面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法

摘要

本发明提供了一种面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法。本发明不仅考虑了毛刺对超声波振动系统振幅的影响，而且利用谐振电路中电路复阻抗虚部为0的特点，计算并优化了超声振子的谐振频率，确保振子的谐振频率在设计频段范围内。

权利要求

1.一种面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法，包括如下步骤：首先，将软磁铁氧体磁芯表面毛刺简化为悬臂梁模型，得到的悬臂梁的力电类比，由力电类比的知识以及弹性力学对悬臂梁的分析可知悬臂梁的力电类比的阻抗值；

其次，采用力电类比的方法将超声振子简化成电路；

最后，将超声波振子和软磁铁氧体磁芯表面毛刺二者的力电类比电路串联得到整个超声波振动系统的力电类比电路；

根据悬臂梁失效条件，计算出超声波振动系统末端所需要的振幅，将末端需要的振动幅度除以换能器所能提供的振幅得到超声波振动系统的放大倍数；

对超声波振动系统的力电类比电路的复阻抗进行计算；首先利用超声波位移节点位置的振速为0的特点结合超声波变幅杆和换能器的界面，将超声波振子分成4段，再次利用各部分的复阻抗的虚部为0的电路谐振条件和变幅杆的放大倍数，结合所选用的变幅杆和换能器形状得到超声波换能器和超声波变幅杆的尺寸要求，最终得到超声波符合超声波振动系统频率要求的超声波换能器和超声波变幅杆，两者通过螺纹连接在一起，得到超声波振子。

2.如权利要求1所述的面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法，其特征在于：所述变幅杆类型为阶梯形变幅杆或指数形变幅杆。

3.如权利要求1所述的面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法，其特征在于：所述超声波换能器采用郎之万结构。

说明书

面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种超声波振子的设计方法，尤其是一种应用于针对软磁铁氧体超声波去毛毛刺的超声波振子设计方法。

背景技术

[0002] 目前，我国软磁铁氧体磁芯的产量已经跃居世界第一，但是产品质量亟待提高。磁芯表面的毛刺会影响软磁铁氧体磁芯的高频磁导率，同时也会对磁芯的装配性能产生影响。现阶段，控制磁芯表面毛刺的方法主要有：喷涂有机涂料、手工打磨、车削法等。但是这些方法都存在不同程度的局限性，首先，喷涂法本质上未去除磁芯表面的毛刺，只是将其隐藏到涂料之下；其次，手工打磨法虽然能够去除各种形状磁芯的毛刺，但是加工速度过慢而且质量难以稳定；最后，车削法虽然能够快速的去除软磁铁氧体磁芯表面的毛刺，但是只能用于圆柱形的磁芯，对磁芯形状的适应性不好。因此有必要使用新方法来去除软磁铁氧体磁芯表面的毛刺。

[0003] 超声波加工已经被广泛应用于精密加工中，其核心部件是超声波振子(超声波换能器和超声波变幅杆)。首先，超声波换能器将超声波电源产生的电激励信号转化为超声波机械振动，然后通过超声波变幅杆将超声波振动放大到一定的幅度，满足具体加工的需要。超声波的振幅过大时可能会导致磁芯发生断裂，过小则难以去除毛刺。目前超声波振子的设计方比较完善，但是针对软磁铁氧体去毛刺加工过程的超声波振子设计缺乏必要的设计方法。

发明内容

[0004] 针对软磁铁氧体超声波去毛刺中无超声波变振子的方法的问题，本发明提供了一种面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法，包括如下步骤：

[0005] 首先，将软磁铁氧体磁芯表面毛刺简化为悬臂梁模型，并采用力电类比的方法得到悬臂梁在电路中的阻抗；

[0006] 其次，采用力电类比的方法将超声振子简化成电路；

[0007] 最后，将超声波振子和软磁铁氧体磁芯表面毛刺二者的力电类比电路串联得到整个超声波振动系统的力电类比电路；

[0008] 根据悬臂梁失效条件，计算出超声波振动系统末端所需要的振幅，将末端需要的振动幅度除以换能器所能提供的振幅得到超声波振动系统的放大倍数；

[0009] 对超声波振动系统的力电类比电路的复阻抗进行计算；首先利用超声波位移节点位置的振速为0的特点结合超声波变幅杆和换能器的界面，将超声波振子分成4段，再次利用各部分的复阻抗的虚部为0的电路谐振条件和变幅杆的放大倍数，结合所选用的变幅杆和换能器形状得到超声波换能器和超声波变幅杆的尺寸要求，最终得到超声波符合超声波振动系统频率要求的超声波换能器和超声波变幅杆，两者通过螺纹连接在一起，得到超声波振子。

