【正文】 在此研究中，根據(jù)現(xiàn)有條件，選用壓電式換能器，其實物圖如圖33所示。壓電換能器與超聲波發(fā)生器匹配時，由于它是容抗性負載，所以回路中必然產(chǎn)生很大的無功損耗，故采用圖34所示的輸出匹配回路。一般情況下，在超聲振動加工過程中，從換能器輻射面所產(chǎn)生的振動振幅較小，當聲振系統(tǒng)的諧振頻率為24kHz的情況下，從換能器輻射面直接能得到的超聲振幅最大只有4μm～5μm，而為了滿足超聲加工需要，要求加工工具的振幅至少要達到10μm以上，因此必須在換能器和加工工具之間增加超聲變幅桿將換能器輻射面得到的振動振幅進行放大。各類型變幅桿的優(yōu)缺點如表31所示。一般情況下，在選用超聲變幅桿的類型時應(yīng)從三個方面來考慮：一是設(shè)計比較簡單，容易獲得較準確的設(shè)計數(shù)據(jù)；二是要注意制造的難易程度；三是要根據(jù)振動加工的具體要求，特別是放大倍數(shù)、工作穩(wěn)定性、切削用量等來選擇合適的變幅桿。為了研究方便，現(xiàn)給出幾個假設(shè)(在各截面尺寸遠小于波長時，這些假設(shè)是允許的):變截面由均勻各向同性材料制成；機械損耗很小，可以忽略不計；超聲變幅桿中通過的彈性波的波振面是平面，即在超聲變幅桿的橫截面上應(yīng)力分布是均勻的；平面縱波沿超聲變幅桿軸向傳播。式(39)就是變截面桿縱振動的波動方程。2. 放大系數(shù)Mp在x=0的截面處，由于截面躍變，情況比較復雜。sinKb1N2cosKba； φb=arctanZ0bZ0atan(Kb設(shè)階梯形變幅桿的諧振頻率為24kHz，材料用45調(diào)質(zhì)鋼，其波速c =106m/s,彈性模量E=210GPa，泊松比σ=，密度ρ=7890kg/m3。α=D1l== N=2 圖37 最佳圓弧半徑ROP與N的關(guān)系② 由α及N在圖37的曲線中找出對應(yīng)的ROPD2的值。因為螺紋連接具有以下特點：(1) 螺紋擰緊時能產(chǎn)生很大的軸向力；超聲波在換能器變幅桿研磨工具里都是沿軸向傳播，軸向應(yīng)力最大，軸向的連接必須緊固。(4) 制造簡單，能保持較高的精度。設(shè)計的階梯形變幅桿尺寸參數(shù)如圖38所示。圓柱孔研磨工具有研磨棒和可調(diào)研磨器。由于鑄鐵的耐磨性好，成本低，所以選鑄鐵為研磨工具的材料。嵌入性使磨粒嵌入研磨工具表面的難易程度；嵌固性是壓嵌在研磨工具表面上的磨料，在研磨中的抵抗切削力而不脫落的能力；嵌沙均勻性是磨粒嵌入平板各處的均勻程度。鑄鐵組織中的石墨（C）的硬度極低(3HB)，磨粒易嵌入，但又極易游出石墨的洞穴，所以石墨的洞穴，所以石墨處的嵌固性較差。%～%，%～%。由于振動波形在研磨工具里傳播長度大于λ/2，研磨工具長度取120mm?？烧{(diào)整光滑研磨器結(jié)構(gòu)實物圖如圖39。實物如圖310。 換能器: 將超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換成超聲頻機械振動。擋板：調(diào)節(jié)研磨套移動，使研磨套均勻移動。圖311 超聲振動深孔研磨裝置實物圖 小結(jié) 根據(jù)深孔研磨和超聲振動加工的特點確定了超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計原則；在設(shè)計原則的指導下，根據(jù)試驗要求，對超聲振動深孔研磨裝置聲振系統(tǒng)的各個組成部件(超聲波發(fā)生器、換能器、超聲變幅桿、套筒、錐形心軸、研磨套)進行了選擇或設(shè)計；并將通過試驗的方法得到了聲振系統(tǒng)的振動特性，使研磨套霧化效果較好，與設(shè)計基本一致，滿足設(shè)計的基本原則；同時還對超聲振動深孔研磨裝置的整體結(jié)構(gòu)進行了研制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足了以下要求:聲振系統(tǒng)的超聲振動不會傳遞和擴散到整個加工裝置上，研磨套可以良好地進行超聲振動；研磨套能在徑向均勻地漲縮，對加工表面的壓力能調(diào)整并保持一定的調(diào)節(jié)范圍。