【正文】 上來定義特種加工，即將電、磁、聲、光、化學(xué)等能量或其組合施加在工件的被加工部位上，從而實(shí)現(xiàn)材料被去除、變形、改變性能或被鍍覆等的非傳統(tǒng)加工方法統(tǒng)稱為特種加工。 （ 4） 不存在加工中的機(jī)械應(yīng)變或大面積的熱應(yīng)變， 可獲得較低的表面粗糙度，其熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、冷作硬化等均比較小，尺寸穩(wěn)定性好。常用的特種加工方法 主要如下： （ 1） 電火花加工：電火花成形加工、 電火花線切割加工 ； （ 2） 電化學(xué)加工：電解加工、電鑄加工、涂鍍加工； （ 3） 高能束加工：激光束加工、電子束加工、離子束加工、等離子弧加工； 超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 4 （ 4） 物料切蝕加工：超聲加工、磨料流加工、液體噴射加工； （ 5） 化學(xué)加工：化學(xué)銑切加工、照相 制版加工、光刻加工、光電成形電鍍、刻蝕加工、粘接、爆炸加工 ； （ 6） 成形加工：粉末冶金、超塑成形、快速成形 ； （ 7） 復(fù)合加工：電化學(xué)電弧加工、電解電火花機(jī)械磨削、電化學(xué)腐蝕加工、超聲放電加工、復(fù)合電解加工、復(fù)合切削加工。加工時，在工具和工件之間加入液體 (水或煤油等 )和磨料混合的懸浮液，并使工具以很小的力 F 輕輕壓在工件上。所謂空化作用，是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開工件表面時，加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空，在工作液體內(nèi)形成很多微空腔，當(dāng)工具端面以很大的加速度接近工件表面時，空泡閉合，引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，可以強(qiáng)化加工過程。根據(jù)這個道理，人們可以合理選擇工具材料，使之既能撞擊磨粒，又不致使自身受到很大破壞，例如用 45 鋼做成 工具即可滿足上述要求。 （ 3） 由于去除加工余量是靠極小的磨料瞬時局部的撞擊作用，所以工具對工件加工表面宏觀作用力小，熱影響小，不會引起變形和燒傷。 （ 3） 復(fù)合加工 為了提高生產(chǎn)率，降低工具的損耗，可以把超聲加工和其他加工方法結(jié)合起來進(jìn)行復(fù)合加工。在切削加工中引入超聲振動，可降低切削力，改善表面粗糙度，延長刀具壽命和提高加工速度等。超聲鉆孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚、萃取、催化等都是這類技術(shù)中的典型應(yīng)用。 而不論是超聲加工處理技術(shù)還是超聲檢測與控制技術(shù)，都要涉及到超聲波的產(chǎn)生和檢收，這就是所謂的超聲換能技術(shù)。 超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 7 本課題主要研究 的 內(nèi)容 超聲波加工系統(tǒng)原理和組 （ 1） 了解超聲波系統(tǒng)的加工原理 （ 2） 明確超聲波加工系統(tǒng)的硬件組成 超聲波食品切割裝置總體方案設(shè)計 超聲波切割裝置關(guān)鍵部分選型與設(shè)計 （ 1） 超聲波發(fā)生器選型 （ 2） 超聲波換能器選型 （ 3） 變幅桿、刀 具設(shè)計 關(guān)鍵部分性能有限元分析 （ 1） 變幅桿振動特性分析：固有頻率、固有振型 （ 2） 超聲波食品切割裝置切割系統(tǒng)設(shè)計與分析 超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 8 第二章 超聲波加工系統(tǒng)的原理和組成 超聲波加工系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、震動傳遞系統(tǒng)、工具、工藝等裝置構(gòu)成。 圖 21 超聲波加工系統(tǒng) 超聲波的基本原理 超聲波的基本原理是其應(yīng)用的基礎(chǔ)，只有在了解其原理的基礎(chǔ)上才能更好的應(yīng)用超聲波，促進(jìn)超聲波的發(fā)展，下面就對其原理作簡要介紹。 波的傳播 超聲波是波的一種，他的傳播完全符合波的傳播特點(diǎn)。 橫波波形：當(dāng)媒質(zhì)中各體元振動的方向與波傳播的方向垂直時，此種超聲波為橫波超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 9 波形。