于高温作业的问题，扩大了超声辅助加工的应用范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明包括超声波换能器、变幅杆和上模具；超声波换能器下端与变幅杆上端之间、变幅杆下端与上模具上端之间和上模具下端与脱模机构之间均通过螺旋副连接成一体。

所述超声波换能器，包括预紧杆、上盖板、两片电极片和两片压电陶瓷片；上盖板、第一电极片、第一压电陶瓷片、第二电极片和第二压电陶瓷片通过同轴的预紧杆与变幅杆上端螺纹连接，并通过两片电极片的连接导线与超声波发生器相连，预紧杆轴向开有冷却通道。

所述变幅杆上端的法兰盘中心开有与超声波换能器的预紧杆下端连接的螺纹槽，螺纹槽底部开有直角冷却通道，直角冷却通道通过轴向开有带通孔螺杆与水管相连，为了保证变幅杆的工作行程和避免通道过长改变变幅杆的动力学性能，直角冷却管道开在变幅杆的圆锥形区域，变幅杆的下端中心开有与上模具上端连接的螺纹孔。

所述上模具的上端中心的螺柱与变幅杆下端中心的螺纹孔在变幅杆的节点位置进行连接，上模具下端面带有微细结构，微细结构根据加工工件的形状确定，用于完成不同结构工件的半固态金属微触变成形，上模具通过下端中心的下端螺柱与脱模机构连接，上模具既作为带有微细特征的上模具，又作为变幅杆延伸的一部分起到聚能和放大振幅的作用，变幅杆和上模具共同组成一个3/4波长的变幅杆，在上模具的下端面输出最大振幅，上模具与变幅杆的材料相同。

本发明具有的有益效果是：

本发明解决了超声振动装置不能用于高温作业的问题；通过在变幅杆节点位置对变幅杆和上模具进行螺纹连接，可防止上模具与变幅杆之间的螺纹松动，有效传递超声能量；可以方便更换上模具，通过添加冷却装置可将超声振动应用范围扩大到半固态成形领域。

附图说明

图1是本发明的装配结构图。