本实用新型属于超声振动拉丝振子技术领域，具体涉及一种用于金属微丝拉拔的超声波振子。
背景技术：
高碳钢丝主要是通过适当热处理或冷拔硬化处理，使其具有高的强度和硬度、高的弹性极限和疲劳极限(尤其是缺口疲劳极限)。
直径小于0.1mm的高碳钢微丝一般通过水箱拉丝机生产。但高碳钢微丝的冷塑性变形能力差。且由于丝材直径太细，目前直径小于0.055mm的高碳钢微丝的拉拔速度低于3m/s且断丝频繁，成品率不足百分之五十，直径小于0.045mm的高碳钢微丝成品率更是低于35％。此外，现有拉拔技术生产的高碳钢微丝破断力不足、径向尺寸不稳定、圈径小、表面存在裂纹，限制了高碳钢微丝的工业应用。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种用于金属微丝拉拔的超声波振子，用于超声振动拉丝，也就是在常规拉丝过程中叠加超声波振动能的加工方式。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。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案具体为：
一种用于金属微丝拉拔的超声波振子，包括外壳体，还包括设置在外壳体内部的压电陶瓷和导电铜垫、以及连接在外内体内的拉丝模具；所述压电陶瓷包括顶部压电陶瓷和底部压电陶瓷，所述顶部压电陶瓷和底部压电陶瓷均沿厚度方向极化，且所述顶部压电陶瓷和底部压电陶瓷的极化极性相反；所述导电铜垫设置在顶部压电陶瓷和底部压电陶瓷之间。
进一步地，还包括陶瓷保护垫，所述陶瓷保护垫设置在顶部压电陶瓷和拉丝模具之间。
进一步地，所述陶瓷保护垫顶面与拉丝模具底面接触，所述陶瓷保护垫底面与顶部压电陶瓷顶面接触。
进一步地，所述导电铜垫外侧套箍有耐高压绝缘套，并在导电铜垫一侧设置有螺纹孔，并在所述耐高压绝缘套一侧设置有与所述螺纹孔适配的过孔。
进一步地，所述外壳体一侧设置有电极孔，电极孔穿过耐高压绝缘套并连接到导电铜垫。
进一步地，所述外壳体为中空的沉孔结构，并在沉孔结构端口设置有连接内螺纹，所述压电陶瓷、导电铜垫和陶瓷保护垫依次安装在沉孔结构内。
进一步地，所述拉丝模具端口设置有外螺纹，并通过拉丝模具连接到所述外壳体内预紧设置在外壳体内的各零件。
进一步地，所述压电陶瓷工作在d33谐振模式，并使超声波振子至少拥有三个不同的工作模式，分别包括：
当拉拔力不大于5n时，超声波振子的激励频率等于振子的串联谐振频率，驱动电压有效值不高于100v，超声波振子工作在低压驱动模式；
当拉拔力不小于12n时，超声波振子的激励频率等于振子的并联谐振频率，驱动电压有效值不低于500v，超声波振子工作在功率自举模式；
当拉拔力大于5n且小于12n时，超声波振子的激励频率等于振子的并联谐振频率与串联谐振频率的平均值，超声波振子工作在混合模式。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型相比传统拉丝方法，采用该拉拔超声振子进行拉拔过程中拉丝模具的高频微振动将在拉丝模具模芯处产生微冲流。微冲流可及时将材拉拔过程中产生的杂质排出拉丝模具入口端，可减少由此引起的丝材表面缺陷；
模具沿丝材轴向高频往复振动，对丝材表面进行微抛光，表面缺陷量(裂纹、凹坑、凸点和碎屑等)可减少50％；
超声波在丝材内部传递，在丝材内部形成声应力，进而降低丝材的变形抗力，可提高丝材拉拔后的圈径，减低丝材拉拔后的翘头高度。
采用本实用新型的超声波振子生产高碳钢微丝，成品率可提高15％。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的某些实施例，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是本实用新型提供的用于金属微丝拉拔的超声波振子的剖视图；
图2是本实用新型提供的用于金属微丝拉拔的超声波振子的压电陶瓷片极化方式示意图；
图3是本实用新型提供的用于金属微丝拉拔的超声波振子的振动模态图一；
图4是本实用新型提供的用于金属微丝拉拔的超声波振子的振动模态图二；
