本發(fā)明屬于機(jī)械振動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到超聲換能器的超聲變幅桿，特別是大功率多級階梯型變幅桿。

背景技術(shù)：

超聲振動(dòng)系統(tǒng)主要由換能器、變幅桿和加工工具組成。超聲變幅桿又稱為超聲變速桿、超聲聚能器。在實(shí)際使用中，因應(yīng)用不同而對變幅桿的外形設(shè)計(jì)有不同的要求，在超聲振動(dòng)鉆削深小孔與深腔零件和大面積工件的加工中，階梯型變幅桿是最常用的，因其放大系數(shù)最大，被廣泛應(yīng)用于超聲處理和超聲加工中。然而在實(shí)際的加載過程中，階梯型變幅桿難以適應(yīng)大功率工作狀態(tài)，在加載過程中容易出現(xiàn)輸入桿和輸出桿連接部位斷裂等問題。

為了防止階梯型變幅桿在加載過程中斷裂，也有關(guān)于圓錐形、指數(shù)形、懸鏈線形、圓弧等等結(jié)構(gòu)的變幅桿，但是其設(shè)計(jì)較原先復(fù)雜，加工成本有所提高，有些形狀如指數(shù)、懸鏈線、圓弧等必須數(shù)控加工，加工難度增大，而且放大系數(shù)較階梯型變幅桿有降低，因此，在實(shí)際應(yīng)用中均存在不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中變幅桿所存在的不足，本發(fā)明提供了一種放大系數(shù)大、應(yīng)力梯度峰值小且加工成本低的大功率多級階梯型變幅桿。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

該大功率多級階梯型變幅桿，包括輸入桿1和輸出桿3，輸出桿3直徑小于輸入桿1的直徑，其特征在于：在輸入桿1和輸出桿3之間連接有多級階梯型過渡段2，輸入桿1和過渡段2、輸出桿3同軸設(shè)置，所述過渡段2的直徑逐級遞減；

以輸入桿1與過渡段2的連接處截面中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，過渡段2的中心軸為x軸；該變幅桿的頻率方程表達(dá)式為：

zr＝ρcsr，ze＝ρcse，zi＝ρcsi，(i為整數(shù)，1≤i≤n)

其中：dr為輸入桿1的截面直徑；lr為輸入桿1的長度；lg為過渡段2的總長度；di為過渡段2的第i級臺階的截面直徑；li為過渡段2的第i級臺階的長度；de為輸出桿3的截面直徑；le為輸出桿3的長度；n為過渡段2的臺階級數(shù)；k為圓波數(shù)，sr為輸入桿1的截面面積，se為輸出桿3的截面面積，si為過渡段2中第i級臺階的截面面積。

進(jìn)一步限定，沿著振動(dòng)傳播方向，所述過渡段2的直徑逐級均勻遞減，且每級臺階長度等分過渡段2的長度。

進(jìn)一步限定，所述輸入桿1的長度lr等于輸出桿3的長度le。

進(jìn)一步限定，所述過渡段2的長度為變幅桿總長度的1/20～1/10。

進(jìn)一步限定，所述過渡段2的第i+1級臺階的截面直徑di+1比第i級臺階的截面直徑di小1～4mm。

進(jìn)一步限定，所述過渡段2的輸出端直徑不小于輸出桿3的截面直徑de。

進(jìn)一步限定，所述過渡段2的臺階級數(shù)為2～8級。

本發(fā)明的大功率多級階梯型變幅桿利用多級臺階梯度過渡來降低輸入桿和輸出桿之間的應(yīng)力梯度峰值，而且放大系數(shù)高，使用壽命長，增設(shè)過渡段的設(shè)計(jì)大大增加了大功率工作狀態(tài)下可承受的機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受大功率輸入，而且本發(fā)明無需精密加工設(shè)備，減小了加工難度，大大降低了加工成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的大功率多級階梯型變幅桿。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本實(shí)施例的大功率多級階梯型變幅桿是由依次同軸設(shè)置的輸入桿1、過渡段2和輸出桿3，即輸入桿1和輸出桿3之間通過過渡段2連接。變幅桿總長度l為100～200mm，輸入桿1和輸出桿3的長度相等，過渡段2的長度為6mm～18mm，為變幅桿總長度l的1/20～1/10；變幅桿的輸入桿1直徑dr為變幅桿長度l的0.15～0.4倍，輸出桿3直徑de至少比大端直徑輸入桿1直徑dr小于24mm。

過渡段2的輸入桿1直徑小于輸入桿1的截面直徑dr，過渡段2的輸出端直徑大于輸出桿3的截面直徑de。過渡段2是一個(gè)多級階梯型過渡段2，過渡段2是由2～8級臺階連接組成，且沿著振動(dòng)輸入方向，過渡段2的直徑逐級遞減，第i+1級臺階的截面直徑di+1比第i級臺階的截面直徑di小1～4mm，但是以逐級均勻遞減且每級臺階長度等分過渡段2長度為佳。

以輸入桿1與過渡段2的連接處截面中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，過渡段2中心軸為x軸；

