徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置的製作方法

2023-09-15 22:40:20 1

專利名稱：徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於機械加工領域的超聲波發生裝置，尤其涉及徑扭複合振動超聲波功率合成冷拉管、拉絲裝置。
背景技術：
超聲波應用於金屬塑性加工是功率超聲技術的重要應用和發展，是一項具有節能、提高產品質量和經濟效益的新技術。與傳統的加工技術相比，超聲波應用於冷拉拔管、 拉絲具有大幅降低拉拔力，減少加工道次，提高材料的延伸係數和加工精度等顯著特點，在機械工程領域極具應用前景。如《中國機械工程》2006年第3期《超聲振動拉絲實驗研究》 一文研究得出超聲波振動拉絲能較明顯降低拉拔力，並且超聲振動可以減小金屬絲的不均勻變形及改善表面質量。《北京科技大學學報》2010年第1期《正交複合超聲振動拉絲》一文，對兩個相互垂直正交的超聲換能器構成的振動系統拉絲效果進行了實驗和仿真研究。 研究表明，與各種單一振動超聲拉絲效果相比，複合振動超聲拉絲綜合效果最佳，採用複合振動可使拉絲機的張力調節周期延長3倍以上，並且可更明顯地降低張力調節的幅值及更有效地減少拉絲的不均勻性。《塑性工程學報;)〉2004年6期中的《超聲波振動拉管系統的失諧補償研究》一文，對超聲波振動系統在拉管方面的應用進行了較深入的研究，並且提出了一個數學模型，在理論上對超聲波振動系統在拉管方面做出了貢獻。《鋼管技術》1985年第1期報導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，即施加於拉管外模的超聲振動方向和拉拔方向是一致的。冷拉管技術通常是將粗管拉成細管，如果將超聲振動施加於徑向，即垂直於管軸方向會有更好的拉制效果，但現有超聲拉管技術基本上採用縱向超聲振動，並且複合振動拉拔效果顯著優於單一振動，上述正交超聲振動拉絲效果證明了這一點。2004 年，El本名古屋大學針對脆硬材料加工進行了研究，指出超聲複合振動可顯著增加臨界深度，提高材料的表面加工質量，驗證了其對硬脆材料加工的可行性。但是現有技術中如果想產生徑扭複合振動一般需要2個自由度上的振動，且需要雙激勵電源，結構非常複雜。因此我們希望設計一套單激勵徑扭複合超聲振動系統應用到拉管工藝中的結構簡單的設備，以提高拉管、拉絲的品質。

實用新型內容本實用新型的目的是提供一種能產生徑扭複合振動的超聲波功率合成振動系統。 尤其適用於大功率冷拔金屬管、拉絲等超聲工程技術領域。超聲拉管振動系統通常需要大的超聲功率和振幅。為達到所述效果，本實用新型徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置，包括聚能圓環，聚能圓環外側均勻分布有至少3個超聲換能器，所述聚能圓環上具有振動位移節線，沿著振動位移節線均勻分布有不少於3 條的狹縫，所述狹縫中心處于振動位移節線上，並且與聚能圓環的半徑交錯設置。優選的，所述聚能圓環外沿厚，內沿薄。通過這樣的結構設計構成由外向內的聚能器，以提高振幅放大係數以及振動能量傳輸效率。事實上，聚能圓環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，如指數形、冪次形等。優選的，所述超聲換能器和聚能圓環通過連接螺杆緊密固定在一起。這樣的連接牢固，並且安裝簡單。優選的，所述狹縫與聚能圓環半徑之間的夾角在10度至80度之間。狹縫的作用是將聚能圓環中的徑向應力部分地轉化成切向應力，使得聚能圓環作徑扭複合振動。但是在實驗時發現狹縫與聚能圓環半徑之間夾角在0-10度或80-90度之間時，徑向應力轉化量不足，無法達到預期的使聚能圓環作徑扭複合振動的目的。優選的，所述狹縫與聚能圓環半徑之間的夾角為45度。這樣的結構下聚能圓環中的徑向應力部分轉化成切向應力的轉化效果最佳。優選的，所述狹縫的長度不大於聚能圓環環寬的1/3，所述狹縫的寬度不大於其長度的1/10。理論上狹縫條數越多，越長越好。但是過長、過多的狹縫會影響到聚能圓環自身的結構強度。因此必須對其結構進行限定，避免在大功率工作狀態下聚能圓環損壞。優選的，所述聚能圓環中心套嵌有拉管外模，所述拉管外模上設有卡銷。通過卡銷確保拉管外模緊固在聚能圓環上。拉管外模用於拉制被拉金屬管，優選的，所述聚能圓環在其振動位移節線上均勻設有螺孔。振動位移節線在聚能圓環振動時，其上所有點為振動節點，即振動位移為零。因此螺孔內可以穿過螺釘或螺杆， 將聚能圓環固定在工作位上。由於採用了所述技術方案，本實用新型徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置所產生的徑扭複合振動冷拉拔效果比單一超聲振動拉拔更好，可進一步改善和提高管子的表面光潔度、降低拉拔力、提高材料的延伸係數以及提高拉拔管的加工精度。
