【正文】 10相連。按照所采用的工作原理，可以把超聲波發(fā)生器分為模擬電路和數(shù)字電路兩大類。 模擬電路超聲波發(fā)生器 圖 2— 2為振蕩 — 放大型超聲波發(fā)生器結構方框圖。 圖 22 超聲波振蕩器 超聲波振蕩器的作用是產(chǎn)生一個一定頻率的信號，用以推動后面的放大部分。自激式超聲波發(fā)生器的結構比較簡單，且有利于實現(xiàn)頻率的自動跟蹤。近年來越來越多的廠家采用功率集成電路做超聲波發(fā)生器的放大器件。要提高晶體管發(fā)生器納輸出能力，除了有賴于高性能器件的開發(fā)外，還必須采用高效率的電路。 匹配電路和頻率自動跟蹤 超聲波發(fā)生器與一般放大器的一個重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。此外，還可以實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的自動儲存和故障自功診斷，有助于實現(xiàn)超聲波發(fā)生器的智能化。 磁致伸縮換能器的工作原理 磁致伸縮換能器是由磁致伸縮材料制作的鐵芯外面纏繞線圈面成，如圖 2— 3所示。 常用磁致伸縮材料可分為兩大類，一類是金屬磁致伸縮材料，如鎳、鐵鈷合金、鋁鐵合金等；另 — 類是鐵氧體磁致伸縮材料。相反，若在壓電晶體上加一外電場，在此電場作用下，壓電晶體內部電極化狀態(tài)會發(fā)生相應的變化，產(chǎn)生與外加電場強度成正比的應變現(xiàn)象、這一現(xiàn)象叫做逆壓電效應。 圖 2— 4 縱向壓電效應 圖 2— 5 橫向壓電效應 (2)壓電換能器的工作原理 壓電換能器是利用壓電材料在電場作用下產(chǎn)生形變的特性，即上述壓電晶體的逆壓電效應而制成的超聲換能器，如圖 2— 6所示，將壓電材料做成片狀，上下兩面涂上銀層作為電極，并進行極化處理，在該壓電片兩電極間加上電場。 2) 外加電場與極化方向相反。 2． 2 壓電換能器的結構形式。超聲變幅桿還可以作為機械阻抗變換器，在換能器和負載之間架起橋梁，進行阻抗匹配，使超聲能量更有效地從換能器向負載傳輸。其中縱向振動變幅桿可分為簡單形、復合形。其中放大系數(shù) pM 是指變幅桿工作在共振頻率時，輸出端與輸入端的質點位移或速度的比值；形狀因數(shù) ? 是衡量變幅桿所能達到最大振動速度的指標之一，它僅與 變幅桿的幾何形狀有關， ? 值越大，通過變幅桿所能達到的最大振動速度也越大。 4) 彎曲振動圓盤 彎曲振動圓盤位于變幅桿和珩磨桿之間。 5) 油石 超聲珩磨油石是超聲珩磨裝置的磨具。 6) 油石和油石座的連接方法 在很高的瞬時最大加速度的作用下，為了保證超聲能可靠、高效的傳輸，為了保證油石不會從油石座上脫落下來．油石和油石座的連接方法研究成功了四種連接方法。需要注意的是，為廠保證粘接可靠，必須保證油石和油石座的被粘接面的平面度誤差＜ 。成形后的磨具坯體有一定密度、 — 定形狀和規(guī)格。例如，使用銀焊料 Bag45CuZn，銀焊溫度為 677～ 743℃。 銀焊法的另一缺點是價格昂貴，銀焊費用基本上等于超硬磨料油石的費用。這種方法連接可靠．傳聲效率高，適于超聲珩磨使用。 在選擇冷卻液時應注意以下幾點： (1)冷卻液流量要大，以滿足散熱要求。 (3)一般來說，冷卻液應是油性的。 換能器的選用 超聲波發(fā) 生器的選用 超聲波發(fā)生器又稱超聲頻發(fā)生器，是供給超聲換能器超聲電能的能源，其作用是將交流電轉變?yōu)槌曨l電功率輸出，以提供工具往復運動并去除被加工材料的能量。他激式超聲波發(fā)生器由振蕩器、驅動放大、功率放大器組成。發(fā)生器的輸出阻抗應與換能器阻抗相匹配。采用實驗室研制的頻率自動跟蹤與振幅自動顯示的新型超聲波發(fā)生器，其型號為H66MC，電源電壓 220，頻率 50HZ，輸出功率大于 250W，頻率可調范圍為18KHz22 KHz。磁致伸縮換能器在五、六十年代得到了廣泛應用，它是利用某些鐵磁體在變化磁場中所產(chǎn)生的磁致伸縮效應而制成的。頻率范圍寬，因此即使工具在磨損范圍較大的情況下，仍能找到諧振頻率點 :它的缺點是轉換效率低，一般情況下為 30%左右 。