[实用新型]施加预应力提高抗疲劳强度的非金属材质超声波工具头

说明书

本实用新型涉及超声波设备制造技术，旨在提供一种施加预应力提高抗疲劳强度的非金属材质超声波工具头。该工具头包括连接端、工具头主体和辐射端，其中连接端用于连接变幅杆或换能器，辐射端用于对外传递超声波振动能量；所述工具头主体是非金属材质且具有中空腔体，在中空腔体内装有用于拉紧压缩工具头主体的预应力螺杆，预应力螺杆的长度方向与工具头的振动输出方向保持一致。本实用新型可以极大提高非金属材质工具头的疲劳振动极限，使工具头可以输出更大的振幅，更稳定的进行输出。工具头可以使用多种材质，例如其连接端、工具头主体、辐射端、和预应力螺杆均可以采用包括金属、硬脆材料、碳纤维等材质制成，因而具有更广泛的应用场景。

技术领域

本产品涉及超声波设备制造技术，尤其涉及一种施加预应力提高抗疲劳强度的非金属材质超声波工具头。

背景技术

超声波工具头是超声波设备的重要组成部件，其作用是将超声波的振动能量传递到作用对象中去。目前应用最广泛的是采用纵向振动作为振动方式的超声波设备(以下称为“超声波设备”)。一般来说，这样的超声波设备是类似于长棒型的结构，其中超声波振动核心部件主要由换能器、变幅杆、工具头等组成。根据超声波设备的设计特点，工具头负责向作用对象或介质中发射超声波，因此，工具头往往也是整套超声波设备中振幅最大的部件，其所承受的振动应力集中，极容易造成疲劳断裂。

以纵向振动频率为20kHz的工具头来说，在其应力最大处，一般需要承受几十到上百兆帕的纵向交变应力，且这样的应力一秒钟变化20000次。在这样高应力和高频率的极限条件下，就极易导致超声波工具头疲劳断裂。所以在大功率超声波的应用领域，通常选择金属材料为超声波工具头的主要材料。常用的如合金钢、铝合金、不锈钢、钛合金等。由于金属具有较好的抗拉强度和弹性性，在超声波纵向振动过程中，不易造成断裂，可以承受较大的超声波振幅，从而发射较大的超声波功率。

但在腐蚀性的环境下或者是不允许有金属材料的环境下，就不得不采用非金属材料制作超声波工具头。众所周知，绝大部分非金属材料(特别是高强度的陶瓷材料)的抗拉强度是很低的，非金属材料的高强度只是指单方向的抗压强度而非抗拉强度。这样的超声波工具头只能够以较小的超声波振幅振动，发射较小的超声波功率。如果要提高振幅(功率)，工具头将会因为超过非金属材料的疲劳极限和抗拉极限而断裂。

于是，就存在这样的应用场景需求和设备材质之间的无法匹配的情况：如果满足了超声波发射功率的要求，就不能够满足现场环境对非金属工具头的应用要求；如果采用了非金属工具头，就不能够满足超声波发射功率的要求。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种施加预应力提高抗疲劳强度的非金属材质超声波工具头。

为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种施加预应力提高抗疲劳强度的非金属材质超声波工具头，包括连接端、工具头主体和辐射端，其中连接端用于连接变幅杆或换能器，辐射端用于对外传递超声波振动能量；所述工具头主体是非金属材质且具有中空腔体，在中空腔体内装有用于拉紧压缩工具头主体的预应力螺杆，预应力螺杆的长度方向与工具头的振动输出方向保持一致。

本实用新型中，所述预应力螺杆的两端设有螺纹，且具有以下任意一种连接方式：

(1)所述连接端和辐射端均为独立部件，分别装于工具头主体两端，各设有螺孔；工具头主体中空腔体的两端均贯通，预应力螺杆穿过中空腔体并分别螺接至连接端和辐射端；连接端还具有另一个反向的螺孔，用于安装螺栓以连接变幅杆或换能器；

(2)所述连接端是独立部件，其两个相对侧面上各设有一个螺孔，其中一个螺孔用于安装螺栓以连接变幅杆或换能器；工具头主体中空腔体的一端是贯通的，并以封闭端部作为辐射端，在辐射端的内壁设有螺纹以形成类螺孔结构；预应力螺杆的一端螺接至连接端，另一端螺接至辐射端；