1kHz，并且頻率調(diào)整范圍窄，因此聲振系統(tǒng)需采用全諧振方式進行，通過試驗對聲振系統(tǒng)的尺寸做出修正，使振動系統(tǒng)的能量損失小，振動效果達到最佳。由于試驗中的超聲波發(fā)生器的頻率可調(diào)范圍窄，因此在試驗過程中對于操作要求極為嚴格。這樣就將我們要測量的機械振動參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷膮?shù)，通過阻抗分析儀可以較為精確的分析出其主要參數(shù)，為設(shè)計振動系統(tǒng)帶來了方便。對于壓電器件來說，通過阻抗分析儀可以測得的主要參數(shù)包括：諧振頻率、諧振的導納等。對于一個新的試件，可能不知道它的諧振頻率的確切位置，這時候，最好的辦法是先用較大的頻率步距進行掃描，例如，一個試件在20kHz～50kHz的頻率范圍內(nèi)以自動頻率步距掃描一遍。 試驗內(nèi)容超聲振動系統(tǒng)振動試驗主要設(shè)備如下：(1) 超聲波發(fā)生器；(2) 聲振系統(tǒng)；(3) PV70A阻抗分析儀；(4) 電子計算機。經(jīng)過阻抗分析儀對電訊號的處理后，直接可以測定換能器的諧振頻率來。接下來對階梯形變幅桿進行調(diào)試。圖46 變幅桿實驗裝置圖經(jīng)過阻抗分析儀對電訊號的處理后，直接可以測定振動系統(tǒng)的諧振頻率來。接下來對錐形心軸進行調(diào)試。經(jīng)過阻抗分析儀對電訊號的處理后，直接可以測定振動系統(tǒng)的諧振頻率來。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)，錐形心軸的表面太粗糙，連接端面不平，在與超聲波發(fā)生器連接時有較大的呼嘯聲，能量損失嚴重。 聲振系統(tǒng)的的試驗。圖410 錐形心軸與換能器和變幅桿調(diào)試后的導納極坐標圖由阻抗分析儀測得的試驗結(jié)果可知。諧振頻率與變幅桿和換能器相差較大，且與超聲波發(fā)生器頻率不匹配，需進行調(diào)試。將加工好的變幅桿通過M8的螺紋與變幅桿相連接，通過導線將換能器與阻抗分析儀相連接，然后將阻抗分析儀通過串口與計算機相連，實驗裝置如圖48。由阻抗分析儀測得的試驗結(jié)果可知。將加工好的變幅桿通過M8，為防止在接觸面能量流失，在接觸面涂有凡士林，并且連接緊密。圖45 換能器導納極坐標圖由阻抗分析儀測得的試驗結(jié)果可知。圖45 主要試驗裝置 試驗步驟及數(shù)據(jù)記錄 換能器的試驗 首先對換能器進行測試。圖42 正常的超聲器件曲線圖圖43 異常的超聲器件曲線圖44 導納極坐標圖 從圖44導納特性圖中導納輻角的變化趨勢就可以得出結(jié)論：導納輻角大約從38kHz到39kHz的范圍內(nèi)由正變負，表明在38kHz到39kHz的頻率范圍有諧振點出現(xiàn)。正常的情況下，導納圓如圖42所示；異常情況下，導納圓如圖43所示。50ppm；(4) 相位分辨率：(－180度～＋180度)；(5) 阻抗范圍：1Ω～100kΩ；(6) 頻率步進：～任意。在交流電壓的作用下，壓電材料能夠產(chǎn)生伸縮振動，從端面發(fā)出聲音，這種現(xiàn)象在物理上叫壓電效應(yīng)。 聲振系統(tǒng)的振動試驗 試驗?zāi)康暮头椒╝. 試驗?zāi)康? 