壓電換能器與磁致伸縮換能器比較，優(yōu)點是尺寸小，體積小，價格便宜，聲電轉換效率高，能夠長時間地連續(xù)工作，瞬時輸出功率達 35^40w/cm39。壓電換能器的缺點是 :機械強度低，工作時所加電壓較高，并且因它的聲電轉換效率高，因此振 動系統(tǒng)的設計、制造和調整精度要求較高 :換能器頻率范圍窄。 換能器與發(fā)生器的匹配方法是，首先準確測量換能器的動態(tài)阻抗及其變化范圍，然后合理選擇發(fā)生器輸出阻抗和匹配回路的元件值 ，用逐步逼近的方法，通過反復調試，即可實現(xiàn)發(fā)生器與換能器之間的匹配。超聲換能器輻射面的位移振幅在加 kHz時只有幾 4IOμ m。 (2)變幅桿可作為機械阻抗變換器，使換能器更好地與負載匹配偶合聲能 。在實際應用中最常用 的是 :共振頻率 (共振長度 )，放大系數(shù)，形狀因數(shù)，輸入力阻抗和彎曲勁度等等。彎曲勁度是彎曲柔順性的倒數(shù)。 (3) 易于機械加工，當負載為液體時還要求變幅桿的輻射面所用的材料耐腐蝕，抗酸性。這類變幅桿稱為單一變幅桿。在這些應用中對變幅桿的要求主要是有盡可能大的放大系數(shù)。 河南理工大學畢業(yè)設計（論文） 33 超聲變幅桿的工程設計原理 為了獲得較大的振幅，應使變幅桿的固有振動頻率和外激振動頻率相等，處于共振狀態(tài)。因此，超聲變幅桿的結構設計必須合理，并應能與振動系統(tǒng)中的超聲波發(fā)生器、換能器、工具頭、支架等良好匹配。本論文中，需要的輸出振幅比較大，故選用了圓錐形變幅桿，下面重點分析半波長圓錐形變幅桿的設計，該圓錐形變幅桿為單一變幅桿。在這些應用中對變幅桿的要求主要是有盡可能大的放大系 數(shù)。下面給出常用的幾種變幅桿的設計算公式。 振速分布： ?????? ??? kxkxkyrxvv fx c o ss in1)( 應力分布： ?????? ?????? ????????? ???? kxrkkxrxk ykxxykxrxk yvjRV fex s i nc o s)1(s i nc o s)1()( 河南理工大學畢業(yè)設計（論文） 38 由（ 31d? ）式和（ 31d）式、（ 31f）式可求得頻率方程的一般表示 ]1[c os1{ 2221 rRr rRlkklrRr rRj kl ??????? ????????? ??? ?ZZklrRklklrRkl e /]}s in)1(1[ c o s/{}s in ????? 其中 ?Z = ?sRc? Ze 為變幅桿的輸出端阻抗。 錐體頂角的設計 已知珩磨進給為 170180mm，則選取 6mm 的余量，則頂銷的移動距離為 8mm，又取斜面軸向長度為 40mm 則： 40/82/tan ?a 則a=? 螺紋的選取與套筒的周向分度 圖41 如圖 41：根據(jù)普通螺紋滿足傳遞距離的需要，由設計需 要這里 D、d 取 125， P 取 2mm； D2 、 d 取 ；小徑 D d1 取 套筒 河南理工大學畢業(yè)設計（論文） 43 的周向分度為 100，則一格為 2021?/100=20?m，又錐體的斜度反應到珩磨頭可得的進給量為： m?840/2820 ??? 則可以實現(xiàn)珩磨進給量為 10?m的要求。當珩磨短孔和小孔時，這種現(xiàn)象更明顯。超聲振動珩磨頭浮動結構形式的選取，同樣是根據(jù)工件的大小。調節(jié)好后。同樣他的間隙的調。 44 球頭配合剖面圖 河南理工大學畢業(yè)設計（論文） 46 水平方向的浮動 如圖 44 所示，水平方向上分布著大小兩個球體，他們通過嵌入配合來完成水平方向上的浮動連接的實現(xiàn)。 浮動機構設計 浮動機構是由球頭配合來完成的，可實現(xiàn)垂直方向、水平方向和軸向的浮動。在該部分的設計過程中，如果沒有合適的方法和步驟，所設計的聲振系統(tǒng)振動能量損耗大，能量利用率低，達不到振動珩磨的效果。珩磨頭與夾具的配置形式有三種： ①珩磨頭采用雙浮動連接機構； ②珩磨頭及夾具各 用一個浮動結構； ③珩磨頭不浮動，夾具采用雙浮動結構。則 pfc /22 ?? 考慮到油石座和油石要用彈簧拉緊，故通常油石 座的長度 2L = ?/2， ? 或2? 本設計取 2L =260mm。 