端头(可更换式)

目录

  • 插图
    • 图 1a. 带可更换端头的液体处理变幅杆
    • 图 1b. 可更换端头
    • 图 2. Branson Ultrasonics 金属焊接变幅杆
    • 图 3. 带可更换端头的全波长金属焊接变幅杆
    • 图 5. Sonobond 金属焊接用锥形可更换端头
  • 表格
    • 表 1. 标准 20 kHz 平端面端头


引言

可更换端头安装在谐振器输出端附近。在下列情况下它可能很有用 ——

  • 原型试制。在塑料点焊或铆接中,变幅杆端面的最佳轮廓可能尚未确定。此时可以尝试不同轮廓的原型端头,而无需加工整个定制变幅杆。
  • 磨损。变幅杆端面会因磨蚀、空化冲蚀或冲击而磨损或变形。这种磨损会导致频率、振幅和应用方面的问题(见下文)。发生此类磨损后,更换整体式实心变幅杆的成本很高。此时可以使用消耗性端头(见图 1)。但是,如果可靠性是首要考虑(例如大批量应用,尤其是需要避免停机的场合),那么定制实心变幅杆可能更为理想。这时可以在变幅杆输出表面镀铬、镀碳化物或镀氮化钛,以提高耐磨性。(Dukane[1],第 6 页)不过,这些镀层对空化冲蚀可能并不奏效。

根据连接方式,端头可分为三类 ——

  • 螺纹连接
  • 夹紧连接
  • 过盈配合

螺纹连接

螺纹端头通过其一体式螺纹螺柱固定在谐振器上。图 1是一个示例。

带可更换端头的超声液体处理变幅杆
图 1a. 带可更换端头的液体处理变幅杆
超声液体处理变幅杆的可更换端头
图 1b. 可更换端头

局限性

材料

Dukane[2],第 63 页 —— "需要特别注意的是,可更换端头和螺纹变幅杆都必须用钛制成。不应使用任何其他材料。"否则,由于"材料密度不同"(当变幅杆材料指定为钛时),可能会导致"发热"。(第 105 页)

这一限制的原因尚不清楚,因为变幅杆和端头似乎完全可以用钢制造。另外,混用不同材料(例如钛变幅杆配钢端头)的影响也不明确,但另一份报告(来源不详)也有类似说法:"端头和工具不应使用同一种合金,否则容易发生咬粘。"需要指出的是,钢端头经常与钛金属焊接变幅杆配合使用,不过此时端头是用螺母固定,而不是直接拧入变幅杆(图 2)。(参见金属焊接端头。)

电偶腐蚀

对于液体处理应用,端头通常用钛制造,因为钛相对惰性,且对空化冲蚀具有较好的抵抗力。不锈钢端头也具有类似的优点,在某些情况下可能更为可取。当不锈钢端头与钛变幅杆配合使用时,可能需要关注电偶腐蚀问题。

Serhan[1A]研究了外科植入物中钛-钛接头和钛-不锈钢接头的电偶腐蚀。钛材为 Ti-6Al-4V;不锈钢为 316 L。这些材料在生理盐水中以 5 Hz 的频率经受五百万次微动循环。他得出结论:"本研究的结果表明,在钛合金-不锈钢混合脊柱植入物结构中,电偶腐蚀不起显著作用。"(第 386 页)Hoi[1A]对工业纯(cp)钛与 316 L 不锈钢之间的相互作用也得出了类似的结论。

空化冲蚀

如果空化冲蚀是个问题,请参阅此处

重量与振幅

端头在重量和振幅上存在限制,以约束作用在端头螺纹、变幅杆螺纹以及端头-变幅杆接头上的惯性力。在 20 kHz 下,端头最大直径通常限制在约 Ø25 mm。最小的端头允许最高的振幅。

表 1. 标准 20 kHz 平端面端头
端头直径 (mm) 螺纹 质量 (g) 力矩 (Nm) 振幅
(微米_峰值)
来源
  1/4-20   10.2   Branson
12.7 1/4-28   27.1   Dukane
1/4-28 3.5 ±0.2 12.4   Branson
      60 Qsonica
  5/16-24   33.9   Dukane
15.8 5/16-24 5.0 ±0.3     Branson
19.0 3/8-24   38.0   Dukane
3/8-24 8.5 ±0.5 20.3   Branson
      30 Qsonica
22.2 7/16-20 12.5 ±0.6     Branson
25.4 1/2-20   40.7   Dukane
1/2-20 18.0 ±0.7     Branson
      15 Qsonica
全部 ——— ——— 34 - 47   Sonics & Materials

