專利名稱：橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于機(jī)械加工領(lǐng)域的超聲波發(fā)生裝置，尤其涉及橢圓振動超聲波功率合成冷拉管、拉絲裝置。
背景技術(shù)：
超聲波應(yīng)用于金屬塑性加工是功率超聲技術(shù)的重要應(yīng)用和發(fā)展，是一項(xiàng)具有節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的新技術(shù)。與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比，超聲波應(yīng)用于冷拉拔管、 拉絲具有大幅降低拉拔力，減少加工道次，提高材料的延伸系數(shù)和加工精度等顯著特點(diǎn)，在機(jī)械工程領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。如《中國機(jī)械工程》2006年第3期《超聲振動拉絲實(shí)驗(yàn)研究》 一文研究得出超聲波振動拉絲能較明顯降低拉拔力，并且超聲振動可以減小金屬絲的不均勻變形及改善表面質(zhì)量。《北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)》2010年第1期《正交復(fù)合超聲振動拉絲》一文，對兩個(gè)相互垂直正交的超聲換能器構(gòu)成的振動系統(tǒng)拉絲效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究。 研究表明，與各種單一振動超聲拉絲效果相比，復(fù)合振動超聲拉絲綜合效果最佳，采用復(fù)合振動可使拉絲機(jī)的張力調(diào)節(jié)周期延長3倍以上，并且可更明顯地降低張力調(diào)節(jié)的幅值及更有效地減少拉絲的不均勻性?！端苄怨こ虒W(xué)報(bào)》2004年6期中的《超聲波振動拉管系統(tǒng)的失諧補(bǔ)償研究》一文， 對超聲波振動系統(tǒng)在拉管方面的應(yīng)用進(jìn)行了較深入的研究，并且提出了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，在理論上對超聲波振動系統(tǒng)在拉管方面做出了貢獻(xiàn)?！朵摴芗夹g(shù)》1985年第1期報(bào)道一種大功率超聲冷拔鋼管裝置，該裝置是一種縱向超聲拉拔系統(tǒng)，即施加于拉管外模的超聲振動方向和拉拔方向是一致的。冷拉管技術(shù)通常是將粗管拉成細(xì)管，如果將超聲振動施加于徑向，即垂直于管軸方向會有更好的拉制效果，但現(xiàn)有超聲拉管技術(shù)基本上采用縱向超聲振動，并且復(fù)合振動拉拔效果顯著優(yōu)于單一振動，上述正交超聲振動拉絲效果證明了這一點(diǎn)。 2004年，El本名古屋大學(xué)針對脆硬材料加工進(jìn)行了研究，指出超聲橢圓振動(兩個(gè)垂直同頻振動的合成)可顯著增加臨界深度，提高材料的表面加工質(zhì)量，驗(yàn)證了其對硬脆材料加工的可行性。但是現(xiàn)有技術(shù)中如果想產(chǎn)生橢圓振動一般需要2個(gè)自由度上的振動，且需要雙激勵(lì)電源，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。因此我們希望設(shè)計(jì)一套單激勵(lì)超聲橢圓振動系統(tǒng)應(yīng)用到拉管工藝中的結(jié)構(gòu)簡單的設(shè)備，以提高拉管、拉絲的品質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能產(chǎn)生橢圓振動的超聲波功率合成振動系統(tǒng)。尤其適用于大功率冷拔金屬管、拉絲等超聲工程技術(shù)領(lǐng)域。超聲拉管振動系統(tǒng)通常需要大的超聲功率和振幅。為達(dá)到所述效果，本發(fā)明橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，包括聚能圓環(huán)，聚能圓環(huán)外側(cè)均勻分布有至少3個(gè)超聲換能器，所述聚能圓環(huán)上具有振動位移節(jié)線，沿著振動位移節(jié)線均勻分布有不少于3條的狹縫， 所述狹縫中心處于振動位移節(jié)線上，并且與聚能圓環(huán)的半徑呈一定夾角。優(yōu)選的，所述聚能圓環(huán)外沿厚，內(nèi)沿薄。通過這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)成由外向內(nèi)的聚能器，以提高振幅放大系數(shù)以及振動能量傳輸效率。事實(shí)上，聚能圓環(huán)的剖面厚度沿半徑方向可以是線性變化的，也可以是非線性變化的，如指數(shù)形、冪次形等。優(yōu)選的， 所述超聲換能器和聚能圓環(huán)通過連接螺桿緊密固定在一起。這樣的連接牢固，并且安裝簡單。