本發(fā)明涉及機械領域，具體涉及的是一種殼體兩圓弧跑道的加工裝置。

背景技術：

相關技術中，在普通立銑機床上精銑圓弧跑道，兩圓弧跑道的尺寸及位置度直接影響著該產(chǎn)品(殼體)的性能及壽命。而常規(guī)的是采用菱形銷對產(chǎn)品進行定位導向，且使用一般的加工工具，加工精度較低，從而影響產(chǎn)品的性能及壽命。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種殼體兩圓弧跑道的加工裝置，解決加工精度較低的技術問題。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是一種殼體兩圓弧跑道的加工裝置，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設置旋轉(zhuǎn)變壓器，所述變幅桿包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭，所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，D₀為上端部分的半徑，P₀為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P₁為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：

所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)，偶數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相反。根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率后通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：

(1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z_bL和Z_fL分別是換能器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設定；

(2)所述換能器的振動頻率方程為

$Z_i=\frac{Z_m}{N^2+{\mathrm{j\ωPC}}_{or}{Z}_m},$

前金屬蓋板輸入機械阻抗為后金屬蓋板輸入機械阻抗為換能器的機械阻抗為

其中，Z_f＝ρ₂c₂S₂，k₂＝ω/c₂，c₂是前金屬蓋板中的聲速，ρ₂、E₂、σ₂分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)，l₂和S₂是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；

(3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，若忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝0；若考慮機械損耗，輸入電阻抗為最小時，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_min，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸；

(4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，當輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝∞；當輸入電阻抗為無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_max，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸；

所述換能器還包括外殼、設于外殼上表面的上端蓋、設于外殼下表面的下端蓋和固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定柱，所述固定柱設于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端蓋的下方，所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。

作為優(yōu)選，相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。

作為優(yōu)選，根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率后通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：(1)首先對換能器的頻率方程進行推導：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子，即L_f+l₂以及L_b+l₁均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L_f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L_b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為l的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L_f+L_b＝Pl且l遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_sL_f)tan(k₂l₂)＝Z_o/Z_f，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_sL_b)tan(k₁l₁)＝Z_o/Z_f，其中，Z₀是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，l₁和l₂分別是后、前金屬蓋板的厚度；(2)根據(jù)實際需要設定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。

作為優(yōu)選，所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。

本發(fā)明的有益效果：利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)表達式如下：

其中，ρC為僅與材料有關的變幅桿的材料機械阻抗。

通過ANSYS諧響應分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.371×10^-12m/Pa，設計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090×10^-12m/Pa。

附圖說明

利用附圖對發(fā)明作進一步說明，但附圖中的實施例不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，對于本領域的普通技術人員，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其它的附圖。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明換能器的等效電路圖。

圖3是本發(fā)明的壓電陶瓷圓環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標記：1、框架，2、旋轉(zhuǎn)變壓器，3、換能器，4、變幅桿，5、工具頭，6、底座，7、壓板，8、張緊導向機構(gòu)，9、支架，10、墊圈螺釘，11、墊圈，12、導套，13、螺栓，14、固定螺釘，15、定位軸，16、定位器，17、分度盤，18、銷，19、導向銷，20、張緊螺釘，21、螺紋孔，21、殼體。。

具體實施方式

結(jié)合以下實施例對本發(fā)明作進一步描述。

實施例一

本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設置旋轉(zhuǎn)變壓器。

相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大，但是應力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，D₀為上端部分的半徑，P₀為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P₁為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積。

下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：

于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應力均勻分散，減少變幅桿斷裂的可能性。

所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間絕緣墊圈的設置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。

根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：

(1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z_bL和Z_fL分別是換能器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設定；

(2)所述換能器的振動頻率方程為

$Z_i=\frac{Z_m}{N^2+{\mathrm{j\ωPC}}_{or}{Z}_m},$

前金屬蓋板輸入機械阻抗為后金屬蓋板輸入機械阻抗為換能器的機械阻抗為

其中，Z_f＝ρ₂c₂S₂，k₂＝ω/c₂，c₂是前金屬蓋板中的聲速，ρ₂、E₂、σ₂分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)，l₂和S₂是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；

(3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，若忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝0；若考慮機械損耗，輸入電阻抗為最小時，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_min，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸；

(4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，當輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝∞；當輸入電阻抗為無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_max，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸。

在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：(1)首先對換能器的頻率方程進行推導：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子，即L_f+l₂以及L_b+l₁均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L_f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L_b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為l的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L_f+L_b＝Pl且l遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_sL_f)tan(k₂l₂)＝Z_o/Z_f，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_sL_b)tan(k₁l₁)＝Z_o/Z_f，其中，Z₀是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，l₁和l₂分別是后、前金屬蓋板的厚度；(2)根據(jù)實際需要設定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。

