一种用于钛及钛合金丝拉拔的超声波振子

技术领域

一种用于钛及钛合金丝拉拔的超声波振子，用于钛及钛合金丝拉拔，属于超声波振子技术领域。

背景技术

由于钛合金屈强比高达0.95，变形抗力大，目前直径2mm～10mm的钛及钛合金丝一般热拉拔生产，没有用传统超声工艺。然而由于钛合金导热性差，热拉拔回弹严重，导致的钛合金丝的拉拔速度低于0.5m/s，拉拔过程断丝频繁、效率低，拉拔后丝材的表面质量差且尺寸精度低。为获得高性能丝材，钛合金丝在热拉拔后需要进行多次尺寸校准和表面抛光的问题。

为了解决上述技术问题，现有技术通过超声波振子对金属丝拉拔，对金属丝超声振动拉拔超声振动拉丝就是在常规拉丝过程中叠加超声波振动能的加工工艺，通过压电陶瓷片将由超声波驱动器产生的交变电信号转换成超声波振动能，将超声波振动能传递到拉丝模具上，从而激励拉丝模具和金属丝的振动，进而获得超声波振动能对金属材料塑性成形的作用。

超声波振动子是一种器件，又称超声波振子，将换能器与变幅杆连接后的整体叫做振动子。

换能器由压电陶瓷的压电效应实现电能与机械能(声波振动)的相互转换，并通过声阻抗匹配的前后辐射盖块进行放大的器件。

由于变幅杆是一个无源器件，它本身不产生振动，只是将输入的振动改变振幅后再传递出去，完成了阻抗变换。

超声波换能器在电场激励下能产生有规律的振动，但是振幅一般在10μm左右，这样的振幅要直接完成焊接和加工工序是不够的。

因此换能器连接合理设计的变幅杆后，超声波的振幅可以在很大的范围内变化，只要材料强度足够，振幅可以超过100μm。

变幅杆在做纵向伸缩振动时，其中间的某横截面左右两边的质点运动方向刚好相反，相当于存在一个相对静止的节面。这个节面叫做节点，这里也是振动子的最佳固定点，偏离这个节点固定就会降低振动子的工作效率，俗称漏波。

由于现有技术采用超声对金属丝进行拉拔的技术都十分少见，检索到一相关技术“CN106452162A-一种贴片式固支梁型正交复合超声波拉丝振子”，此技术中的超声波拉丝振子采用贴片式结构，但存在如下不足之处：

一、安装制造复杂，陶瓷片是硬脆材料，在小厚度时极易碎，工业场景应用较困难；

二、振子输出超声波能量小，强度刚度弱，激励复杂；

三、无法用于直径0.2mm以上丝材的加工。

而且现有技术采用超声波振子对金属丝进行拉拔都存在众多问题，对于屈强比高达0.95、变形抗力大、且直径为2mm～10mm的钛及钛合金丝就更加不适用。

综上所述，现有技术中的热拉拔对钛及钛合金丝进行拉拔时，存在拉拔加工速度慢，拉拔加工精度低等问题；以及现有技术中的超声波振子不适用于对钛及钛合金进行拉拔的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于钛及钛合金丝拉拔的超声波振子，解决现有技术采用热拉拔对钛及钛合金丝进行拉拔时，其拉拔加工速度慢，拉拔加工精度低等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于钛及钛合金丝拉拔的超声波振子,包括变幅杆，设置在变幅杆上的换能器和拉丝模具，所述换能器包括前端盖、后端盖、设置在前端盖和后端盖之间的偶数个压电陶瓷，以及压电陶瓷之间、压电陶瓷分别与前端盖和后端盖之间设置的电极片，前端盖与变幅杆相连接；

所述变幅杆中心开设有通丝孔，在通丝孔一端的变幅杆上设置拉丝模具，另一端上设置换能器。

进一步，所述变幅杆上至少设置有两个换能器。

进一步，所述变幅杆为圆锥杆、指数杆或阶梯杆。

进一步，所述变幅杆中部设有用于固定超声波振子的法兰。

进一步，所述前端盖、偶数个压电陶瓷和后端盖通过预紧螺钉相固定；所述换能器和变幅杆通过双头螺柱相连接；所述拉丝模具与变幅杆螺纹相连接。

进一步，所述电极片厚度为0.3mm以上，材料为不易发热的导电性材质。

进一步，所述后端盖材料为高强度导热铜合金；

所述前端盖在负载变动较大时，采用圆锥杆；负载稳定、功率要求高时，应采用阶梯杆；

所述压电陶瓷数量为根据功率进行确定，采用幅值相等的高频交流电压信号激励、且沿厚度方向极化；相邻两片压电陶瓷的极化极性相反，压电陶瓷工作在D33模式。

进一步，超声波振子的激励频率等于超声波振子的最大阻抗频率，驱动电压有效值不低于1000V，超声振子工作在功率自举模式。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

一、本发明中的超声波振子为全新的结构，采用改进后的超声波振子对钛及钛合金丝进行超声波拉拔加工，即拉丝模具沿钛及钛合金丝轴向高频往复振动实现超声波拉拔；与传统加工工艺相比，钛及钛合金丝的拉拔性能得到了极大的改善。包括如下几点改善：