表格注释 ——

  1. 质量数据针对平端面端头,且包含螺纹柄部。不过,其他端头(例如铆接端头、点焊端头)可能也应符合这些数据。
  2. 参考文献 ——
    1. Branson ——
      1. 质量 —— Branson[7](第 24 页)
      2. 力矩 —— Branson[3](第 2 页)
    2. Dukane[1],第 11 页
    3. Qsonica[1](第 1 页) —— Qsonica 给出的振幅是针对 20 kHz 液体处理的。这些振幅可能由系统的机械设计(变幅杆的输入振幅和变幅杆的增益)决定,而不是由性能要求(端头发热、端头或变幅杆疲劳、界面咬粘等)决定。
    4. Sonics & Materials[2](第 13 页)

施加载荷

除惯性力外,某些端头还会承受来自应用本身的载荷。例如,金属焊接会对端头施加很高的剪切力(图 2)。

与有机溶剂或低表面张力液体配合使用

对于图 1 所示类型的端头,业界似乎有一个共识:如果端头将浸没在有机溶剂或低表面张力液体中,就不应使用可更换端头。例如,Sonics & Materials[3](第 2 页)指出:"有机溶剂(如二氯甲烷)或低表面张力液体会渗入探头与可更换端头之间的界面,从而将颗粒带入螺纹部分,并使端头与探头隔离。处理含有有机溶剂或低表面张力液体的样品时,务必使用整体式探头。切勿使用带可更换端头的探头。"

Berliner Ultrasonics认为,某些溶剂的问题在于它们容易渗入端头-变幅杆界面之下,从而导致空化冲蚀或被流体中的颗粒磨损。据推测,这种渗吸之所以发生,是因为在变幅杆行程的收缩阶段,端头上的惯性力会使端头-变幅杆界面的边缘张开一个小缝隙(即端头发生"拍动"),从而使流体和颗粒得以进入。据称,大直径端头的这一问题更为严重。

解决方案

  1. 用整体式半波长或全波长延长变幅杆替换端头。
  2. 在变幅杆端面(螺纹孔旁)或端头后界面(螺柱旁)加工一个浅台阶,使端头与变幅杆仅在界面边缘的一个小环形区域接触。这样做有两个好处 ——
    1. 由于界面接触面积减小,相同的拧紧力矩会增大界面接触压力。
    2. 由于仅在界面边缘接触,拍动现象基本得以消除。
  3. 在变幅杆-端头接头处使用 O 形圈Culp[0]曾在熔融焊料中对端头进行空化冲蚀试验时成功使用过这种方法。

可更换端头的翻新

发生显著磨损后,可更换端头有时可以通过对磨损表面进行再加工来翻新。应考虑以下几点。

  1. 频率。去除被冲蚀的材料后,超声叠堆的频率会升高。超声电源(发生器)通常有一个能够正常工作的频带,具体取决于电源的设计。不过,这个频带通常至少为标称工作频率的 \( \pm \)1%(例如 20 kHz 时为 \( \pm \)200 Hz)或更宽。设备制造商可以提供确切的规格,尽管设备在规定频带之外也可能正常工作。端头可以反复翻新,直到频率超出这一频带为止;此时由于电源内部保护电路的作用,电源将无法再启动。
  2. 振幅。随着频率升高,输出振幅可能发生变化。如果振幅很关键,应在端头全新时进行测量以建立基准。之后安装翻新端头时,应通过电源调节振幅,使其恢复到基准振幅。这些测量可以在空气中进行。
  3. 发热。新端头应能在空气中运行一段时间(至少 30 秒)而不出现明显发热。如果翻新后的端头出现明显发热,说明去除的材料过多,端头表面的刚度已不足以承受拧紧载荷。此时应将翻新端头报废。

