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超聲波加工以及機(jī)床設(shè)計(jì)-機(jī)械設(shè)計(jì)論(編輯修改稿)

2025-07-10 17:59 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 , ~1min 以內(nèi),可加工 18 片,尺寸精度可達(dá)正負(fù) 。 超聲波焊接加工 超聲波焊接是利用超聲波頻振動(dòng)作用,去除工件表面的氧化膜,使新的本體表面顯露出來(lái),并在兩個(gè)被焊工件表面分子的高速振動(dòng)撞擊下,摩擦發(fā)熱 , 親和粘接在一起。其不僅可以焊接尼龍、塑料及表面易生成氧化股的鋁制品等,還可以在陶瓷等 非金屬表面掛錫、掛銀、涂覆薄層。由于超聲波焊接不需要外加熱和焊劑,焊接熱影響區(qū)很小,施加壓力微小,故可焊接直徑或厚度很小的( ~)不同金屬材料,也可焊接塑料薄纖維及不規(guī)則形狀的硬熱塑料。目前,大規(guī)模集成電路引線連接等,已廣泛采用超聲波焊接。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 16 圖 211 超聲波焊接成型示意圖 超聲波清洗 超聲波清洗 主要用于幾何形狀復(fù)雜、清洗質(zhì)量要求高的中、小精密零件,特別是工件上的探小孔、微孔、彎孔、盲孔、溝槽、窄縫等部位的精清洗。采用其他清洗方法,效果差,甚至無(wú)法清洗,采用超聲波清洗則效 果好、生產(chǎn)率高。目前,在半導(dǎo)體和集成電路元件、儀表儀器零件、電真空器件、光學(xué)零件、精密機(jī)械零件、醫(yī)療器械、放射性污染等的清洗中應(yīng)用。 一般認(rèn)為,超聲波清洗是由于清洗液(水基清洗劑、氯化烴類溶劑、石油熔劑等 ) 應(yīng)超聲波波作用下產(chǎn)生空化效應(yīng)的結(jié)果??栈?yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波,直接作用到被清洗部位上的污物等,并使之脫落下來(lái);空化作用產(chǎn)生的空化氣泡滲透到污物與被清洗部位表面之間,促使污物脫落;在污物被清洗液溶解的情況下,空化效應(yīng)可加速溶解過程。 超聲波清洗時(shí),應(yīng)合理選擇工作頻率和聲壓強(qiáng)度,以產(chǎn)生良好的空化效應(yīng),提高清洗 效果。此外,清洗液的溫度不可過高,以防空化效應(yīng)的減弱,影響清洗效果。 圖 212 超聲波清洗示意圖 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 17 3. 超聲加工系統(tǒng)的計(jì)算分析 壓電換能器 縱向振動(dòng)壓電換能器設(shè)計(jì)計(jì)算 這種換能器由壓電陶瓷片、電極片、聲頭反射罩和螺母組成,通過一個(gè)螺柱緊固連接 圖 31 20KHz 縱向振動(dòng)壓電換能器 該壓電換能器有四塊壓電陶瓷片,四塊電機(jī)片,壓電陶瓷片厚 6mm,外圓直徑 50mm,內(nèi)圓直徑 16mm,在裝配時(shí),依靠連接螺桿和聲頭以及螺母的螺紋連接,將整個(gè)換能器固成一體。 該換能器的技術(shù)條 件如下: ( 1) 壓電陶瓷選擇 PZT4,直徑 50mm,中心孔直徑 20mm,厚度 6mm,四片,K33=,ρ 0=, C0= 106mm/s ; ( 2) 聲頭和反射罩均采用鋁合金,直徑 50mm,ρ 1=ρ 2=, C1=C2=106mm/s; ( 3) 電極選取薄電極片,厚為 。 圖 31 所示波節(jié)點(diǎn)位于電極片所在的截面上; l0為壓電晶堆的厚度, l1為反射罩的長(zhǎng)度, l2為聲頭的長(zhǎng)度,曲線 U表示振幅變化曲線。