变幅杆、超声波换能器及超声刀具的制作方法

本申请涉及超声波应用，具体而言，涉及变幅杆、超声波换能器及超声刀具。

背景技术：

1、超声辅助加工针对众多难加工材料有着优异的表现，其工作原理为：超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，通过振幅扩大棒(变幅杆)使固定在变幅杆端部的工具振产生超声波振动，作用在工件加工表面，使工件成型。现有技术中，有多种类型的超声波装置，如超声刀具、超声机床、超声夹具等等。

2、其中超声换能器是超声波装置中将电能转换为超声振动的关键性机构，超声换能器中的变幅杆连接在超声波装置的壳体上，并在变幅杆上安装工具，在实际应用中，超声振动无法全部沿变幅杆传递至工具端，会有部分超声振动沿变幅杆向四周传递至超声波装置的壳体上，这将造成大量超声振动能量的损失。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供了一种变幅杆、超声波换能器及超声刀具，以减少超声振动在传递过程中的能量损失。

2、本申请提供了一种变幅杆，所述变幅杆用于超声波换能器，所述变幅杆包括变幅杆本体和法兰，所述法兰设于所述变幅杆本体的外周，所述变幅杆沿所述法兰的轴向传递工作用的超声振动，所述法兰具有沿所述法兰的径向相对设置的第一端面与第二端面，所述第一端面和/或所述第二端面设有凹槽，所述凹槽沿所述法兰的轴向凹陷并绕所述法兰的周向延伸，所述凹槽的沿所述法兰轴向凹陷的槽壁呈弧形。

3、上述实施例中，变幅杆通过法兰与外部结构连接，在法兰轴向相对的第一端面和/或第二端面上开设凹槽，使法兰在该处形成弹性结构，可以减弱法兰在该处的刚度，降低其固有频率，当超声波换能器产生的高频振动通过法兰向外部结构传递时，即沿法兰的径向传递，大部分的振动能量会被法兰吸收，起到阻隔振动向外部传递的作用，避免能量损耗，提升超声振动的传递效率；同时凹槽设为弧形，减少超声振动沿法兰径向传递时由于设置凹槽的弹性结构而带来的应力集中，提升法兰乃至变幅杆的使用寿命。

4、本申请的一些实施例中，所述凹槽的槽壁与所述第一端面或所述第二端面之间的相接处为弧面过渡。

5、上述实施例中，在凹槽与第一端面和/或第二端面的相接处采用圆弧过渡，进一步减少超声振动经过法兰时，在凹槽处出现的应力集中。

6、本申请的一些实施例中，所述凹槽包括第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽相比所述第二凹槽在所述法兰的径向上更靠近所述变幅杆本体，所述第一凹槽和所述第二凹槽中的一者位于所述第一端面、另一者位于所述第二端面。

7、上述实施例中，在距离变幅杆本体不同的位置上设置第一凹槽和第二凹槽，并分别设在第一端面和第二端面上，使法兰在径向方向上形成近似于波浪形的结构，进一步增强法兰的减振效果。

8、本申请的一些实施例中，所述第一凹槽的槽口上远离所述变幅杆本体的外侧边为第一边，所述第二凹槽的槽口上靠近所述变幅杆本体的内侧边为第二边，所述第二边相比所述第一边在所述法兰的径向上更靠近所述变幅杆本体，并且，所述第一凹槽的槽深与所述第二凹槽的槽深之和大于或等于所述第一端面与所述第二端面之间的距离。

9、上述实施例中，第二凹槽的第二边比第一凹槽的第一边更靠近变幅杆本体，并且第一凹槽的槽深与第二凹槽的槽深之和大于或等于两端面之间的距离，可以有效拉进第一凹槽与第二凹槽之间的距离，进一步减弱法兰此处的刚性，增强法兰此处的弹性形变能力，从而提升变幅杆沿法兰径向的减振能力，提高变幅杆的超声振动传递效率。