表面缺陷量(裂纹、凹坑、凸点和碎屑等)可减少50％；

超声波在钛及钛合金丝内部传递，在钛及钛合金丝内部形成声应力，进而降低丝材的变形抗力，可使钛及钛合金冷拉拔成型，能耗减少60％；

冷拉拔获得的丝材的尺寸精度高，仅需1～2次尺寸校准即可获得高精度高质量丝材；

钛及钛合金丝断丝率下降，生产成品率可提高15％以上。

加工效率提高，拉拔速度明显提升，且可达1m/s；

二、本发明中的电极片为0.3mm以上，是为了防止过薄，容易影响导线的焊接与固定，即电极片刚度不够，无法有效的焊接固定导线；

三、本发明的超声波振子的超声波激发方式产生了变化，采用两个以上的半波长换能器，采用了聚能式变幅杆，固定方式简单，超声换能器的功率更大，可达2000w，变幅杆强度刚度更大，振幅更大；

四、本发明采用夹心式换能器，结构稳定，寿命长，作用到拉丝过程中的超声能量更高，并且采用单一纵波振动，激发简单；五、本发明可用于直径0.2mm以上钛及钛合金丝的加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应该看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的剖视图；

图2是本发明的三维示意图；

图3是本发明中换能器的三维示意图；

图4是本发明中压电陶瓷片极化方式示意图；

图5是本发明中的振动模态图；

图6是本发明的阻抗曲线图。

图中：1-换能器、1-1-后端盖、1-2-预紧螺钉、1-3-压电陶瓷、1-4-前端盖、2-变幅杆、2-1-法兰、2-2-通丝孔、3-拉丝模具、4-双头螺柱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

如图1、2、5所示，一种用于钛及钛合金丝拉拔的超声波振子,包括变幅杆2，设置在变幅杆2上的换能器1和拉丝模具3。

其中，如图3所示，所述换能器1包括前端盖1-4、后端盖1-1、设置在前端盖1-4和后端盖1-1之间的偶数个压电陶瓷1-3，以及压电陶瓷1-3之间、压电陶瓷1-3分别与前端盖1-4和后端盖1-1之间设置的电极片，前端盖1-4与变幅杆2相连接；

前端盖1-4与变幅杆2通过双头螺柱4相连接，当然，不排除还可采用其它结构进行固定；前端盖1-4、偶数个压电陶瓷1-3和后端盖1-1通过预紧螺钉1-2相固定，预紧螺钉1-2固定前端盖1-4、偶数个压电陶瓷1-3和后端盖1-1的同时，将压电陶瓷1-3之间、压电陶瓷1-3分别与前端盖1-4和后端盖1-1之间设置的电极片也进行了固定，当然，不排除还可采用其它结构进行固定。

所述电极片厚度为0.3mm以上，如0.4mm、0.5mm、0.6mm等，材料为不易发热的导电性材质，如紫铜等；所述后端盖1-1材料为高强度导热铜合金，如铍铜C17200等；所述前端盖1-4在负载变动较大时，采用圆锥杆；负载稳定、功率要求高时，应采用阶梯杆。

所述压电陶瓷1-3数量根据功率进行确定，需为偶数，本案所述的极化方式下奇数片时，无法工作，如为2片、4片或6片，片数越多输出功率越大，不均匀性也越大，所以最佳取值为4片，采用幅值相等的高频交流电压信号激励、且沿厚度方向极化，如图4所示；相邻两片压电陶瓷的极化极性相反，压电陶瓷1-3工作在D33模式。压电陶瓷1-3采用幅值相等的高频(大于20KHz)交流电压信号激励，通过厚度方向极化的压电陶瓷1-3的逆压电效应产生高频的轴向机械振动，进而实现拉丝模具3的超声振动。

所述变幅杆2中心开设有通丝孔2-2，在通丝孔2-2一端的变幅杆2上设置拉丝模具3，另一端上设置换能器1，所述拉丝模具3与变幅杆2螺纹相连接。所述变幅杆2上至少设置有两个换能器1，如可为三个、四个等。所述变幅杆2为圆锥杆、指数杆或阶梯杆，当然，不排除还可为其它结构的情况。

所述变幅杆2中部设有用于固定超声波振子的法兰2-1。设置法兰以及设置法兰的目的，是为了不影响超声波振动的工作，防止不安装法兰或/和安装点选择不合理超声波振子无法工作，当然不排除可用其它固定结构来替代法兰。

如图6所示，综上所得到的超声波振子的激励频率等于超声波振子的最大阻抗频率，驱动电压有效值不低于1000V，超声振子工作在功率自举模式。

实施例

在钛及钛合金丝拉拔过程中，将该钛及钛合金丝拉拔的超声波振子通过夹具与法兰相配合安装在基台上，安装好后，钛及钛合金丝穿过拉丝模具和通丝孔，穿过后，启动超声波振子，钛及钛合金丝经过超声波振子加工，超声波拉拔加工，最终得到高质量的拉丝。