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明

圖1為本實用新型徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置的整體結構示意圖。圖2為本實用新型徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置的側面結構剖視圖。
具體實施方式
如圖1及圖2所示，本實用新型徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置，包括聚能圓環3，聚能圓環3外側均勻分布有至少3個超聲換能器1，所述聚能圓環3上具有振動位移節線5，沿著振動位移節線5均勻分布有不少於3條的狹縫4，所述狹縫4中心位于振動位移節線5上，並且與聚能圓環3半徑交錯設置。所述聚能圓環3外沿厚，內沿薄，其剖面厚度可呈錐形或指數形等形狀函數變化。所述超聲換能器1和聚能圓環3通過連接螺杆2固定在一起。所述狹縫4與聚能圓環3半徑之間夾角在10度-80度之間。所述狹縫4與聚能圓環3半徑之間夾角為45度。所述狹縫4的長度不大於聚能圓環3環寬的1/3，所述狹縫4的寬度不大於其長度的1/10。所述聚能圓環3中心套嵌有拉管外模7，所述拉管外模 7上設有卡銷使其緊密固定在聚能圓環3中心。所述聚能圓環3在振動位移節線5上均勻設有螺孔6。所述超聲換能器1工作於基頻振動模式下，而聚能圓環3工作於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3的第二階徑向共振頻率相同。[0018]在生產本實用新型徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置時，需要先通過理論計算和實驗確定聚能圓環3上的振動位移節線5的位置。振動位移節線5是聚能圓環3進行第二階徑向振動時，聚能圓環3上諸點位移振幅為零的一條線，是一個和聚能圓環3同心的圓環。以振動位移節線5為基準，節線兩側的振動方向是反相的。所述聚能圓環3外沿厚，內沿薄，其剖面厚度沿半徑方向呈線性或非線性函數變化。通過這樣的結構設計構成由外向內的聚能器，可提高其振幅放大係數以及振動能量傳輸效率。在振動位移節線5上均勻設有螺孔6，離開螺孔6位置，在聚能圓環3上還均勻開設有一定數量的狹縫4。狹縫4可以穿透聚能圓環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線 5上，並且與聚能圓環3的半徑成一定的夾角，這些狹縫的存在改變了聚能圓環結構的軸對稱性，並且由於環中狹縫處(聲)阻抗的突變，從而將聚能圓環3中的徑向應力部分地轉換為切向應力，使聚能圓環3作徑扭複合振動，並在拉管模內表面上獲得徑扭複合振動輸出。 所述狹縫4與聚能圓環3半徑之間夾角在10度-80度之間，通常該夾角為45度時，徑扭振動轉換效果最佳。所述狹縫4的長度不大於聚能圓環3環寬的1/3，所述狹縫4的寬度不大於其長度的1/10。過長、過寬的狹縫4雖然轉換效果好，但是會影響聚能圓環3自身的結構強度。通過開狹縫4的方法可實現徑扭振動模式的轉換，獲得徑扭複合振動加工的效果，這種方法很容易實現徑向和扭轉兩種振動模式的簡併，從而實現了單激勵徑扭複合複合模式振動。最後在聚能圓環3周圍通過連接螺杆2均勻安裝上至少3個超聲換能器1，外周的超聲換能器1共振頻率一致，且各超聲換能器1之間為電並聯連接。可依據具體工況需要，通過增加超聲換能器1的數量來提高合成系統的總功率。並且在所述聚能圓環3中心亦可通過熱套方式嵌入拉管外模7。工作時，本實用新型徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置，通過螺釘穿過螺孔6 將本實用新型徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置安裝到工位上，並且在拉管外模7內裝入待拉的金屬管8。啟動超聲換能器1，所述超聲換能器1工作於其縱向基頻振動模式，而聚能圓環3工作於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3的第二階徑向振動頻率一致。聚能圓環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係數，而且僅在第二階徑向振動模式下聚能圓環3上才存在一條振動位移節線 5，在該位置安裝本實用新型徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置於工作位上可起到隔振作用，大大降低振動能量損耗。所述超聲換能器1工作於其縱向基頻振動模式下，而聚能圓環3工作於其第二階徑向振動模式下，超聲換能器1沿徑向激勵聚能圓環3進行振動，且超聲換能器1的共振頻率與聚能圓環3的第二階徑向共振頻率相同，即兩者處於共振狀態。