在設(shè)計(jì)時(shí),考慮到壓電晶杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 18 堆較厚,利用聲傳輸線原理,得諧振頻率方程 103311010 31t a nt a n ZZklklk ???? ( 31) 式中, 110010111000Z22CCZCfCkCfCk??????????? 帶入式 31 后得 11003311001 312t a n2t a n CCkC flCfl ???? ???? ( 32) 端面的距離為表示為波節(jié)面至反射罩01l mml ? ; K33=; 將所有數(shù)據(jù)帶入式 32 得諧振頻率為 KHzf ? ; 以上計(jì)算所得的換能器諧振頻率數(shù)值,以接近要求的 20KHz,但是在理想條件下設(shè)計(jì)的;當(dāng)材料和尺寸確定后,它的 4? 為定值。因?yàn)閵A心式壓電換能器是非均勻的、多種材料復(fù)合而成的,同時(shí)由于材料的成分、雜志和加工精度等多方面因素的影響,諧振頻率會(huì)產(chǎn)生差異,需要隨時(shí)修正。一般情況下,若頻率偏低,需增加 4? 的長(zhǎng)度,若頻率過高,需要修正過渡面,加大曲率以降低頻率。 換能器制造 為保證換能器的性能,對(duì)壓電陶瓷片有如下要求: ( 1) 壓電陶瓷片銀層表面要均勻,附著力好,無(wú)裂痕,兩表面要求平整; ( 2) 多片壓電陶瓷片阻抗要接 近,并標(biāo)好壓電陶瓷片的特性,必要時(shí)要進(jìn)行分組。 對(duì)換能器其他零部件的材料選擇及加工要求如下: 前后蓋板一般采用 45 號(hào)鋼或鋁合金,電極片要有一定的機(jī)械強(qiáng)度,導(dǎo)電導(dǎo)熱性好,膨脹系數(shù)盡量與壓電陶瓷接近。對(duì)于三種零件,材料內(nèi)部均要求結(jié)構(gòu)緊密,無(wú)縮孔,特別是壓電陶瓷片與金屬塊的所有接觸面平整度均要求達(dá)到幾微米。 連接螺桿是夾心式壓電換能器的關(guān)鍵零件之一,它的質(zhì)量好壞也直接影響到換能器的壽命。因?yàn)槁輻U連接兩金屬塊并要求夾緊壓電陶瓷片,它在緊固時(shí)收到杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 19 一定的拉力,在工作時(shí)又收到較大的動(dòng)態(tài)應(yīng)力,故要求選用 40Cr 或其他強(qiáng)度較 大的材料。為了避免應(yīng)力集中,螺桿與螺桿頭連接處要圓滑過渡。螺桿在滿足強(qiáng)度要求的情況下,要盡量減小截面積,以提高它的動(dòng)態(tài)順性。 夾心式壓電換能器裝配時(shí),壓電陶瓷片與金屬塊接觸良好與否,預(yù)緊力的大小,對(duì)諧振頻率和阻抗的影響很大。裝配前對(duì)壓電陶瓷片、前后蓋板,電極片的接觸面都要進(jìn)行嚴(yán)格的清洗處理,并保證三者同心。裝配時(shí)要注意壓電片的極化方向。夾心式換能器的裝配工藝關(guān)鍵是確定和保持施加在壓電陶瓷片上的預(yù)壓力。對(duì)于單螺桿結(jié)構(gòu),擰緊時(shí)要使壓電陶瓷片與金屬塊壓緊,然后擰緊,對(duì)壓電陶瓷片的預(yù)應(yīng)力約為 3000~3500N/cm2. 換能器裝配完成后,為提高其穩(wěn)定性,還需要對(duì)換能器進(jìn)行老化處理。另外,在超生換能器工作過程中,聲波的熱效應(yīng)、各接觸面之間的聲損耗、摩擦熱以及電聲轉(zhuǎn)換過程中的損耗等都會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。因此,換能器工作時(shí)必須進(jìn)行冷卻。換能器的冷卻方式因換能器的類型不同而異。常見的冷卻方式有:自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱、水冷、熱管散熱器、半導(dǎo)體制冷、干冷、液氮等。