相關技術中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。

所述換能器還包括外殼、設于外殼上表面的上端蓋、設于外殼下表面的下端蓋和固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定柱，所述固定柱設于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。

所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳遞，提高振動能量的利用率。

在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為17mm，壓電陶瓷晶堆的厚度為12mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為35mm。

在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。

在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為30mm，其長度為12mm，下端部分的端面直徑為15mm，其長度為36mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍或燒結(jié)金剛砂磨料。

利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)表達式如下：

其中，ρC為僅與材料有關的變幅桿的材料機械阻抗。

通過ANSYS諧響應分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.371×10^-12m/Pa，設計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090×10^-12m/Pa。

實施例二

本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設置旋轉(zhuǎn)變壓器。

相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大，但是應力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，D₀為上端部分的半徑，P₀為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P₁為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積。

下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：

于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應力均勻分散，減少變幅桿斷裂的可能性。

所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間絕緣墊圈的設置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。

根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：

(1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z_bL和Z_fL分別是換能器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設定；

(2)所述換能器的振動頻率方程為

前金屬蓋板輸入機械阻抗為后金屬蓋板輸入機械阻抗為換能器的機械阻抗為

其中，Z_f＝ρ₂c₂S₂，k₂＝ω/c₂，c₂是前金屬蓋板中的聲速，ρ₂、E₂、σ₂分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)，l₂和S₂是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；

(3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，若忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝0；若考慮機械損耗，輸入電阻抗為最小時，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_min，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸；

(4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，當輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝∞；當輸入電阻抗為無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_max，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸。

在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：(1)首先對換能器的頻率方程進行推導：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子，即L_f+l₂以及L_b+l₁均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L_f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L_b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為l的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L_f+L_b＝Pl且l遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_sL_f)tan(k₂l₂)＝Z_o/Z_f，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_sL_b)tan(k₁l₁)＝Z_o/Z_f，其中，Z₀是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，l₁和l₂分別是后、前金屬蓋板的厚度；(2)根據(jù)實際需要設定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。

相關技術中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。

所述換能器還包括外殼、設于外殼上表面的上端蓋、設于外殼下表面的下端蓋和固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定柱，所述固定柱設于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。

所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳遞，提高振動能量的利用率。

在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為18mm，壓電陶瓷晶堆的厚度為13mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為36mm。

在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。

在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為32mm，其長度為12mm，下端部分的端面直徑為16mm，其長度為37mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍或燒結(jié)金剛砂磨料。

利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)表達式如下：

其中，ρC為僅與材料有關的變幅桿的材料機械阻抗。

通過ANSYS諧響應分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.389×10^-12m/Pa，設計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090×10^-12m/Pa。

實施例三

本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設置旋轉(zhuǎn)變壓器。

相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大，但是應力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，D₀為上端部分的半徑，P₀為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P₁為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積。

下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：

于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應力均勻分散，減少變幅桿斷裂的可能性。

所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間絕緣墊圈的設置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。

根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：

(1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z_bL和Z_fL分別是換能器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設定；

(2)所述換能器的振動頻率方程為

$Z_i=\frac{Z_m}{N^2+{\mathrm{j\ωPC}}_{or}{Z}_m},$

前金屬蓋板輸入機械阻抗為后金屬蓋板輸入機械阻抗為換能器的機械阻抗為

其中，Z_f＝ρ₂c₂S₂，k₂＝ω/c₂，c₂是前金屬蓋板中的聲速，ρ₂、E₂、σ₂分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)，l₂和S₂是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；

(3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，若忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝0；若考慮機械損耗，輸入電阻抗為最小時，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_min，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸；

(4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，當輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝∞；當輸入電阻抗為無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_max，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸。

在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：(1)首先對換能器的頻率方程進行推導：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子，即L_f+l₂以及L_b+l₁均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L_f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L_b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為l的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L_f+L_b＝Pl且l遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_sL_f)tan(k₂l₂)＝Z_o/Z_f，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_sL_b)tan(k₁l₁)＝Z_o/Z_f，其中，Z₀是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，l₁和l₂分別是后、前金屬蓋板的厚度；(2)根據(jù)實際需要設定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。

相關技術中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。

所述換能器還包括外殼、設于外殼上表面的上端蓋、設于外殼下表面的下端蓋和固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定柱，所述固定柱設于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。

所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳遞，提高振動能量的利用率。

在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為16mm，壓電陶瓷晶堆的厚度為11mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為32mm。