表面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于表面的橫波合成 , 振動質(zhì)點(diǎn)的軌跡為一橢圓，在距表面 1/4 波長深處振幅最強(qiáng)，隨著深度的增加很 快衰減，實(shí)際上離表面一個波長以上的地方，質(zhì)點(diǎn)振動的振幅已經(jīng)很微弱了。 設(shè)平面簡諧波沿 x 軸傳播， y 為體元距平衡位置的位移，則： (21) (22) 式中， A 為振幅， ? 為圓頻率 ,取決于波源頻率 ? 。 (1) 波動方程 橫波的波動方程 ： 22y N ytx???? (23) 式中 N 為剪切模量， ? 為媒質(zhì)密度。但超聲波的聲功率 卻很大，可以被廣泛應(yīng)用。球面波因波射線發(fā)散而波面增大，有限能流在越來越大的面積上分布，故聲強(qiáng)聲壓幅均衰減。 超聲學(xué)展望 超聲學(xué)是一門應(yīng)用性和邊緣性很強(qiáng)的學(xué)科，從它一百多年來的發(fā)展可以看出，超 聲學(xué)是隨著它在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入而得到發(fā)展的。 但是，超聲學(xué)仍是一門年輕的學(xué)科，其中存在著許多尚待深入研究的問題，對許多超聲應(yīng)用的機(jī)理還未徹 底了解，況且實(shí)踐還在不斷地向超聲學(xué)提出各種新的課題，而這些問題的不斷提出和解決，都已表明了超聲學(xué)是在不斷向前發(fā)展。由圖中可以看出，振蕩－放大型超聲波發(fā)生器實(shí)際上就是一個帶有振蕩電路的放大器，但由于超聲波發(fā) 生器驅(qū)動的是換能器這一特殊負(fù)載，所以它在結(jié)構(gòu)上又有自己的特點(diǎn)。只有在同時進(jìn)行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個系統(tǒng)才算是達(dá)到了匹配，換能器才能正常工作。 超聲波 震蕩系統(tǒng) 超聲波振蕩系統(tǒng)的作用是將高頻電振蕩電能變?yōu)闄C(jī)械振動能 , 主要由超聲換能器、變幅桿及工具三個部分組成。磁致伸縮換能器可分為 2 類 :： 金屬磁致?lián)Q能器和鐵氧體磁致?lián)Q能器。 這使變幅桿設(shè)計的靈活性增大 , 也使與變幅桿連接在一起的刀具允許在加工中磨損后可重磨。 （ 2） 壓電效應(yīng)法 利用壓電晶片（材料）在外電場中隨電場方向的改變而形變發(fā)生相反變化的壓電效應(yīng)原理 , 將高頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動的器件稱為壓電換 能器。 但要得到 ～ 1 GHz 的超高頻超聲波換能器需要將壓電晶片做得非常薄 , 加工很困難 , 所以對超高頻超聲換能器采用濺射成形的氧化鋅薄膜 , 但是機(jī)電耦合系數(shù)低。 變幅桿及工具 變幅桿的作用是將來自換能器的超聲振幅由 ～ mm 放大至 ～ mm, 超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 14 以便進(jìn)行超聲波加工。此外 , 還有由 兩 種以上單一形狀組成的組合型。 目前 , 對超聲變幅桿的研究和優(yōu)化已廣泛應(yīng)用 了 CAD ／ CAM 技術(shù)和有限元分析技術(shù)。 工具是變幅桿的負(fù)載 , 其結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量大小以及與變幅桿連接的好壞 , 對超聲振動共振 頻率和超聲波加工性能均有很大影響。 采用中空變幅桿和工具在硬脆材料上加工深孔時 , 可通過變幅桿和工具的中心孔供給磨料 , 磨料供給能力得到增強(qiáng) , 使加工效率得到提高。運(yùn)動傳遞圖 [5][7]如圖 31 所示： 圖 31 食品切割裝置運(yùn)動傳遞圖 超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 16 下面結(jié)合簡圖對本設(shè)計作一些說明： 圖 32 所示為食品切割裝置 [8][9]加工的 食品切割裝置 ； 圖 33 所示為第一種食品的結(jié)構(gòu)，該食品 能由本切割 裝置切割而成； 圖 34 用曲線圖表示了在圖 33 所示的食 品切割過程中，本 設(shè)計 裝置的工作狀況； 圖 32 食品切割裝置加工示意圖 圖 33 層狀食品 1 示意圖 超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 17 圖 34 切割裝置工作曲線 圖 35 所示為能被本 設(shè)計 裝置切割而成的另一種食品結(jié)構(gòu)； 圖 36 是用曲線圖表示了在圖 35 所示的食品切割過程中，本 設(shè)計 裝置的工作情況； 圖 37 表示了涉及圖 36 中工作狀況的一種可能變形。 