超聲換能器1用於驅動聚能圓環3，而聚能圓環3必須工作於其第二階徑向振動模式下。因為一階振動模式下聚能圓環3中沒有振動位移節線5，這樣就難以固定本實用新型徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置。此外，在滿足一定的內、外半徑比條件下，聚能圓環3第二階徑向振動模式比其第一階振動模式具有更高的內外振幅放大係數(環內、外表面質點振幅之比)，從而非常有利於提高拉管效率。通過本實用新型的結構所產生的徑扭複合振動冷拉拔比單一超聲振動拉拔具有更好的效果，可進一步提高金屬管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材料的延伸係數，同時提高拉拔管的加工精度。根據實際檢測，聚能圓環3在基頻振動模式時的最大徑向振幅放大係數(環內、外表面振幅之比)通常小於2。而本實用新型徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置的聚能圓環在滿足一定的幾何尺寸條件下，其第二階徑向振動模式時的徑向振幅放大係數大於10，遠優於現有技術。而且可通過單電源激勵設置在聚能圓環3外周上的超聲換能器1就能產生徑扭複合振動，結構簡單，便於安裝。 以上所述僅為本實用新型的具體實施例，但本實用新型的結構特徵並不局限於此，任何本領域的技術人員在本實用新型的領域內，所作的變化或修飾皆涵蓋在本實用新型的專利範圍之中。
權利要求1.徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置，其特徵在於包括聚能圓環(3)，聚能圓環(3)外側均勻分布有至少3個超聲換能器(1)，所述聚能圓環C3)上具有振動位移節線(5)， 沿著振動位移節線(5)均勻分布有不少於3條的狹縫0)，所述狹縫(4)中心處于振動位移節線(5)上，並且與聚能圓環(3)半徑交錯設置。
2.如權利要求1所述的徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置，其特徵在於所述聚能圓環C3)外沿厚，內沿薄。
3.如權利要求1所述的徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置，其特徵在於所述超聲換能器(1)和聚能圓環C3)通過連接螺杆O)固定在一起。
4.如權利要求1所述的徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置，其特徵在於所述狹縫 ⑷與聚能圓環⑶半徑之間夾角在10度-80度之間。
5.如權利要求1所述的徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置，其特徵在於所述狹縫(4)與聚能圓環(3)半徑之間夾角為45度。
6.如權利要求1或4或5所述的徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置，其特徵在於所述狹縫(4)的長度不大於聚能圓環(3)環寬的1/3，所述狹縫(4)的寬度為其長度的1/10。
7.如權利要求1所述的徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置，其特徵在於所述聚能圓環(3)中心套嵌有拉管外模(7)，所述拉管外模(7)上設有卡銷。
8.如權利要求1所述的徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置，其特徵在於所述聚能圓環( 在振動位移節線( 上均勻設有螺孔(6)。
專利摘要本實用新型的目的是提供一種能產生橢圓振動的超聲波功率合成振動系統，即徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置尤其適用於大功率冷拔金屬管、拉絲等超聲工程。為達到所述效果，本實用新型徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置，包括聚能圓環，聚能圓環外側均勻分布有至少3個超聲換能器，所述聚能圓環上具有振動位移節線，沿著振動位移節線均勻分布有不少於3條的狹縫，所述狹縫中心處于振動位移節線上，並且與聚能圓環半徑交錯設置。由於採用了所述技術方案，本實用新型徑扭複合振動功率合成拉管拉絲裝置所產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，可進一步提高管子的表面光潔度、降低拉拔力、提高材料的延伸係數以及提高拉拔管的加工精度。
文檔編號B06B1/00GK202162223SQ20112023711
公開日2012年3月14日 申請日期2011年7月7日 優先權日2011年7月7日
發明者劉世清, 劉凡, 張志良, 方建文, 王家濤, 蘇超, 陳趙江 申請人:浙江師範大學