在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。

在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為28mm，其長度為10mm，下端部分的端面直徑為13mm，其長度為32mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍或燒結(jié)金剛砂磨料。

利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)表達式如下：

其中，ρC為僅與材料有關的變幅桿的材料機械阻抗。

通過ANSYS諧響應分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.365×10^-12m/Pa，設計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090×10^-12m/Pa。

實施例四

本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設置旋轉(zhuǎn)變壓器。

相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大，但是應力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，D₀為上端部分的半徑，P₀為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P₁為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積。

下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：

于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應力均勻分散，減少變幅桿斷裂的可能性。

所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間絕緣墊圈的設置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。

根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：

(1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z_bL和Z_fL分別是換能器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設定；

(2)所述換能器的振動頻率方程為

$Z_i=\frac{Z_m}{N^2+{\mathrm{j\ωPC}}_{or}{Z}_m},$

前金屬蓋板輸入機械阻抗為后金屬蓋板輸入機械阻抗為換能器的機械阻抗為

其中，Z_f＝ρ₂c₂S₂，k₂＝ω/c₂，c₂是前金屬蓋板中的聲速，ρ₂、E₂、σ₂分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)，l₂和S₂是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；

(3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，若忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝0；若考慮機械損耗，輸入電阻抗為最小時，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_min，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸；

(4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，當輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝∞；當輸入電阻抗為無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_max，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸。

在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：(1)首先對換能器的頻率方程進行推導：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子，即L_f+l₂以及L_b+l₁均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L_f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L_b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為l的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L_f+L_b＝P_l且l遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_sL_f)tan(k₂l₂)＝Z_o/Z_f，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_sL_b)tan(k₁l₁)＝Z_o/Z_f，其中，Z₀是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，l₁和l₂分別是后、前金屬蓋板的厚度；(2)根據(jù)實際需要設定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。

相關技術中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。

所述換能器還包括外殼、設于外殼上表面的上端蓋、設于外殼下表面的下端蓋和固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定柱，所述固定柱設于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。

所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳遞，提高振動能量的利用率。

在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為20mm，壓電陶瓷晶堆的厚度為15mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為39mm。

在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。

在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為25mm，其長度為10mm，下端部分的端面直徑為10mm，其長度為30mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍或燒結(jié)金剛砂磨料。

利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)表達式如下：

其中，ρC為僅與材料有關的變幅桿的材料機械阻抗。

通過ANSYS諧響應分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.326×10^-12m/Pa，設計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090×10^-12m/Pa。

實施例五

本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設置旋轉(zhuǎn)變壓器。

相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大，但是應力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，D₀為上端部分的半徑，P₀為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P₁為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積。

下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：

于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應力均勻分散，減少變幅桿斷裂的可能性。

所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間絕緣墊圈的設置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。

根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：

(1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z_bL和Z_fL分別是換能器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設定；

(2)所述換能器的振動頻率方程為

$Z_i=\frac{Z_m}{N^2+{\mathrm{j\ωPC}}_{or}{Z}_m},$

前金屬蓋板輸入機械阻抗為后金屬蓋板輸入機械阻抗為換能器的機械阻抗為

其中，Z_f＝ρ₂c₂S₂，k₂＝ω/c₂，c₂是前金屬蓋板中的聲速，ρ₂、E₂、σ₂分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)，l₂和S₂是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；

(3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，若忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝0；若考慮機械損耗，輸入電阻抗為最小時，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_min，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸；

(4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，當輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝∞；當輸入電阻抗為無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_max，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸。

在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：(1)首先對換能器的頻率方程進行推導：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子，即L_f+l₂以及L_b+l₁均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L_f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L_b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為l的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L_f+L_b＝Pl且l遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_sL_f)tan(k₂l₂)＝Z_o/Z_f，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_sL_b)tan(k₁l₁)＝Z_o/Z_f，其中，Z₀是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，l₁和l₂分別是后、前金屬蓋板的厚度；(2)根據(jù)實際需要設定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。

相關技術中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。

所述換能器還包括外殼、設于外殼上表面的上端蓋、設于外殼下表面的下端蓋和固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定柱，所述固定柱設于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。

所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳遞，提高振動能量的利用率。

在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為17mm，壓電陶瓷晶堆的厚度為12mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為35mm。

在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。

在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為40mm，其長度為25mm，下端部分的端面直徑為21mm，其長度為40mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍或燒結(jié)金剛砂磨料。

利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)表達式如下：

其中，ρC為僅與材料有關的變幅桿的材料機械阻抗。

通過ANSYS諧響應分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.402×10^-12m/Pa，設計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090×10^-12m/Pa。

最后應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對本發(fā)明保護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明作了詳細地說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的實質(zhì)和范圍。