ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в технологических процессах, например, в устройствах для ультразвуковой обработки различных материалов. Устройство преобразует энергию электрических колебаний в энергию механических колебаний. Действие преобразователя основано на обратном пьезоэффекте и способствует интенсификации технологических процессов.
Уровень техники
Из описания изобретения к авторскому свидетельству SU 1450885, кл. В06В 1/06, H04R 17/00, опубл. 15.01.89 г [1], известен пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пакет из плоских пьезоэлектрических колец, рабочую и тыльную накладки и скрепляющий их стяжной стержень с резьбой. Интенсивность нагрузки при работе этого преобразователя ограничена вследствие опасности возникновения самоотвинчивания в резьбовом соединении. Кроме того, кольцевые проточки в поверхностях накладок могут привести к возникновению концентрированных напряжений в материале накладок и как следствие этого - к усталостным разрушениям. Ограничения в величине энергии, передаваемой при обработке материала, приведет к низкому КПД пьезоэлектрического преобразователя [1].
Из описания изобретения к патенту RU 2230615, кл. В06В 1/06, H01L 41/09, опубл. 20.06.2004 г [2], известен пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пакет, который состоит из плоских пьезоэлектрических колец и расположенных между ними токоподводящих шайб с клеммами для подключения к ультразвуковому генератору. Преобразователь [2] имеет металлическую накладку (6) цилиндрической формы. Преобразователь [2] имеет также стяжной элемент (волновод 2), пакет из пьезоэлектрических колец и токоподводящих шайб с клеммами для подключения к ультразвуковому генератору. В техническом решении [2] так же как и в техническом решении [1] не предусмотрено средств, предотвращающих самоотвинчивание резьбового соединения в процессе работы преобразователя. Наличие зазоров и полостей между деталями преобразователя сдерживает распространение ультразвуковых колебаний. Кроме того, принцип крепления стяжного элемента (2) к накладкам исключает возможность регулировочного перемещения стяжного элемента (2) относительно полуволнового концентратора (1). Это не позволяет осуществлять стяжку накладок в синфазных сечениях, что в свою очередь отрицательно влияет на динамический режим работы преобразователя. Указанные недостатки снижают КПД пьезоэлектрического преобразователя [2].
Из описания изобретения к патенту RU 2307482, кл. H04R 17/00, опубл. 27.09.2007 г [3], известен пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пакет, который состоит из плоских пьезоэлектрических колец и расположенных между ними токоподводящих шайб с клеммами для подключения к ультразвуковому генератору. По концам пакет имеет металлические накладки цилиндрической формы, причем геометрическая ось пакета совпадает с геометрическими осями накладок. Пакет прикреплен к накладкам посредством стяжного стержня, имеющего по концам винтовую нарезку. Для такого крепления в накладках выполнены ответные концам стяжного стержня отверстия с нарезкой. Мощность, которую способен передавать пьезоэлектрический преобразователь [3], ограничена количеством пьезоэлектрических колец и их механическими характеристиками. При наборе большого количества пьезоэлектрических колец и подведении большой мощности электрических колебаний от генератора неминуемо произойдет разрушение пьезоэлектрических колец. Такое ограничение передаваемой мощности не позволяет повысить коэффициент полезного действия преобразователя.
В процессе разработки предлагаемого технического решения перед авторами стояла задача повышения передаваемой мощности и коэффициента полезного действия пьезоэлектрического преобразователя за счет концентрации энергии ультразвуковых колебаний в центральной части диска.
3 Технический результат полезной модели - повышение передаваемой мощности и коэффициента полезного действия устройства.
Указанный технический результат достигается при использовании пьезоэлектрического преобразователя, содержащего металлический диск, на периферийной части диска расположены пакеты, каждый из которых состоит из плоских пьезоэлектрических колец и расположенных между ними токоподводящих шайб с клеммами для подключения к ультразвуковому генератору, каждый из пакетов снабжен металлической накладкой, имеющей цилиндрическую форму и расположенной на пакете с наружной по отношению к диску стороны, геометрическая ось каждого из пакетов совпадает с геометрической осью соответствующей накладки, находится в плоскости перпендикулярной геометрической оси диска и проходит через его центр тяжести, каждый пакет с накладкой прикреплен к диску посредством стяжного стержня, имеющего на концах винтовую нарезку, один из концов каждого из этих стяжных стержней ввинчен в нарезное отверстие, выполненное в одной из накладок, а другой его конец ввинчен в нарезное отверстие, выполненное в периферийной части диска, причем между нитками резьбы, выполненной в упомянутых нарезных отверстиях накладок и диска, и нитками резьбы, выполненной на стяжных стержнях, находятся слои припоя, а средняя часть каждого из стяжных стержней установлена с зазором в соответствующих отверстиях плоских керамических колец и токоподводящих шайб, составляющих каждый из пакетов, при этом в центральной части диска с одной из его сторон расположено средство для крепления к диску сменного инструмента.
