摘 要:提出了一种新型模态转换压电钻。该压电钻将钻头斜向安装在定子基体上,形成一个纵弯模态转换器。利用压电陶瓷的逆压电效应使定子基体产生纵向振动并通过纵弯模态转换器将该纵向振动转换成钻头部分的局部弯振,从而在钻头端部合成为椭圆运动,为切削及钻孔提供动力。利用有限元分析软件ANSYS对压电钻进行结构设计,仿真了钻头在设计工作频率下的切削轨迹。根据仿真结果试制了一台样机,对该样机进行了激光扫频实验,结果表明,样机工作频率为56 kHz,切削频率可达336×104次/min,切削幅度则可控制在微米级。实验表明该样机配上普通牙钻,可在普通打印纸、硬纸板、铝板、钢板上进行切削、钻孔等操作。
随着社会经济的发展和人民生活水平的日益提高,口腔卫生和口腔保健越来越受重视,口腔医疗事业迅速发展。口腔科使用的牙钻手机是治疗牙病和进行牙齿修复的必备器械,使用频率高。和低速手机与洁牙手机相比,高速牙钻的切削能力强[1-3],其主要用于切割牙体,制备牙洞、制备牙形和修整牙形等,以电机为动力源的牙科手机的转速一般只能达到几万转/分钟,通常作为低速手机使用,目前普遍使用的高速手机是滚珠轴承式牙科高速涡轮手机,转速为(30~50)×104r/min,而悬浮式空气轴承牙科高速涡轮手机的转速可达60×104r/min,使用寿命较长,但由于其在使用时所产生的噪音较大和扭矩较小,所以很少被人所采用。高速涡轮手机不仅价格高,且在使用中还存在诸多问题[4-6],如
(1)需频繁润滑。
(2)结构精密,不易消毒。
(3)空转易损坏。
(4)需压缩空气提供动力,结构复杂,体积大,移动不便。
(5)易造成口腔误伤,需专门的保护装置。
近年来牙科高速手机的研究大都集中在对高速手机的结构改造、完善和材料的改进上,尤其是对轴承材料。同时也有一些新的牙科手机研究,如等离子体、激光牙钻[7]等,但目前还都处在实验阶段,没有进入实际应用。
本文从原理上进行突破,提出了一种基于逆压电效应[8-16]的新型模态转换压电钻,无需轴承、润滑,结构简单,自锁性能好(关闭开关后在微秒时间内停止振动,在移出过程中不会伤害患者)。该压电钻利用压电陶瓷的逆压电效应激发钻头的切削功能,可实现微幅切削,切削频率可达336×104次/min,且由于振动处于超声范围内,可实现无噪音工
作。
1 压电钻结构
图1为模态转换压电钻结构。定子基体为一夹心式结构,由上配重(铜)、下配重(钢)、纵振压电陶瓷片组组成,下配重及上配重设计成螺纹结构,可通过螺纹结构将纵振压电陶瓷片组压紧并为压电陶瓷提供预紧力。上配重采用变截面杆,整个定子基体形成一个超声变幅杆结构,工作时可在上配重端部获得最大的纵振振幅。钻头采用普通医用牙科钻头,从与基体轴线夹角为45°的方向通过过盈配合安装在上配重端部。这样定子基体和钻头就形成了一个纵弯模态转换器,它可同时实现2个目标:
(1)满足电机设计的需要,该结构可将基体的纵向振动转换成钻头的局部弯振。
(2)满足使用时的可操作性,可作为弯形牙科手机直接使用。压电陶瓷片组由4片厚1 mm,外径 15 mm,内径为 8 mm的纵振压电陶瓷片及电极片组成,其极化安装方式如图2所示。
2 压电钻工作机理
模态转换型压电钻利用纵弯模态转换器来获得所需模态。在工作过程中,纵振压电陶瓷片组施加电压激励后,产生纵向伸缩运动,从而激发出定子体的纵向振动,由于钻头与定子体轴线成一角度,当纵振传递到钻头时,必然会发生振动的分解,如图3所示,其中横向振动u(t)会激发出钻头的局部弯振。
图3为模态转换压电钻产生模态转换的原理示意图。为叙述的方便,简化压电钻为两部分,一部分为基础结构,即为压电钻定子体部分;另一部分为斜梁结构,即为钻头部分。设计时使基础的第1阶纵振模态频率ω1与其上的倾斜梁的某一局部弯振模态频率ωb相同,即ω1=ωb。
将激励电压V=V0sinωt施加到纵振陶瓷片组上,当ω=ω1时激发出基础的第1阶纵向振动。忽略基础结构阻尼的影响,在倾斜梁的根部y方向的位移
3 压电钻仿真计算
本文利用通用有限元计算软件ANSYS对模态转换型压电钻进行仿真计算,模态分析结果如图4所示。由图可看出,当定子作纵向振动时,钻头同时作弯曲振动。取钻头端部偏离轴线任一点进行运动轨迹分析,其运动轨迹如图5所示。
通过谐响应分析可得钻头端面一质点3个方向的振动幅和相位,如表1所示。该点在y向的振幅相比x向和z向的振幅很小,可近似为0,而x向和z向振动的相位差也很小,基本为0,这主要是电机本身阻尼较小而导致模态转换后相位差较小。
综合图5及以上分析可知,钻头端部作一椭圆运动,由式(5)可知,当x向和z向振动的相位差很小时,α近似为0,该轨迹方程近似为一条直线。由此可得,该压电钻能利用电机的结构将纵向振动转换为钻头的局部弯曲振动,且能在钻头的端部形成椭圆运动,从而可利用该压电钻进行钻孔及切削。
4 实验研究
根据上述分析,实际研制了一台样机,如图6所示,为了增大纵振振幅,在上配重端部开有一环形槽。实际对该样机进行激光扫频实验,当激励电压为100V时,该钻工作频率为56 kHz,钻头端部即刀刃部分振幅可达3μm。为了验证该样机的工作性能,用该样机对普通打印纸、硬纸板、铝板、钢板及陶瓷进行切削及钻洞实验。
图7为该样机在普通打印纸上钻的孔。图8为在硬纸板上钻的孔。图9为在厚1 mm的铝板上钻的孔。实验发现该样机在45#钢上面也能轻易进行切削,而在陶瓷上则由于钻头端部刀刃的硬度不够无法进行切削。钻孔实验中表明只需手持该压电钻靠上被加工物体即可正常工作,这个特点将很适合于钻牙,为病人减轻手术的负担。
从铝板上钻孔的形状可发现,小孔的形状和钻头的形状很相似,因此,只要有合适形状的钻头,将可以钻出各种形状的小孔。
5 结束语
本文设计了一种新型压电钻,该钻基于模态转换原理进行工作,通过钻的结构设计可将定子体的纵向振动转换成钻头的弯曲振动,利用ANSYS分析了压电钻的工作模态及钻头端面质点轨迹,得出了钻头端面质点作一扁椭圆运动,可进行钻孔及切削等操作。实际研制了一台样机,工作频率为56 kHz,钻头端部刀刃切削频率达到336×104次/min,实验表明该钻可在普通打印纸、硬纸板、铝板及钢板上进行钻洞及切削操作。
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本文作者：杨 淋 丁庆军 黄卫清 赵淳生