優(yōu)選的，所述狹縫與聚能圓環(huán)半徑之間的夾角在10度至80度之間。狹縫的作用是將聚能圓環(huán)中的徑向應(yīng)力部分地轉(zhuǎn)化成切向應(yīng)力，使得聚能圓環(huán)作徑扭復(fù)合振動。但是在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)狹縫與聚能圓環(huán)半徑之間夾角在0-10度或80-90度之間時(shí)，徑向應(yīng)力轉(zhuǎn)化量不足，無法達(dá)到預(yù)期的使聚能圓環(huán)作徑扭復(fù)合振動的目的。優(yōu)選的，所述狹縫與聚能圓環(huán)半徑之間的夾角為45度。這樣的結(jié)構(gòu)下聚能圓環(huán)中的徑向應(yīng)力部分轉(zhuǎn)化成切向應(yīng)力的轉(zhuǎn)化效果最佳。優(yōu)選的，所述狹縫的長度不大于聚能圓環(huán)環(huán)寬的1/3，所述狹縫的寬度不大于其長度的1/10。理論上狹縫條數(shù)越多，越長越好。但是過長、過多的狹縫會影響到聚能圓環(huán)自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此必須對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行限定，避免在大功率工作狀態(tài)下聚能圓環(huán)損壞。優(yōu)選的，所述聚能圓環(huán)中心套嵌有拉管外模，所述拉管外模上設(shè)有卡銷。通過卡銷確保拉管外模緊固在聚能圓環(huán)上。拉管外模用于拉制被拉金屬管，優(yōu)選的，所述聚能圓環(huán)在其振動位移節(jié)線上均勻設(shè)有螺孔。振動位移節(jié)線在聚能圓環(huán)振動時(shí)，其上所有點(diǎn)為振動節(jié)點(diǎn)，即振動位移為零。因此螺孔內(nèi)可以穿過螺釘或螺桿， 將聚能圓環(huán)固定在工作位上。優(yōu)選的，所述超聲換能器工作于其縱向基頻振動模式下，而聚能圓環(huán)工作于其第二階徑向振動模式下，超聲換能器沿徑向激勵(lì)聚能圓環(huán)進(jìn)行振動，且超聲換能器的共振頻率與聚能圓環(huán)的第二階徑向共振頻率相同，即兩者處于共振狀態(tài)。超聲換能器用于驅(qū)動聚能圓環(huán)，而聚能圓環(huán)必須工作于其第二階徑向振動模式下。因?yàn)橐浑A振動模式下聚能圓環(huán)中沒有振動位移節(jié)線，這樣就難以固定本發(fā)明橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置。此外，在滿足一定的內(nèi)、外半徑比條件下，聚能圓環(huán)的第二階徑向振動模式比其第一階振動模式具有更高的內(nèi)外振幅放大系數(shù)(環(huán)內(nèi)、外表面質(zhì)點(diǎn)振幅之比)，從而非常有利于提高拉管效率。由于采用了所述技術(shù)方案，本發(fā)明橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置所產(chǎn)生的橢圓振動冷拉拔效果比單一超聲振動拉拔更好，可進(jìn)一步改善和提高管子的表面光潔度、降低拉拔力、提高材料的延伸系數(shù)以及提高拉拔管的加工精度。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明圖1為本發(fā)明橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置的側(cè)面結(jié)構(gòu)剖視圖。
具體實(shí)施例方式如圖1及圖2所示，本發(fā)明橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，包括聚能圓環(huán)3，聚能圓環(huán)3外側(cè)均勻分布有至少3個(gè)超聲換能器1，所述聚能圓環(huán)3上具有振動位移節(jié)線5， 沿著振動位移節(jié)線5均勻分布有不少于3條的狹縫4，所述狹縫4中心位于振動位移節(jié)線5 上，并且與聚能圓環(huán)3半徑呈一定夾角。所述聚能圓環(huán)3外沿厚，內(nèi)沿薄，其剖面厚度可呈錐形或指數(shù)形等形狀函數(shù)變化。所述超聲換能器1和聚能圓環(huán)3通過連接螺桿2固定在一起。所述狹縫4與聚能圓環(huán)3半徑之間夾角在10度-80度之間。所述狹縫4與聚能圓環(huán)3 半徑之間夾角為45度。所述狹縫4的長度不大于聚能圓環(huán)3環(huán)寬的1/3，所述狹縫4的寬度不大于其長度的1/10。所述聚能圓環(huán)3中心套嵌有拉管外模7，所述拉管外模7上設(shè)有卡銷使其緊密固定在聚能圓環(huán)3中心。所述聚能圓環(huán)3在振動位移節(jié)線5上均勻設(shè)有螺孔 6。所述超聲換能器1工作于基頻振動模式下，而聚能圓環(huán)3工作于其第二階徑向振動模式下，且超聲換能器1的共振頻率與聚能圓環(huán)3的第二階徑向共振頻率相同。