图5是本实用新型提供的用于金属微丝拉拔的超声波振子的振动模态图三；
图6是本实用新型提供的用于金属微丝拉拔的超声波振子的导纳图；
图7是本实用新型提供的用于金属微丝拉拔的超声波振子的三维示意图。
附图标记：1-金属外壳、1-1-沉孔面、1-2-内螺纹、1-3-电机孔、2-压电陶瓷、2-1-底部压电陶瓷、2-2-顶部压电陶瓷、3-导电铜垫、3-1-螺纹孔、4-耐高压绝缘套、5-第陶瓷保护垫、6-拉丝模具、6-1-外螺纹。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
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。
在本实用新型的描述中，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，或者是该实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
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。
在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的特征可以相互结合。
如图1-图2所示，一种用于金属微丝拉拔的超声波振子，包括外壳体，还包括设置在外壳体内部的压电陶瓷2和导电铜垫3、以及连接在外内体内的拉丝模具6；压电陶瓷2包括顶部压电陶瓷2-2和底部压电陶瓷2-1，顶部压电陶瓷2-2和底部压电陶瓷2-1均沿厚度方向极化，且顶部压电陶瓷2-2和底部压电陶瓷2-1的极化极性相反；导电铜垫3设置在顶部压电陶瓷2-2和底部压电陶瓷2-1之间。
与现有技术相比较而言，本实用新型采用在厚度方向极化的压电陶瓷2，且顶部压电陶瓷2-2和底部压电陶瓷2-1的极化极性相反，当采用幅值相等的高频(大于20khz)交流电压信号激励，通过逆压电效应产生高频的纵向机械振动，进而实现拉丝模具6的超声振动。模具沿丝材轴向高频往复振动，对丝材表面进行微抛光，表面缺陷量(裂纹、凹坑、凸点和碎屑等)可减少50％；超声波在丝材内部传递，在丝材内部形成声应力，进而降低丝材的变形抗力，可提高丝材拉拔后的圈径，减低丝材拉拔后的翘头高度。
具体的，如图1-图7所示的本实用新型提供的用于金属微丝拉拔的超声波振子，为半波长纵波超声振子，包括金属外壳1、压电陶瓷2、导电铜垫3、耐高压绝缘套4、陶瓷保护垫、拉丝模具6；金属外壳1为沉孔结构，设有沉孔面1-1、内螺纹1-2和电极孔；所述压电陶瓷2数量为片，分为底部压电陶瓷2-1和顶部压电陶瓷2-2；压电陶瓷2片之间插有导电铜垫3；底部压电陶瓷2-1片与沉孔面1-1接触。
导电铜垫3的侧面开设有螺纹孔3-1，外圆周套有耐高压绝缘套4；顶部压电陶瓷2-2片顶面与陶瓷保护垫底面接触；陶瓷保护垫顶面与拉丝模具6底面接触。
拉丝模具6的外螺纹6-1与金属外壳1的内螺纹1-2配合，将超声波振子各零件预紧，使压电陶瓷2片在振动过程中始终处于压缩状态，防止压电陶瓷2片的破裂。导电铜垫3侧面的螺纹孔3-1与金属外壳1侧面的电极孔同轴。
金属外壳1的外径尺寸范围20mm～35mm，高度尺寸范围25mm～35mm，沉孔内径范围16mm～28mm；所述压电陶瓷2片沿厚度方向极化；所述拉丝模具6的外径尺寸范围15mm～25mm，高度尺寸范围8mm～15mm；所述底部压电陶瓷2-1和顶部压电陶瓷2-2的极化极性相反，压电陶瓷2工作在d33谐振模式；
压电陶瓷2工作在d33谐振模式，并使超声波振子至少拥有三个不同的工作模式，分别包括：
当拉拔力不大于5n时，超声波振子的激励频率等于振子的串联谐振频率，驱动电压有效值不高于100v，超声波振子工作在低压驱动模式；
当拉拔力不小于12n时，超声波振子的激励频率等于振子的并联谐振频率，驱动电压有效值不低于500v，超声波振子工作在功率自举模式；
当拉拔力大于5n且小于12n时，超声波振子的激励频率等于振子的并联谐振频率与串联谐振频率的平均值，超声波振子工作在混合模式。
再结合图1至图7对本实用新型进行详细说明，
