[发明专利]一种大振幅超声振动切割装置

说明书

本发明涉及一种大振幅超声振动切割装置，包括压电换能器、一级变幅杆、二级变幅杆、弹性变幅杆、刀头以及高频电源，压电换能器包括螺栓及从后至前依次套设在螺栓上且相互联接压紧的后盖板、压电陶瓷片、电极片和一级变幅杆，二级变幅杆固定在一级变幅杆的前端，弹性变幅杆固定在二级变幅杆的前端，刀头固定在弹性变幅杆的前端，电极片与高频电源连接，高频电源能通过电极片向压电陶瓷片提供超声电信号，使压电陶瓷片带动整个压电换能器产生轴向振动，一级变幅杆、二级变幅杆以及弹性变幅杆逐级放大压电换能器的振动幅度。本发明可以有效提高换能器输出功率和变幅比，在同等功率情况下，可以有效增大切割刀的振动幅值，提高电‑机转换效率。

技术领域

本发明涉及利用压电陶瓷逆压电效应的超声振动领域，尤其是涉及一种大振幅纵振切割装置。

背景技术

超声切割是利用超声压电换能器驱动切割刀具产生超声频率的振动，将碰撞和冲击能量传递到被切介质，致使被切介质材料疲劳破碎从而达到切割目的的一项新型工艺技术。超声切割可更有效、更精确地加工如碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、各种蜂窝复合材料和硬脆材料如光学玻璃、硅晶体、陶瓷等。另外，由于与生物组织接触的切割刀具以一定的超声频率振动时可使生物组织内水汽化、蛋白氢键断裂、细胞崩解、组织被切开、凝固和封闭小血管，所以超声切割技术又可运用到医疗外科手术工具上。目前，超声切割技术已广泛应用于医疗、航空航天、化工、农业、食品和机械等领域。

超声切割加工中，在其他条件不变的情况下，切割刀具的振幅越大，超声压电换能器的转换效率越高，增大切割刀具的振幅可以提高切割加工的速度，因此在超声切割加工中，刀具尖锐刃口的振幅是切割刀具性能的重要指标之一，为了提升超声振动在各个应用领域的性能，采取了各种方式对超声振动的振动幅值进行提高。

发明内容

本发明目的是为了克服现有压电换能器中振幅较低的不足，提供一种大振幅超声振动切割装置。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种大振幅超声振动切割装置，其中：包括压电换能器、一级变幅杆、二级变幅杆、弹性变幅杆、刀头以及高频电源，压电换能器包括螺栓及从后至前依次套设在螺栓上且相互联接压紧的后盖板、压电陶瓷片、电极片和一级变幅杆，二级变幅杆固定在一级变幅杆的前端，弹性变幅杆固定在二级变幅杆的前端，刀头固定在弹性变幅杆的前端，电极片与高频电源连接，高频电源能通过电极片向压电陶瓷片提供超声电信号，使压电陶瓷片带动整个压电换能器产生轴向振动，一级变幅杆、二级变幅杆以及弹性变幅杆逐级放大压电换能器的振动幅度。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的压电换能器外安装有防护外壳，一级变幅杆上设置有法兰盘，法兰盘与防护外壳固定连接，压电换能器通过法兰盘固定在防护外壳内，一级变幅杆的前端从防护外壳伸出，与二级变幅杆连接。

上述的刀头边沿具有尖锐刃口，且尖锐刃口边沿具有尖头朝向刀头尾端的三角形锯齿结构；在一级变幅杆、二级变幅杆、弹性变幅杆、刀头及刀头柄部的截面突变部位，均设置有圆弧过渡。

上述的弹性变幅杆为具有平面弹簧的“S”型结构，在该“S”型结构中，其断面直径为d，S形中回转轴线的间距为L，L∈(2d,∞）。

上述的弹性变幅杆沿切割装置轴向的弹性系数为K，大振幅纵振切割装置轴向振动频率为f，刀头质量为M，弹性变幅杆质量为m，则满足关系式：。

上述的弹性变幅杆和二级变幅杆为一体式结构。

上述的二级变幅杆通过螺钉联结设置在一级变幅杆的前端。

上述的刀头的工作频率范围为18kHz-80kHz。

大振幅纵振切割装置只有一组纵向振动压电陶瓷片。