为预留更多磨损余量,端头最初可以加工得比正常长度略长一些。此时频率会低于标称值(例如为 19.8 kHz 而非 20 kHz)。但是,增加的重量会给端头-变幅杆接头带来额外的应力,因此如果该接头出现任何额外发热,就应避免采用这种方法。

翻新间隔(空化冲蚀)

如果平端面端头受到空化冲蚀,则应在冲蚀变得过度之前进行翻新。否则,由于空化凹坑内滞留气泡,端头的效能会降低。

Sonics & Materials[4](第 16 页)建议每五到六小时检查一次端头的空化冲蚀情况,必要时进行抛光。当然,这一检查/抛光间隔取决于具体工况。

装配

润滑剂

Dukane[1](第 11 页)建议 ——

  • 在端头与变幅杆配合的表面上涂抹一薄层 Dow-Corning #4 高温高压硅脂(或改用 #111)。
  • 如果不能使用硅基润滑脂,可以使用石油基润滑脂。不过,它可能会在表面留下碳质沉积物,从而需要更频繁地维护接头。
  • 不要在端头螺纹上涂抹任何润滑脂。

最后一条建议的原因尚不清楚。可能是因为某些润滑剂最终会污染螺纹或使螺纹发生空化,从而导致端头难以拆卸。不过,使用干性润滑剂(例如 Teflon – PTFE)可以避免这一问题。

如果端头会接触食品,则润滑剂必须获得相关批准。在这种情况下,整体式变幅杆可能比带可更换端头的变幅杆更为可取。

拧紧力矩

对于同一款端头,表 1显示 Dukane 推荐的拧紧力矩明显高于 Branson。其原因尚不清楚。

一般注意事项

螺纹受力方向

如果端头通过螺纹紧固件直接固定到变幅杆上,则螺纹必须沿变幅杆振动方向布置(例如见图 1 和图 2)。这将使螺纹承受拉力。如果螺纹与变幅杆振动方向垂直,则螺纹将承受剪切。在这种情况下,作用在端头上的惯性力和载荷对螺纹来说过大,无法抵抗。这将导致端头在端头-变幅杆界面处滑移,从而在该处发热,并很可能导致紧固件失效。 (如果振幅足够小,这条建议或许可以忽略。不过,在那种情况下,通常也不需要用可更换端头来对抗磨损。)

夹紧连接

在夹紧连接中,端头通过端头本体之外的某种方式固定。例如,可以通过螺母(图 2)、夹紧环(图 X)、紧定螺钉(图 4)、螺钉(图 3)等方式固定。

Branson Ultrasonics 金属焊接变幅杆(Holze 专利 3,813,006)
图 2. Branson Ultrasonics 金属焊接变幅杆
Holze 专利 3,813,006

图 3b(Kim[1])展示了一种金属焊接变幅杆的提议设计,其中可更换端头(中间的矩形部分)由四个横向螺钉固定。尽管有限元分析表明这一设计可能可行,但它在实际应用中无疑会失败,原因是螺纹为横向布置,而且端头相对于变幅杆过大(导致惯性载荷很高)。

图 3. 带可更换端头的全波长金属焊接变幅杆
图 3. 带可更换端头的全波长金属焊接变幅杆
Kim[1]
图 4a. 58 kHz 引线键合机组件
图 4a. 58 kHz 引线键合机组件
图 4b. 端头拧紧方法
图 4b. 工具-端头拧紧方法
图 4. Weixum 68 kHz U3000 引线键合机
Han[1A]

过盈连接

过盈连接可以通过锁紧锥面配合或压配合实现。

Sonobond 的 Wedge-Reed 金属焊机采用带浅锁紧锥面(莫氏锥度)的端头,该锥面与振动簧片自由端上相匹配的锥孔配合(图 5)。端头上图示的螺纹并不与簧片啮合;相反,它们用于通过顶出螺母拆卸端头。

图 4. Sonobond 金属焊接用锥形可更换端头
图 5. Sonobond 金属焊接用锥形可更换端头

Culp[0]曾在横向驱动金属焊机中使用锥形销作为焊接端头。锥形销插入变幅杆上相匹配的铰孔中。这一设计取得了一定的成功,但由于焊接过程中的高剪切力,接头最终发生退化。这一设计后来被图 2的可更换端头所取代,后者更可靠、更通用(可通过多个焊接凸角方便地调整方向)。