4 及裝置 3 工作的控制裝置 5（例如 PLC） 。 這對于在切割方向上具有非均勻特性的食品 A 是特別理想的。 另一方面，在圖 35 所示的食品 A 包括放在兩海綿狀層 S 之間的巧克力、焦糖或類似材料的中間層 K，該中間層基本上是呈固體狀的。 從以上說明，我們可以詳細(xì)地了解本食品切割裝置在切割食品時比其他食品切割裝置更具有它的優(yōu)越性。 其激振源采用專門設(shè)計的夾心式換能器實(shí)現(xiàn) ,可以產(chǎn)生 20 kHz 的超聲振動。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。本設(shè)計 中的超聲波發(fā)生器 J93025 的主要技術(shù)指標(biāo)如下 最大輸出功率頻率 ： ≥50W 調(diào)節(jié)范圍一 ： 16～ 24kHz 輸出阻抗 : 歐 在超聲波加工系統(tǒng)中，為了獲得最大振幅以提高加工效率，工作過程中應(yīng)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的頻率，使其與換能器振動系統(tǒng)的諧振頻率相等。壓電換能器具有結(jié)構(gòu)尺寸小、冷卻簡單、機(jī)械諧振頻率低、輸出振幅大、阻抗易于匹配、電聲轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn) ,特別適合大振幅超聲振動加工 ,因此 在設(shè)計中 采用軸向半波長夾心式壓電陶瓷換能器。壓電陶瓷片置于大截面圓柱內(nèi) ,其在大端的位置可以根據(jù)文獻(xiàn) [1]確定 。 圖 42 所示為 階梯形變幅桿 。所謂固有振動特性分析，是研究在無阻尼自由振動的條件下，變幅桿的固有特征，即固有頻率和振動應(yīng)力。 模態(tài)的有限元分析結(jié)果 在所指定的頻率范圍一內(nèi)，模態(tài)分析所得到的各種形狀的變幅桿的固有頻率如表51 所示。 本設(shè) 計中所采用的 復(fù)合型變幅桿在固有頻率 為 時，沿軸向位移分布數(shù)據(jù)見表 52。由此，研究與分析換能統(tǒng)的振動特性，對換能系統(tǒng)的性能評判與設(shè)計依據(jù)具有重要意義。通常的結(jié)構(gòu)有限單元分析過程可以概括為：通過各種標(biāo)準(zhǔn)元件的組合構(gòu)造出任意復(fù)雜的離散結(jié)構(gòu)分析模型，然后由相鄰單元公節(jié)點(diǎn)處的平衡條件，集成總體剛度方程，引入邊界條件建立結(jié)構(gòu)平衡方程并求得位移解。采用關(guān)鍵點(diǎn)生成面、網(wǎng)格劃分面、旋轉(zhuǎn) 生成體單元等方法建立有限元模型，模型包含 19716 個單元及 38905 個節(jié)點(diǎn)。由圖可見，在頻率為 56KHz 附近，整個超聲換能系統(tǒng)達(dá)到諧振狀態(tài)，其振動的位移為 米。這有益于了解超聲鍵合工藝流程，在換能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方面也有很大的作用。 超聲波食品切割機(jī)終于在切割機(jī)械裝置、超聲波系統(tǒng)主軸、以及他們之間的結(jié)合等方面有了一 套系統(tǒng)的設(shè)計方案。 參考文獻(xiàn) 超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 30 [1] 曹鳳國 ． 超聲加工技術(shù) [M]． 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ． 2021： 1～ 2， 27～ 93． [2] 林書玉 ． 功率超聲技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其最新進(jìn)展 [J]． 陜西師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版） ， 2021，29(1)： 101106． [3] 譚定忠等 ． 傳感器與測試技術(shù) [M]． 北京 ： 中央廣播電視大學(xué)出版社 ， 2021： 37～ 52． [4] 漆安慎 ， 杜嬋英 . 普通物理學(xué)教程 ： 力學(xué) [M]． 北京 ： 高等教育出版社 ． 1997,35～ 80． [5] 何銘新，錢可強(qiáng) ． 機(jī)械制圖 [M]． 北京：高等教育出版社， 2021： 25～ 116． [6] 濮良貴，紀(jì)名剛 ． 機(jī)械設(shè)計 [M]． 北京：高等教育