對聲振系統(tǒng)進行試振，觀察試振效果。在理論分析和設(shè)計的基礎(chǔ)上進行試驗研究，使超聲波發(fā)生器輸出的振動有效地通過各個環(huán)節(jié)傳遞到研磨套。調(diào)節(jié)螺母:移動螺母使研磨套均勻移動。 錐形心軸：支撐研磨套，調(diào)整研磨工具的外徑。根據(jù)要求設(shè)計出超聲振動深孔研磨裝置，如圖310所示，該裝置主要由套筒、換能器、階梯形變幅桿、內(nèi)六角圓柱頭螺釘、錐形心軸、研磨套、擋板、平墊圈、調(diào)節(jié)螺母等組成。為了更有利于研磨膏的粘附，在研磨套外表面車出等距的條形溝槽，實物如圖39所示。的錐角。其內(nèi)孔制成1:20或1:30的錐度。鑄鐵中的滲碳體能起到對磨粒的限位作用，磷共晶(FeP)硬度最高，在平板校正中，鑄鐵中較軟的金相組織易被磨粒擠刮掉，而使較硬的磷共晶突出表面，可加速研磨過程。 鑄鐵研磨工具 鑄鐵研磨工具具有良好的嵌砂性﹑耐磨性，良好的可加工性。在連續(xù)使用中應(yīng)具有熱變形小尺寸穩(wěn)定的性能。 (2) 為了保證研磨工具具有穩(wěn)定的精確幾何形狀，要求研磨工具具有良好的耐磨性。研磨工具的主要作用是把研磨工具的幾何形狀傳遞給被研磨工件及涂敷或嵌入磨粒。而且螺紋連接預(yù)緊的可以增強聯(lián)接的可靠性和緊密性,以防止受載后被聯(lián)接件間出現(xiàn)縫隙或相對滑移。(3) 外形尺寸小；本實驗裝置是用于深孔加工，整套研磨裝置通過與鉆桿連接，進行研磨，尺寸要求嚴格。ROP=D2= mm由于前面是近似分析，實際上得到的放大系數(shù)Mp要小于N2，而且隨著N值的增大，誤差越大，一般取N6。(1) 共振長度：取最常用的情況a=b=λ4l= a+b=λ2=(2) 位移節(jié)點x0：位移節(jié)點在中心位置，即x=0處。5. 形狀因素階梯型變幅桿的形狀因素于均勻截面桿一樣，即φ=1。cosKb1N2cosKbsinKasinKb (3―15)當a=b=λ/4 時，放大系數(shù)Mp達到最大。圖36 階梯形變幅桿由式(3―9)可以得到均勻截面桿的波動方程為 ?2 ξ?x2+K2ξ=0 其解可以寫成ξa =a1cosKx +a2 sinKx ， ax0ξb =a3cosKx +a4sinKx ， 0xb (3―10)由邊界條件 ξ a|x=a=ξ1 A1E?ξa?x|x=a=0得 a1= ξcosKa a2 =ξasinKa (3―11)另一方面，由邊界條件 ξb|x=b=ξ2 A2E?ξb ?x|x=b=F2 得 a3=ξ2cosKb+F2sinKbEKA2 a4=ξ2sinKbF2cosKbEKA2 = ξ2(sinKb+ jZLZ02cosKb) (3―12) 式中：ZL為負載力阻抗。xσx+dx圖35 變截面桿的縱振動(3―6)在簡諧振動的情況下，x處t點時刻的質(zhì)點位移為：式中 A — 振幅，μm；ω — 固有頻率，rad/s；φ — 初相位，rad。傳統(tǒng)的超聲變幅桿的設(shè)計方法是從縱向振動變截面桿的波動方程出發(fā)，建立其動力學微分方程，根據(jù)實際邊界條件求出其定解，從而求出各個設(shè)計參數(shù)，如諧振長度、放大系數(shù)等。但主要缺點是較大的放大倍數(shù)下可能發(fā)生側(cè)振，影響總體振動效果并給設(shè)計帶來一定麻煩。二是作為機械阻抗的變換器，使超聲能量由換能器更有效地向負載傳輸。 圖34 輸出匹配回路由圖34，可得到等效復阻抗ZAB為 (3―1)式中 ZAB — 阻抗，Ω；R0 — 負載電阻，Ω； — 固有頻率，rad/s；L — 電感，H；C0 — 靜態(tài)電容，F(xiàn)。