根據(jù)聲傳輸線的方法來求變幅桿的頻率方程，將大功率多級階梯型變幅桿看作一聲傳輸線，后一段桿作為前一段桿的負(fù)載阻抗，即可得出：

其中，

……

(i為整數(shù)，1≤i≤n)

……

進(jìn)而得出，該變幅桿的頻率方程表達(dá)式為：

其中，zr＝ρcsr，ze＝ρcse，zi＝ρcsi，(i為整數(shù)，1≤i≤n)。

其中：lr為輸入桿(1)的長度；li為過渡段(2)的第i級臺階的長度；le為輸出桿(3)的長度；n為過渡段(2)的臺階級數(shù)；k為圓波數(shù)，k²＝ω²/c²，ω為頻率，為縱波的傳播速度，e為楊氏模量，ρ為桿材料的密度，sr為輸入桿(1)的截面面積，se為輸出桿(3)的截面面積，si為過渡段(2)中第i級臺階的截面面積。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，現(xiàn)以下述具體實(shí)施例為例進(jìn)行說明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中，變幅桿長度l取130mm，過渡段2的臺階級數(shù)取n＝2個(gè)，過渡段2總長度是變幅桿長度l的1/20，即過渡段2的總長度是6.5mm，則單個(gè)臺階的長度為3.25mm，輸入桿1和輸出桿3長度均等于61.75mm，輸入桿1截面直徑dr取變幅桿長度l的0.4倍即52mm，輸出桿3截面直徑de取16mm，中間過渡段2兩個(gè)臺階的直徑d1、d2均勻變化依次分別取40mm、28mm。

制作變幅桿的材料為45#鋼材。采用解析法計(jì)算得出，縱振動(dòng)頻率為20.6khz，放大系數(shù)mp＝10.5。

采用ansys有限元計(jì)算，縱振動(dòng)頻率為19.2khz，放大系數(shù)為9.9，應(yīng)力梯度峰值(變幅桿中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力值之比)為317。

這種結(jié)構(gòu)的階梯型變幅桿的放大系數(shù)與傳統(tǒng)的兩段階梯型的放大系數(shù)相差不大都在10左右。而應(yīng)力梯度峰值(變幅桿中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力值之比)從327減小到了317，增加了階梯型變幅桿的機(jī)械強(qiáng)度，提高了工作效率。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中，變幅桿長度l取130mm不變，輸入桿1與輸出桿3截面直徑也都不變?yōu)?6mm、8mm。過渡段2的臺階級數(shù)取n＝5個(gè)，過渡段2總長度取變幅桿長度l的1/13即10mm，則單個(gè)臺階的長度為2mm，輸入桿1和輸出桿3長度均等于60mm，中間過渡段2臺階均勻變化，中間過渡段2五個(gè)臺階的截面直徑d1、d2、d3、d4、d5依次分別為46mm、40mm、34mm、28mm、22mm。

制作變幅桿的材料為45#鋼材。采用解析法計(jì)算得出，縱振動(dòng)頻率為20.8khz，放大系數(shù)mp＝10.4。

采用有限元計(jì)算，縱振動(dòng)頻率為19.5khz，放大系數(shù)為9.8，應(yīng)力梯度(變幅桿中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力值之比)為291。

這種結(jié)構(gòu)的階梯型變幅桿的放大系數(shù)與傳統(tǒng)的兩段階梯型的放大系數(shù)相差不大，都在10左右。而應(yīng)力梯度峰值(變幅桿中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力值之比)從327減小到了291，大大增加了階梯型變幅桿的機(jī)械強(qiáng)度，提高了工作效率。

實(shí)施例3

本實(shí)施例中，變幅桿長度l取130mm不變，輸入桿1與輸出桿3截面直徑也都不變?yōu)?6mm、8mm。過渡段2臺階級數(shù)取n＝8個(gè)，過渡段2總長度取變幅桿長度l的1/10即13mm，則單個(gè)臺階的長度為1.625mm，輸入桿1和輸出桿3長度均等于58.5mm，中間過渡段2臺階均勻變化，中間過渡段28個(gè)臺階的直徑d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8依次分別為48mm、44mm、40mm、36mm、32mm、28mm、24mm、20mm。

制作變幅桿的材料為45#鋼材。采用解析法計(jì)算得出，縱振動(dòng)頻率為21.0khz，放大系數(shù)mp＝10.3。

采用有限元計(jì)算，縱振動(dòng)頻率為19.8khz，放大系數(shù)為9.7，應(yīng)力梯度峰值(變幅桿中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力值之比)為246。

這種結(jié)構(gòu)的階梯型變幅桿的放大系數(shù)與傳統(tǒng)的兩段階梯型的放大系數(shù)相差不大，都在10左右。而應(yīng)力梯度峰值(變幅桿中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力值之比)從327減小到了247，大大增加了階梯型變幅桿的機(jī)械強(qiáng)度，提高了工作效率。

上述實(shí)施例僅為較佳實(shí)施例，對于輸入桿1、輸出桿3以及過渡段2的長度、直徑分布等均可在上述范圍內(nèi)調(diào)整，也可以根據(jù)變幅桿的使用需求進(jìn)行變換，不僅限于實(shí)施例給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。