在生產(chǎn)本發(fā)明橢圓振 動功率合成拉管拉絲裝置時(shí)，需要先通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定聚能圓環(huán)3上的振動位移節(jié)線5的位置。振動位移節(jié)線5是聚能圓環(huán)3進(jìn)行第二階徑向振動時(shí)，聚能圓環(huán)3上諸點(diǎn)位移振幅為零的一條線，是一個(gè)和聚能圓環(huán)3同心的圓環(huán)。以振動位移節(jié)線5為基準(zhǔn)，節(jié)線兩側(cè)的振動方向是反相的。所述聚能圓環(huán)3外沿厚，內(nèi)沿薄，其剖面厚度沿半徑方向呈線性或非線性函數(shù)變化。通過這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)成由外向內(nèi)的聚能器，可提高其振幅放大系數(shù)以及振動能量傳輸效率。在振動位移節(jié)線5上均勻設(shè)有螺孔6， 離開螺孔6位置，在聚能圓環(huán)3上還均勻開設(shè)有一定數(shù)量的狹縫4。狹縫4可以穿透聚能圓環(huán)3，也可以不穿透，而是開成一定深度的狹槽。狹縫4的中心處于振動位移節(jié)線5上，并且與聚能圓環(huán)3的半徑成一定的夾角，這些狹縫的存在改變了聚能圓環(huán)結(jié)構(gòu)的軸對稱性， 并且由于環(huán)中狹縫處聲阻抗的突變，從而將聚能圓環(huán)3中的徑向應(yīng)力部分地轉(zhuǎn)換為切向應(yīng)力，使聚能圓環(huán)3作徑扭復(fù)合振動，且聚能圓環(huán)3中的徑向和切向這兩個(gè)相互垂直的振動是簡并的，兩者合成后在聚能圓環(huán)內(nèi)側(cè)面上的質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動，并在拉管模內(nèi)表面上獲得橢圓振動輸出。所述狹縫4與聚能圓環(huán)3半徑之間夾角在10度-80度之間，通常該夾角為45 度時(shí)，徑扭振動轉(zhuǎn)換效果最佳。所述狹縫4的長度不大于聚能圓環(huán)3環(huán)寬的1/3，所述狹縫 4的寬度不大于其長度的1/10。過長、過寬的狹縫4雖然轉(zhuǎn)換效果好，但是會影響聚能圓環(huán) 3自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。通過開狹縫4的方法可實(shí)現(xiàn)徑扭振動模式的轉(zhuǎn)換，獲得橢圓振動或類橢圓振動加工的效果，這種方法很容易實(shí)現(xiàn)徑向和扭轉(zhuǎn)兩種振動模式的簡并，從而實(shí)現(xiàn)了單激勵(lì)橢圓復(fù)合模式振動。最后在聚能圓環(huán)3周圍通過連接螺桿2均勻安裝上至少3個(gè)超聲換能器1，外周的超聲換能器1共振頻率一致，且各超聲換能器1之間為電并聯(lián)連接。可依據(jù)具體工況需要，通過增加超聲換能器1的數(shù)量來提高合成系統(tǒng)的總功率。并且在所述聚能圓環(huán)3中心亦可通過熱套方式嵌入拉管外模7。工作時(shí)，本發(fā)明橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，通過螺釘穿過螺孔6將本發(fā)明橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置安裝到工位上，并且在拉管外模7內(nèi)裝入待拉的金屬管8。 啟動超聲換能器1，所述超聲換能器1工作于其縱向基頻振動模式，而聚能圓環(huán)3工作于其第二階徑向振動模式，且超聲換能器1的共振頻率與聚能圓環(huán)3的第二階徑向振動頻率一致。聚能圓環(huán)第二階徑向振動比其第一階基頻振動模式具有更高的徑向振幅放大系數(shù)， 而且僅在第二階徑向振動模式下聚能圓環(huán)3上才存在一條振動位移節(jié)線5，在該位置安裝本發(fā)明橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置于工作位上可起到隔振作用，大大降低振動能量損耗。通過本發(fā)明的結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的橢圓振動冷拉拔比單一超聲振動拉拔具有更好的效果，可進(jìn)一步提高金屬管8的表面光潔度、降低作用在金屬管8上的拉拔力、提高金屬管8材料的延伸系數(shù)，同時(shí)提高拉拔管的加工精度。根據(jù)實(shí)際檢測，聚能圓環(huán)在基頻振動模式時(shí)的最大徑向振幅放大系數(shù)通常小于2。而本發(fā)明橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置的聚能圓環(huán)在滿足一定的幾何尺寸條件下，其第二階徑向振動模式時(shí)的徑向振幅放大系數(shù)大于10，遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。