強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱在實(shí)踐應(yīng)用中最易實(shí)現(xiàn):在換能器后加一風(fēng)扇,風(fēng)扇的開關(guān)可由超聲波發(fā)生器控制,當(dāng)超聲波發(fā)生器工作時(shí),風(fēng)扇開始工作。試驗(yàn)結(jié)果表明,風(fēng)扇的散熱比較理想 [1]。 換能器的測(cè)試 換能器工作頻率有高有低,功率大小不一,使用要求各不相同,并且換能器的性能參數(shù)與輸入電功率的大小、環(huán)境靜壓力及濕度有關(guān)。因此換能器設(shè)計(jì)計(jì)算后,應(yīng)在換能器的實(shí)際工作條件下進(jìn)行其性能參數(shù)的測(cè)量。由于此比較費(fèi)時(shí),牽涉的技術(shù)問題較多,目前尚無(wú)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。下面介紹一種在一般的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備所能達(dá)到的條件下的測(cè)量方法。此種測(cè)量方法通常輸入功率較小,測(cè)量頻率一般在幾百赫茲到幾千赫茲范圍內(nèi)。盡管這種測(cè)量方法比較簡(jiǎn)單,但是它能反映換能器在小信號(hào)工作時(shí)的性能狀況,并且設(shè)計(jì)的換能器只有經(jīng)過小功率信號(hào)測(cè)量以后才 能做進(jìn)一步的測(cè)試。通過分析比較測(cè)量得出的參數(shù)值可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)不斷地修正和改進(jìn)換能器的結(jié)構(gòu)尺寸。 由諧振理論可知,壓電換能器在最小阻抗頻率 mf 附近,存在一個(gè)使信號(hào)電壓與電流同向的頻率,這個(gè)頻率即是換能器的諧振頻率。當(dāng)換能器工作在諧振頻率時(shí),其等效阻抗最小,其主回路中電流值最大?;谝陨显恚」β市盘?hào)換能器測(cè)試方法的測(cè)量電路如圖 32 所示 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 20 圖 32 小功率信號(hào)換能器頻率阻抗測(cè)試電路 測(cè)試步驟如下:首先將壓電換能器接入電路 中,改變輸入信號(hào)的頻率,從低頻方向慢慢想高頻方向變化,通過毫伏表讀取電阻 R 的電壓值的變化,觀察流過壓電換能器的電流 I 隨輸入信號(hào)頻率 f 的變化。當(dāng)信號(hào)頻率達(dá)到某一頻率 mf 時(shí)電流出現(xiàn)最大值 Imax,此時(shí)的頻率 mf 即為換能器的諧振頻率;繼續(xù)增大信號(hào)頻率,電路隨之下降,當(dāng)信號(hào)頻率 等于另一個(gè)頻率 nf 時(shí),電流出現(xiàn)最小值 In。這說(shuō)明壓電換能器的等效阻抗在隨頻率的變化而變化。記錄下 mf 和 Im的值,此時(shí)的頻率與電阻值近似為換能器的諧振頻率與諧振狀態(tài)下的等效阻抗。然后將開關(guān)打到左側(cè),將電阻箱接入電路中,使輸入信號(hào)的頻率保持在 mf ;然后通過調(diào)整變阻箱的組織,使 通過 R 電流為 Im,記錄此時(shí)電阻箱電阻的讀數(shù),記為 Z0。這就是呀嗲換能器諧振狀態(tài)下的等效電阻值,也即換能器的最小阻抗值。 上述方法測(cè)試費(fèi)用低,操作簡(jiǎn)單。目前研究人員正在越來(lái)越多的使用先進(jìn)測(cè)試儀器測(cè)試壓電換能器的聲學(xué)參數(shù) [1]。 