10、本申请的一些实施例中，所述法兰设有第一通孔和/或第二通孔，所述第一通孔、第二通孔均贯通所述第一端面与所述第二端面，所述第一通孔为绕所述法兰的周向延伸的条形孔，所述第二通孔为绕所述法兰周向延伸的扇环形孔。

11、上述实施例中，通过在法兰上开设条形的第一通孔或扇环形的第二通孔，可以直接在法兰的径向上进行减材，使超声振动沿法兰径向向外部传递时无法通过第一通孔和/或第二通孔所在的区域，从而减少超声振动的能量损失，提高变幅杆对超声振动的传递效率。

12、本申请的一些实施例中，所述第一通孔设有多个时，所述多个第一通孔环绕所述法兰的周向间隔分布；和/或所述第二通孔设有多个时，所述多个第二通孔环绕所述法兰的周向间隔分布。

13、上述实施例中，在法兰的周向上，第一通孔间隔设置多个和/或第二通孔间隔设置多个，使超声振动沿法兰径向向外传递时，可以减少法兰周向上允许超声振动通过的区域，从而提升变幅杆沿法兰径向的减振能力，提高变幅杆的超声振动传递效率；并通过间隔设置使相邻两个第一通孔、相邻两个第二通孔之间具有间隙，同时确保法兰自身结构强度，进而确保法兰与外部结构连接时具备足够的连接强度。

14、本申请的一些实施例中，所述法兰同时设有所述多个第一通孔和所述多个第二通孔时，在所述法兰的径向上，所述多个第一通孔所在环形区域与所述多个第二通孔所在环形区域相分离。

15、上述实施例中，第一通孔与第二通孔在法兰径向上与变幅杆本体的距离远近不同，避免形状不同的第一通孔与第二通孔在法兰周向的同一环形区域内混杂分布，有利于变幅杆的结构设计，从而有利于超声波换能器的振动节点的确定。

16、本申请的一些实施例中，相邻两个所述第一通孔之间具有第一间隙，相邻两个所述第二通孔之间具有第二间隙，所述第一间隙与所述第二间隙在环绕所述法兰周向的方向上错位分布。

17、上述实施例中，第一间隙与第二间隙在法兰周向上错位分布，避免在法兰的某一径向方向上连续出现第一间隙和第二间隙，使超声振动沿法兰径向传递时至少受到第一通孔、第二通孔中的一个的阻隔，提升变幅杆的减振能力，提高变幅杆的超声振动的传递效率。

18、本申请提供了一种超声波换能器，包括压电陶瓷和如上任一实施例中所述的变幅杆，所述变幅杆本体具有第一端和第二端，所述压电陶瓷连接于所述第一端，所述第二端用于连接工具头，所述法兰设于所述第一端和所述第二端之间。

19、上述实施例中，超声波换能器设有具有弧形槽壁的凹槽的变幅杆，可以通过法兰的弹性结构吸收向外部传递的超声振动，并可以减少超声振动经过法兰时带来的应力集中，兼顾超声波换能器的超声振动传递效率和使用寿命。

20、本申请提供了一种超声刀具，包括刀柄主体、工具头和如上实施例中所述的超声波换能器，所述刀柄主体设有安装腔，所述变幅杆的一端伸入至所述安装腔内，所述工具头设于所述变幅杆未伸入至所述安装腔内的另一端，所述变幅杆通过所述法兰与所述刀柄主体连接。

21、上述实施例中，超声刀具设有具有弧形槽壁的凹槽的变幅杆，可以通过法兰的弹性结构吸收变幅杆向刀柄主体传递的超声振动，使超声振动尽可能向工具头传递，避免能量损耗，提高超声刀具的超声加工效率，并且减少法兰在减振时的应力集中，提升超声刀具的使用寿命。