[0010] 进一步的，所述变幅杆类型为阶梯形变幅杆或指数形变幅杆。

[0011] 进一步的，所述超声波换能器采用郎之万结构。

[0012] 本发明不仅考虑了毛刺对超声波振动系统振幅的影响，而且利用谐振电路中电路复阻抗虚部为0的特点，计算并优化了超声振子的谐振频率，确保振子的谐振频率在设计频段范围内。

附图说明

[0013] 图1 是超声波振子结构示意图；

[0014] 图2 是变截面杆的力电类比模型；

[0015] 图3 是压电陶瓷晶堆的力电类比模型；

[0016] 图4是圆柱形辐射端连接阶梯形变幅杆结构示意图；

[0017] 图5是超声波振子的力电类比模型；

[0018] 图6是楔形辐射端连接指数形变幅杆的示意图。

[0019] 图中各附图标记含义：1-换能器，2-阶梯形变幅杆，3-换能器，4-指数形变幅杆，1a-超声波换能器，1b-超声波变幅杆，2.1-z2.1，2.2-z2.2，2.3-z2.3，3.1-z3.1， 3.2-z3.2，3.3-z3.3，4a-超声波换能器的后板盖力电类比模型，4b-超声波换能器的压电陶瓷晶堆力电类比模型，4c-超声波换能器的前板盖力电类比模型，4d-超声波变幅杆低振幅段的力电类比模型，4e-超声波变幅杆过渡段的力电类比模型，4f-超声波变幅杆高振幅段的力电类比模型，4g-软磁铁氧体磁芯毛刺的力电类比模型；4.1-Zf1，4.2-Za1，4.3-Zb1，4.4-Z1p，4.5-Z1p，t t e e
4.6-Za2，4.7-Zb2，4.8-ZT1，4.9-ZT2，4.10-ZT1，4.11-Z T2，4.12-ZT1，4.13-ZT2,4.14-Zf2，e t
4.15-ZT3，4.16-ZT3，4.17-ZT3，4.18-Zc2,4.19-Z2p，4.20- T1，4.21- Zc1。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0021] 本发明的面向软磁铁氧体磁芯去毛刺的超声波振动系统的设计方法，首先，将软磁铁氧体磁芯表面毛刺简化为悬臂梁模型，并采用力电类比的方法得到悬臂梁在电路中的阻抗；其次，采用力电类比的方法将超声振子简化成电路；最后，将超声波振子和软磁铁氧体磁芯表面毛刺二者的力电类比电路串联得到整个超声波振动系统的力电类比电路；

[0022] 根据悬臂梁失效条件，计算出超声波振动系统末端所需要的振幅，将末端需要的振动幅度除以换能器所能提供的振幅得到超声波振动系统的放大倍数；

[0023] 对超声波振动系统的力电类比电路的复阻抗进行计算；利用复阻抗的虚部为0的电路谐振条件和变幅杆的放大倍数，结合所选用的变幅杆类型得到超声波换能器和超声波变幅杆的尺寸要求，最终得到超声波符合超声波振动系统频率要求的超声波换能器和超声波变幅杆，两者通过螺纹连接在一起，得到超声波振子。

[0024] 实施例1

[0025] 如图1所示，超声波去毛刺机的超声波振子，采用PZT-4转换电能和机械能，压电超声波换能器采用的是郎之万结构。由力电类比只是可知：变截面杆的力电类比电路可有一个“T”形电路表示，如图2所示：

[0026] 图中

[0027]

[0028]