變幅桿 變截面桿縱向振動(dòng)的波動(dòng)方程 為了研究方便,現(xiàn)給出幾個(gè)假設(shè)(在桿的橫截面尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí),這些假設(shè)是允許的) (1)變截面桿由均勻、各向同性材料構(gòu)成; (2)機(jī)械損耗很小,可以忽略不計(jì); 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 21 (3)桿中通過的彈性波波陣面是平面,即在稈的橫截面上應(yīng)力分布是均勻的; (4)平面縱波沿桿軸 向傳播。 圖 33 為一變截面桿,其對(duì)稱袖為坐際軸 x ,作用在小體積元 ( dxxx ?, )上的張應(yīng)力為 dxx??? ,根據(jù)牛頓定律可以寫出動(dòng)力學(xué)方程 ? ? dxtAdxxA22????? ??? ( 33) 式中 A—— 桿的橫截面積函數(shù), ? ?xAA? ; ?—— 質(zhì)點(diǎn)位移函數(shù), ? ?x??? ; ?—— 應(yīng)力函數(shù), ? ? xEx ???? ??? 。 在簡(jiǎn)諧振動(dòng)的情況下,式 (33)可寫成 01 222 ??????????? ??? KxxAAx ( 34) 式中 K—— 圓波數(shù), cK ?? ; c—— 縱波在細(xì)棒中的傳播速度?Ec? 。 式 (34)就是變截面桿縱振動(dòng)的波動(dòng)方程。下面將利用式 (34)來(lái)分析超聲加工技術(shù)中最常用的圓錐形變幅桿。 圖 33 變截面桿縱向振動(dòng) 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 22 圓錐形變幅桿 圖 34 為圓錐形變幅桿,坐標(biāo)原點(diǎn) 0?x 處的直徑為 1D , lx? 處的直徑為 2D ,函數(shù)關(guān)系為 ? ?? ?xDD xAA ???? ?? 11121 式中 NlNlD DD 11 21 ????? 21DDN? 圖 34 圓錐形變幅桿 設(shè)作用在變幅桿兩端面的力和振動(dòng)速度分別為 和 ,此時(shí)方程 (34)的解為 ? ?KxaKxax s i nc o s1121 ????? ( 341) ? ?KxKaKxKaxx c o ss i n1121 ???????? ? ?KxaKxaxs i nc o s11 212 ??????? ??? ( 342) ( 1) 頻率方程和諧振長(zhǎng)度 由式( 342)及邊界條件 00 ?????? ?? lxx xx ?? 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 23 可得到頻率方程 ? ?)1(1 2 ?????????lKKlKltg?? ( 343) 或 ? ? 22 )(11)( KlNNKlKltg??? ( 344) 由式( 344)求出根 ? ?0Kl 之后,可由下式求出變幅桿的諧振長(zhǎng)度 ? ?02 Kll ??? ( 345) ( 2) 位移節(jié)點(diǎn) 由式( 341)和( 342)利用邊界條件 0010 ???? ?? xx x??? 可以確定常數(shù) Kaa 1211 ??? ??? 將 21,aa 代入式 (341)得質(zhì)點(diǎn)位移表達(dá)式為 ?????? ??? KxKKxax s i nc os1 11 ??? ( 345) 應(yīng)變分布表達(dá)式為 ? ? ?????? ????????? ????? KxKKxxKKxKKxxx c oss i n1s i nc os1 121 ???????? ( 346) 在式( 345)中令 0?? ,得位移節(jié)點(diǎn) 0x ??????? ?Kar ctgKx 10 ( 347) ( 3) 放大系數(shù) pM ?????? ???
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