圖 31 中，因變幅桿的縱向變形引起的橫向變形很小，不致引起應力波的波振面畸變，因此振速分布滿足微分方程式： S1 S2 D d 圖 31 圓錐型變副桿 01 2)()(22 ???????? ?? kxssx xx 式中 : ? 為振速 S（ x）為振面離 大端的距離 S（ x） ?2 我們又已知如下式 ???? ??????? xlR rRRR 1 ? ?2)()( 1 xxx vSS ?? V= lRrR? 式中： v、 l分別為圓錐變幅桿大小端的半徑及變幅桿的長度， )(xS 、 xR 為任意 河南理工大學畢業(yè)設計（論文） 36 處圓錐變幅桿橫截面面積及半徑。當變幅桿的負載是液體或液體與固體粒子的混合液時 (如乳化、破碎固體粒子或細胞 )，在超聲處理過程中負載變化較小，而且不需要外加靜壓力。在實際應用中還出現(xiàn)一些由多個單一變幅桿級聯(lián)工作的組合系統(tǒng)，這是另一類問題。許多討論變幅桿的專門書籍，大多是指半波長變幅桿而言。變幅桿寬端 (輸入端 )的尺寸取決于換能器輻射面面積，一般其截面線度應等于或大于換能器輻射面的線度，但 其橫向尺寸在一般情況下應小于 1/4波長，以減少橫向振動的影響 :變幅桿窄端 (輸出端 )的尺寸則應根據(jù)所處理的對象來選取。 當變幅桿的負載是液體或液體與固體粒子的混合液 時 (如乳化、破碎固體粒子或細胞 )，在超聲處理過程中負載變化較小，而且不需要外加靜壓力。在實際應用中還出現(xiàn)一些由多個單一變幅桿級聯(lián)工作的組合系統(tǒng)，這是另一類問題。 變幅桿的類型與選擇 在功率超聲的應用中，人們根據(jù)實際需要研究出各種類型的變幅桿。彎曲勁度也與變幅 河南理工大學畢業(yè)設計（論文） 32 桿的幾何形狀有關 . 變幅桿材料的選擇 變幅桿一方面是在時變載荷作用下工作，另一方面在傳遞和放大超聲波的振動能量的同時會產(chǎn)生溫升。輸入力阻抗21定義為輸入端策動力與質點振動速度的復數(shù)比值。 (4)變幅桿使換能器和工作介質之間獲得熱學和化學上的隔絕。變幅桿之所以能放大振幅，是由于通過它的任一截面的振動能量是不變的 (傳播損耗不計 )，截面小的地方能量密度變大。直徑 50mm，總長 120mm。 換能器是中間轉換元件，前端與發(fā)生器相連，后端與變幅桿相連根據(jù)本課題組多年的試驗研究，換能器與變幅桿之間采用螺栓連連接介面上涂硅油。采用這種換能器的工具振動系統(tǒng)，如果與換能器固有頻率不是完全一致，利用局部共振原理，也能設計、制造出性能優(yōu)良、易于找到諧振頻率的聲振系統(tǒng)，以滿足超聲加工的需要 。壓電換能器尺寸小，冷卻散熱條件要求低，是利用材料在電場作用下的壓電效應而制成的。這種換能器有以下特點 :可以在工作條件變化很大的情況下使用，切削力的變動及振動系統(tǒng)本身的一些變化對工具振動形態(tài)的影響比較小 。為了研究和利用超聲，人們己經(jīng)設計和研制成功了多種換能器。 由于國內現(xiàn)有的超聲波發(fā)生器不具有頻率和振幅振動跟蹤和顯示功能，因此，在超聲復合加工中存在著當負載、溫度切削條件等變化時振速不穩(wěn)定的 河南理工大學畢業(yè)設計（論文） 29 現(xiàn)象，這樣在磨削過程中， 振速的不穩(wěn)定將會導致超聲加工中的諧振頻率漂移、振動振幅降低、加工效率降低、加工質量不穩(wěn)定等一系列問題，針對這種情況我所自行研制了頻率自動跟蹤與振幅自動顯示的新型超聲發(fā)生器，實踐證明，這種超聲發(fā)生器性能穩(wěn)定，能滿足使用。為了保證超聲波發(fā)生器的頻率穩(wěn)定，發(fā)生器和換能器的匹配，以便發(fā)生器效率最高，變幅桿振幅最大，超聲波發(fā)生器必須滿足下列要求 :輸出功率應達到技術指標 。就超聲波激勵方式而言有兩種 :自激式和他激式。 河南理工大學畢業(yè)設計（論文） 28 第三章 超聲珩磨聲學系統(tǒng)設計 超聲加工系統(tǒng)，由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、振動傳遞系統(tǒng)、工具、工藝裝置等構成。 (2)能有效沖洗掉磨屑、磨粒及其他微粒，冷卻液應經(jīng)過良好的過濾，排 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）