圖33 壓電式換能器實物圖超聲波發(fā)生器和換能器的匹配包括兩方面的內(nèi)容:一是超聲波發(fā)生器的輸出阻抗與換能器的動態(tài)阻抗一致；二是在額定輸入電功率條件下，換能器輸出的聲功率最大。磁致伸縮換能器是利用某些鐵磁體在變化磁場中所產(chǎn)生的磁致伸縮效應(yīng)而制成的，具有諧振頻帶寬，振動方向單一，抗沖擊性強，穩(wěn)定而耐用等優(yōu)點，但其體積大、轉(zhuǎn)換效率低并且還需要專門的冷卻系統(tǒng)。在此研究中，根據(jù)要求我們選用陜西博優(yōu)超聲科技有限公司生產(chǎn)的超聲波發(fā)生器(如圖32所示)。他激式超聲波發(fā)生器由振蕩器、驅(qū)動放大器和功率放大器組成，通過輸出變壓器禍合，把超聲能量附加到換能器上。如圖31所示，超聲波發(fā)生器主要由電源、振蕩級、放大級和功率級組成。超聲振動深孔研磨裝置的聲振系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)生器、換能器、超聲變幅桿、彎曲振動圓盤、撓性桿一研磨條底座等組成。 (3) 超聲振動深孔研磨裝置的研磨工具應(yīng)設(shè)計合理，方便研磨膏的粘附和外徑大小的調(diào)節(jié)。3 超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計與研制 超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計原則“工欲善其事，必先利其器”，為了研究超聲振動深孔研磨機理及其表面加工質(zhì)量，超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計與研制必然十分重要。 小結(jié)本章在超聲振動深孔研磨裝置研制的基礎(chǔ)上，通過對普通研磨和超聲振動研磨的對比分析，建立超聲振動深孔研磨磨粒運動模型并對超聲振動研磨機理進行研究。V根據(jù)磨粒運動軌跡特征，一個振動周期內(nèi)單顆磨粒運動路徑長度La為: (2―12)單顆磨粒一個振動周期內(nèi)去除材料體積V為:V=12因此，在超聲振動深孔研磨中，材料的去除率又有自身的特性。S1=12mδsap12tan2α (2―8)空切削時，由于背吃刀量方向的面積減少，ap2為空切削時的平均背吃刀量，則有：P當B點到達Bi時，縱坐標Y(Bi)以下的面積在磨料走到位角90176。當切削圓圓心沿正弦曲線從0176。tanα,X為磨粒切削速度方向，Y為研磨條的往復運動速度方向。同砂輪一樣，在研磨過程中，大多數(shù)磨粒的法向前角為負值，由于附加的軸向超聲振動，負的法向前角將會增大，甚至向正的法向前角轉(zhuǎn)化，因此，使磨粒切削刃變得更加鋒利，有利于對工件的研磨。圖27 超聲振動研磨中磨粒合成速度示意圖根據(jù)圖27中速度合成示意圖，可以得到軸向振動合成速度vea為: vea= vt2+ ((vf+va)2 = ( ndπ60)2+(va+2πAfcos2πft)2 (2―4)式中 vf —磨粒的振動速度，mm/s； n —工件轉(zhuǎn)速，r/min； d —工件內(nèi)徑，mm； A —振動振幅，mm； f —諧振頻率，Hz； t —時間，s。 在普通研磨中，研磨頭相對于工件的速度主要由兩部分組成，一個是沿工件孔壁的切線方向上的研磨速度分量vt，由工件相對于研磨頭的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生；另一個是沿工件軸線方向上的研磨速度分量va，由研磨頭沿工件軸線的進給運動產(chǎn)生，其合成速度ve為:ve=vt2+va2 (2―3) 一般情況下，在研磨過程中工件的旋轉(zhuǎn)速度較大，而研磨頭的進給速度則較小，因此va相對于vt較小，基本可以忽略不計。 式(21)是磨粒在無超聲振動情況下的運動方程