[0029] 公式中， 为变截面杆的密度，是超声波在变截面杆中的波速， 是变截面杆的截面积函数，是变截面杆的圆波数，l是变截面杆的长度，S1、S2分别是变截面杆两端的面积 ，j 是虚数单位。

[0030] 对于压电陶瓷晶堆而言，其力电类比模型也可以由图3所示的电路表示，其中：

[0031]

[0032]

[0033] 其中前后板盖都采用圆柱形，半径与压电陶瓷片的半径保持一致长度分别为l1，l2；压电陶瓷片的半径r小于超声波波长的1/4，厚度为l，数目为p。建立如图5所示的力电类比模型，图中：

[0034]

[0035]

[0036]

[0037]

[0038]

[0039] 其中： ——压电陶瓷的密度

[0040] ——压电陶瓷中超声波的等效波速

[0041] ——压电陶瓷的圆波数

[0042] ——压电陶瓷的密度

[0043] ——后板盖的密度

[0044] ——超声波在后板盖中的传播速度

[0045] ——超声波在后板盖中的圆波数

[0046] ——后板盖的长度

[0047] ——前板盖的密度

[0048] ——超声波在前板盖中的传播速度

[0049] ——超声波在前板盖中的圆波数

[0050] ——前板盖的长度。

[0051] 如图4所示的超声波去毛刺机的超声波振子，采用阶梯形变幅杆来放大超声波的振幅，其中超声波变幅杆的等效电路如图5所示，其中：

[0052]

[0053]

[0054]

[0055]

[0056]

[0057]

[0058] ——变幅杆的密度；

[0059] ——超声波在变幅杆中的传播速度；

[0060] ——超声波在变幅杆中的圆波数；

[0061] ——变幅杆的长度的1/2；

[0062] ——变幅杆低振幅端的半径；

[0063] ——变幅杆高振幅端的半径；

[0064] 由于阶梯形变幅杆没有过渡段，因此在设计时将ZtT1和ZtT2设为0，并将ZtT3设为无穷大。

[0065] 把毛刺简化成悬臂梁模型，得到的悬臂梁的力电类，由力电类比的知识以及弹性力学对悬臂梁的分析可知悬臂梁的力电类比的阻抗值为： 。

[0066] 最后将三部分电路连接，得到如图2所示的力电类比电路图，根据电路中复阻抗虚部为0的谐振条件毛刺的断裂条件，得到超声波换能器和超声波变幅杆形状参数，前板盖为了提高振速比采用镁钛合金，后板盖采用45#钢制作，压电陶瓷片采用四片6mm厚度的PZT-4材料。最终设计出超声波振子的尺寸如下：后板盖压 31mm，前板盖 62mm，阶梯形变幅杆的低振幅端和高振幅段的长度 为65mm，低振幅端的半径 为：19mm，高振幅端的半径 为：13.5mm。

[0067] 实施例2：

[0068] 在实施例1的基础上，将超声波换能器的辐射头（前板盖）改为圆台形如图6所示， 该超声波变幅杆为复合指数形状变幅杆如图6所示，其中变截面部分的半径变化函数为： ，同样建立超声波振动系统的力电类比模型，其模型与实施例1中的模型类似仅前板盖部分的计算公式有所变化，分别为：

[0069] 圆台的力电类比阻值：

[0070]

[0071]

[0072] 指数形力电类比的阻值：

[0073]

[0074]

[0075]

[0076]

[0077]

[0078]

[0079]

[0080] 根据电路中复阻抗的虚部为0的特点和毛刺的断裂条件得到超声波变幅杆和超声波换能器的尺寸要求，最后校验超声波是否在指数超声波变幅杆的频率下限之下。不在频率下限之下则超声波系统通过螺纹连接将超声波换能器和超声波变幅杆连接，如果在频率下限之下则表明指数形变幅杆不可用，则需要重新选取超声波变幅杆，改用悬链线形、楔形、贝塞尔形或者高斯形等其他形状的变幅杆，相关的设计方法已经在超声波变幅杆的原理与设计一书中做了详细的介绍。

[0081] 最终得到的超声波振子的换能器发射端的长度为：直径为：38mm，超声波变幅杆的长度为139mm；直径为：19mm。