【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 ?????? ???