技术特征：

1.一种变幅杆，用于超声波换能器，包括变幅杆本体和法兰，所述法兰设于所述变幅杆本体的外周，所述变幅杆沿所述法兰的轴向传递工作用的超声振动，其特征在于：所述法兰具有沿所述法兰的轴向相对设置的第一端面与第二端面，所述第一端面和/或所述第二端面设有凹槽，所述凹槽沿所述法兰的轴向凹陷并绕所述法兰的周向延伸，所述凹槽的沿所述法兰轴向凹陷的槽壁呈弧形。

2.根据权利要求1所述的变幅杆，其特征在于：所述凹槽的槽壁与所述第一端面和/或所述第二端面之间的相接处为弧面过渡。

3.根据权利要求1所述的变幅杆，其特征在于：所述凹槽包括第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽相比所述第二凹槽在所述法兰的径向上更靠近所述变幅杆本体，所述第一凹槽和所述第二凹槽中的一者位于所述第一端面、另一者位于所述第二端面。

4.根据权利要求3所述的变幅杆，其特征在于：所述第一凹槽的槽口上远离所述变幅杆本体的外侧边为第一边，所述第二凹槽的槽口上靠近所述变幅杆本体的内侧边为第二边，所述第二边相比所述第一边在所述法兰的径向上更靠近所述变幅杆本体，并且，所述第一凹槽的槽深与所述第二凹槽的槽深之和大于或等于所述第一端面与所述第二端面之间的距离。

5.根据权利要求1所述的变幅杆，其特征在于：所述法兰设有第一通孔和/或第二通孔，所述第一通孔、第二通孔均贯通所述第一端面与所述第二端面，所述第一通孔为绕所述法兰的周向延伸的条形孔，所述第二通孔为绕所述法兰周向延伸的扇环形孔。

6.根据权利要求5所述的变幅杆，其特征在于：所述第一通孔设有多个时，所述多个第一通孔环绕所述法兰的周向间隔分布；

7.根据权利要求6所述的变幅杆，其特征在于：所述法兰同时设有所述多个第一通孔和所述多个第二通孔时，在所述法兰的径向上，所述多个第一通孔所在环形区域与所述多个第二通孔所在环形区域相分离。

8.根据权利要求7所述的变幅杆，其特征在于：相邻两个所述第一通孔之间具有第一间隙，相邻两个所述第二通孔之间具有第二间隙，所述第一间隙与所述第二间隙在环绕所述法兰周向的方向上错位分布。

9.一种超声波换能器，其特征在于，包括压电陶瓷和如权利要求1至8中任一条权利要求所述的变幅杆，所述变幅杆本体具有第一端和第二端，所述压电陶瓷连接于所述第一端，所述第二端用于连接工具头，所述法兰设于所述第一端和所述第二端之间。

10.一种超声刀具，其特征在于：包括刀柄主体、工具头和如权利要求9所述的超声波换能器，所述刀柄主体设有安装腔，所述变幅杆的一端伸入至所述安装腔内，所述工具头设于所述变幅杆未伸入至所述安装腔内的另一端，所述变幅杆通过所述法兰与所述刀柄主体连接。

技术总结
本申请提供一种变幅杆，所述变幅杆用于超声波换能器，所述变幅杆包括变幅杆本体和法兰，所述法兰设于所述变幅杆本体的外周，所述变幅杆沿所述法兰的轴向传递工作用的超声振动，所述法兰具有沿所述法兰的径向相对设置的第一端面与第二端面，所述第一端面和/或所述第二端面上开设有凹槽，所述凹槽沿所述法兰的轴向凹陷并绕所述法兰的周向延伸，所述凹槽的沿所述法兰轴向凹陷的槽壁呈弧形。本申请还提供一种超声波换能器和超声刀具，包括上述变幅杆。本申请的变幅杆可以阻隔振动向外部传递，避免能量损耗，提升超声振动的传递效率；同时减少超声振动沿法兰径向传递时带来的应力集中，提升变幅杆的使用寿命。

技术研发人员：乔家平,程龙
受保护的技术使用者：深圳极智超声科技有限公司
技术研发日：20221229
技术公布日：2024/1/15