Предусмотрены следующие частные случаи выполнения изобретения.
В центральной части диска со стороны противоположной стороне, на которой расположено средство для крепления к диску сменного инструмента, выполнена металлическая резонансная подвеска, имеющая форму цилиндра.
На резонансной подвеске с наружной стороны выполнен фланец.
Резонансная подвеска выполнена за одно целое с диском.
Существо изобретения поясняется следующими чертежами, на которых представлен наиболее предпочтительный вариант выполнения полезной модели.
Фиг.1. Общий вид пьезоэлектрического преобразователя.
Фиг.2. То же, вид сбоку.
Узлы и детали предлагаемого устройства в тексте описания и на чертежах обозначены следующими номерами:
1. Металлический диск.
2. Пакеты.
3. Пьезоэлектрические кольца.
4. Токоподводящие шайбы.
5. Клеммы для подключения к ультразвуковому генератору.
6. Металлические накладки.
7. Стяжные стержни.
8. Средство для крепления к диску сменного инструмента.
9. Металлическая резонансная подвеска.
10. Фланец металлической резонансной подвески.
Как показано на фиг.1 и 2, в состав пьезоэлектрического преобразователя входит металлический диск 1, на периферийной части которого расположены пакеты 2. Каждый из пакетов 2 состоит из плоских пьезоэлектрических колец 3 и расположенных между этими кольцами токоподводящих шайб 4, соединенных проводами с клеммами 5, которые служат для подключения к ультразвуковому генератору. Каждый из пакетов 2 снабжен металлической накладкой 6, которая имеет цилиндрическую форму и расположена на пакете 2 с наружной по отношению к металлическому диску 1 стороны. Геометрическая ось каждого из пакетов 2 совпадает с геометрической осью соответствующей металлической накладки 6, находится в плоскости перпендикулярной геометрической оси металлического диска 1 5 и проходит через его центр тяжести. Каждый пакет 2 с металлической накладкой 6 прикреплен к металлическому диску 1 посредством стяжного стержня 7, который имеет на концах винтовую нарезку. В периферийной части металлического диска 1, а также в каждой металлической накладке 6 имеются отверстия с нарезкой, соответствующей нарезке на концах стяжных стержней 7. Один из концов каждого из стяжных стержней 7 ввинчен в нарезное отверстие, выполненное в одной из металлических накладок 6, а другой его конец ввинчен в нарезное отверстие, выполненное в периферийной части диска 1. Между нитками резьбы, выполненной в упомянутых нарезных отверстиях в металлических накладках бив диске 1, и нитками резьбы, выполненной на стяжных стержнях 7, находятся слои припоя. Средняя часть каждого из стяжных стержней 7 установлена с зазором в соответствующих отверстиях плоских пьезоэлектрических колец 3 и токоподводящих шайб 4, составляющих каждый из пакетов 2. В центральной части металлического диска 1 с одной из его сторон расположено средство 8 для крепления к диску сменного инструмента. Средство 8 для крепления сменного инструмента может быть выполнено, например, в виде зажимного приспособления. В центральной части металлического диска 1 со стороны противоположной стороне, на которой расположено средство 8 для крепления к диску сменного инструмента, выполнена металлическая резонансная подвеска 9, которая имеет форму цилиндра. С наружной стороны металлической резонансной подвески 9 выполнен фланец 10, причем резонансная подвеска 9 выполнена за одно целое с диском 1.
Предлагаемый пьезоэлектрический преобразователь используется следующим образом.
Клеммы 5 подключают к ультразвуковому генератору. С помощью средства 8 для крепления к диску 1 сменного инструмента закрепляют на металлическом диске 1 сменный инструмент. Преобразователь готов к работе.
В процессе работы токоподводящие шайбы 2 передают от ультразвукового генератора на пьезокерамические кольца 3 электрические колебания ультразвуковой частоты. Вследствие обратного пьезоэффекта электрические колебания в пьезокерамических кольцах 3 преобразуются в механические колебания той же ультразвуковой частоты. Последние передаются на металлический диск 1, изменяя с ультразвуковой частотой его геометрические размеры.
Таким образом колебания ультразвуковой частоты передаются сменному инструменту для осуществления воздействия на обрабатываемый материал.
Изготовленные опытно-промышленные образцы предлагаемого пьезоэлектрического преобразователя при испытаниях показали повышение мощности в четыре раза при увеличении КПД в 1,7-2 раза по сравнению с известными аналогами.