而且可通過單電源激勵(lì)設(shè)置在聚能圓環(huán)3外周上的超聲換能器1就能產(chǎn)生橢圓振動，結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝。 以上所述僅為 發(fā)明的具體實(shí)施例，但本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征并不局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的領(lǐng)域內(nèi)，所作的變化或修飾皆涵蓋在本發(fā)明的專利范圍之中。
權(quán)利要求
1.橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，其特征在于包括聚能圓環(huán)(3)，聚能圓環(huán)(3)外側(cè)均勻分布有至少3個(gè)超聲換能器(1)，所述聚能圓環(huán)(3)上具有振動位移節(jié)線(5)，沿著振動位移節(jié)線(5)均勻分布有不少于3條的狹縫(4)，所述狹縫(4)中心處于振動位移節(jié)線 (5)上，并且與聚能圓環(huán)(3)半徑呈一定夾角。
2.如權(quán)利要求1所述的橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，其特征在于所述聚能圓環(huán) (3)外沿厚，內(nèi)沿薄。
3.如權(quán)利要求1所述的橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，其特征在于所述超聲換能器(1)和聚能圓環(huán)(3)通過連接螺桿(2)固定在一起。
4.如權(quán)利要求1所述的橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，其特征在于所述狹縫(4) 與聚能圓環(huán)(3)半徑之間夾角在10度-80度之間。
5.如權(quán)利要求1所述的橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，其特征在于所述狹縫(4) 與聚能圓環(huán)(3)半徑之間夾角為45度。
6.如權(quán)利要求1或4或5所述的橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，其特征在于所述狹縫(4)的長度不大于聚能圓環(huán)(3)環(huán)寬的1/3，所述狹縫(4)的寬度為其長度的1/10。
7.如權(quán)利要求1所述的橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，其特征在于所述聚能圓環(huán) (3)中心套嵌有拉管外模(7)，所述拉管外模(7)上設(shè)有卡銷。
8.如權(quán)利要求1所述的橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，其特征在于所述聚能圓環(huán) (3)在振動位移節(jié)線(5)上均勻設(shè)有螺孔(6)。
9.如權(quán)利要求1所述的橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，其特征在于所述超聲換能器(1)工作于一階振動模式下，而聚能圓環(huán)(3)工作于二階振動模式下，且超聲換能器(1) 和聚能圓環(huán)(3)的振動頻率相同。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種能產(chǎn)生橢圓振動的超聲波功率合成振動系統(tǒng)，即橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，尤其適用于大功率冷拔金屬管、拉絲等超聲工程。為達(dá)到所述效果，本發(fā)明橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置，包括聚能圓環(huán)，聚能圓環(huán)外側(cè)均勻分布有至少3個(gè)超聲換能器，所述聚能圓環(huán)上具有振動位移節(jié)線，沿著振動位移節(jié)線均勻分布有不少于3條的狹縫，所述狹縫中心處于振動位移節(jié)線上，并且與聚能圓環(huán)半徑呈一定夾角。由于采用了所述技術(shù)方案，本發(fā)明橢圓振動功率合成拉管拉絲裝置所產(chǎn)生的橢圓振動冷拉拔比單一超聲振動拉拔具有更好的效果，可進(jìn)一步提高管子的表面光潔度、降低拉拔力、提高材料的延伸系數(shù)以及提高拉拔管的加工精度。
文檔編號B21C1/02GK102248019SQ20111018947
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者劉世清, 劉凡, 張志良, 王家濤 申請人:浙江師范大學(xué)