实施例1：
压电陶瓷2工作在d33谐振模式；当拉拔力不小于12n时，本实用新型提供的用于金属微丝拉拔的超声波振子中的2片压电陶瓷2片采用幅值相等，频率等于振子的并联谐振频率交流电压信号激励，通过厚度方向极化的压电陶瓷2的逆压电效应产生高频的纵向机械振动，进而实现拉丝模具6的超声振动，超声波振子在功率自举模式下工作。在功率自举模式下，超声波振子的输出功率随负载增加而自动增加。
实施例2
本实施案例与实施案例1不同之处在于，当拉拔力不大于5n时，超声波振子的激励频率等于振子的串联谐振频率，超声波振子工作在低压驱动模式，其余与实施例1相同。低压驱动模式下，超声波振子可在有效值仅为几十伏特的高频交流电驱动下实现大振幅的超声振动输出。
实施例3
本实施案例与实施案例1不同之处在于，当拉拔力大于5n且小于12n时，超声波振子的激励频率等于振子的并联谐振频率与串联谐振频率的平均值，超声波振子工作在混合模式，其余与实施例1相同。在混合模式下，超声波振子兼顾串联谐振的低压驱动特性和并联谐振的功率自举特性。
本实用新型提供的用于金属微丝拉拔的超声波振子，解决了现有金属微丝拉拔成品率低、丝材表面质量差、圈径小等问题。该振子为半波长纵波超声振子，压电陶瓷2片沿厚度方向极化，工作在d33模式下；只用拉丝模具6与金属外壳1通过螺纹配合，将所述超声振子各零件预紧，使压电陶瓷2片在振动过程中始终处于压缩状态，防止压电陶瓷2片的破裂。本实用新型提供的用于金属微丝拉拔的超声波振子具有激励方式简单，设备兼容性好等特点，可极大改善现有高碳钢微丝拉拔的成品率。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种用于金属微丝拉拔的超声波振子，包括外壳体，其特征在于：还包括设置在外壳体内部的压电陶瓷(2)和导电铜垫(3)、以及连接在外内体内的拉丝模具(6)；所述压电陶瓷(2)包括顶部压电陶瓷(2-2)和底部压电陶瓷(2-1)，所述顶部压电陶瓷(2-2)和底部压电陶瓷(2-1)均沿厚度方向极化，且所述顶部压电陶瓷(2-2)和底部压电陶瓷(2-1)的极化极性相反；所述导电铜垫(3)设置在顶部压电陶瓷(2-2)和底部压电陶瓷(2-1)之间。
2.根据权利要求1所述的用于金属微丝拉拔的超声波振子，其特征在于：还包括陶瓷保护垫，所述陶瓷保护垫设置在顶部压电陶瓷(2-2)和拉丝模具(6)之间。
3.根据权利要求2所述的用于金属微丝拉拔的超声波振子，其特征在于：所述陶瓷保护垫顶面与拉丝模具(6)底面接触，所述陶瓷保护垫底面与顶部压电陶瓷(2-2)顶面接触。
4.根据权利要求1所述的用于金属微丝拉拔的超声波振子，其特征在于：所述导电铜垫(3)外侧套箍有耐高压绝缘套(4)，并在导电铜垫(3)一侧设置有螺纹孔(3-1)，并在所述耐高压绝缘套(4)一侧设置有与所述螺纹孔(3-1)适配的过孔。
5.根据权利要求1所述的用于金属微丝拉拔的超声波振子，其特征在于：所述外壳体一侧设置有电极孔，电极孔穿过耐高压绝缘套(4)并连接到导电铜垫(3)。
6.根据权利要求5所述的用于金属微丝拉拔的超声波振子，其特征在于：所述外壳体为中空的沉孔结构，并在沉孔结构端口设置有连接内螺纹(1-2)，所述压电陶瓷(2)、导电铜垫(3)和陶瓷保护垫依次安装在沉孔结构内。
7.根据权利要求1所述的用于金属微丝拉拔的超声波振子，其特征在于：所述拉丝模具(6)端口设置有外螺纹(6-1)，并通过拉丝模具(6)连接到所述外壳体内预紧设置在外壳体内的各零件。
8.根据权利要求1所述的用于金属微丝拉拔的超声波振子，其特征在于：所述压电陶瓷(2)工作在d33谐振模式，并使超声波振子至少拥有三个不同的工作模式，分别包括：
当拉拔力不大于5n时，超声波振子的激励频率等于振子的串联谐振频率，驱动电压有效值不高于100v，超声波振子工作在低压驱动模式；
当拉拔力不小于12n时，超声波振子的激励频率等于振子的并联谐振频率，驱动电压有效值不低于500v，超声波振子工作在功率自举模式；
当拉拔力大于5n且小于12n时，超声波振子的激励频率等于振子的并联谐振频率与串联谐振频率的平均值，超声波振子工作在混合模式。
技术总结