【文章內容簡介】 ， ~1min 以內，可加工 18 片，尺寸精度可達正負 。 超聲波焊接加工 超聲波焊接是利用超聲波頻振動作用，去除工件表面的氧化膜，使新的本體表面顯露出來，并在兩個被焊工件表面分子的高速振動撞擊下，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雜、清洗質量要求高的中、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，甚至無法清洗，采用超聲波清洗則效 果好、生產率高。目前，在半導體和集成電路元件、儀表儀器零件、電真空器件、光學零件、精密機械零件、醫(yī)療器械、放射性污染等的清洗中應用。 一般認為，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 ） 應超聲波波作用下產生空化效應的結果?？栈a生的強烈沖擊波，直接作用到被清洗部位上的污物等，并使之脫落下來；空化作用產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，空化效應可加速溶解過程。 超聲波清洗時，應合理選擇工作頻率和聲壓強度，以產生良好的空化效應，提高清洗 效果。此外，清洗液的溫度不可過高，以防空化效應的減弱，影響清洗效果。 圖 212 超聲波清洗示意圖 杭州電子科技大學本科畢業(yè)論文 17 3. 超聲加工系統(tǒng)的計算分析 壓電換能器 縱向振動壓電換能器設計計算 這種換能器由壓電陶瓷片、電極片、聲頭反射罩和螺母組成，通過一個螺柱緊固連接 圖 31 20KHz 縱向振動壓電換能器 該壓電換能器有四塊壓電陶瓷片，四塊電機片，壓電陶瓷片厚 6mm，外圓直徑 50mm，內圓直徑 16mm，在裝配時，依靠連接螺桿和聲頭以及螺母的螺紋連接，將整個換能器固成一體。 該換能器的技術條 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為反射罩的長度， l2為聲頭的長度，曲線 U表示振幅變化曲線。在設計時，考慮到壓電晶杭州電子科技大學本科畢業(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=； 將所有數據帶入式 32 得諧振頻率為 KHzf ? ； 以上計算所得的換能器諧振頻率數值，以接近要求的 20KHz，但是在理想條件下設計的；當材料和尺寸確定后，它的 4? 為定值。因為夾心式壓電換能器是非均勻的、多種材料復合而成的，同時由于材料的成分、雜志和加工精度等多方面因素的影響，諧振頻率會產生差異，需要隨時修正。一般情況下，若頻率偏低，需增加 4? 的長度，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，無裂痕，兩表面要求平整； （ 2） 多片壓電陶瓷片阻抗要接 近，并標好壓電陶瓷片的特性，必要時要進行分組。 對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 號鋼或鋁合金，電極片要有一定的機械強度，導電導熱性好，膨脹系數盡量與壓電陶瓷接近。對于三種零件，材料內部均要求結構緊密，無縮孔，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到幾微米。 連接螺桿是夾心式壓電換能器的關鍵零件之一，它的質量好壞也直接影響到換能器的壽命。因為螺桿連接兩金屬塊并要求夾緊壓電陶瓷片，它在緊固時收到杭州電子科技大學本科畢業(yè)論文 19 一定的拉力，在工作時又收到較大的動態(tài)應力，故要求選用 40Cr 或其他強度較 大的材料。為了避免應力集中，螺桿與螺桿頭連接處要圓滑過渡。螺桿在滿足強度要求的情況下，要盡量減小截面積，以提高它的動態(tài)順性。 夾心式壓電換能器裝配時，壓電陶瓷片與金屬塊接觸良好與否，預緊力的大小，對諧振頻率和阻抗的影響很大。裝配前對壓電陶瓷片、前后蓋板，電極片的接觸面都要進行嚴格的清洗處理，并保證三者同心。裝配時要注意壓電片的極化方向。夾心式換能器的裝配工藝關鍵是確定和保持施加在壓電陶瓷片上的預壓力。對于單螺桿結構，擰緊時要使壓電陶瓷片與金屬塊壓緊，然后擰緊，對壓電陶瓷片的預應力約為 3000~3500N/cm2. 換能器裝配完成后，為提高其穩(wěn)定性，還需要對換能器進行老化處理。另外，在超生換能器工作過程中，聲波的熱效應、各接觸面之間的聲損耗、摩擦熱以及電聲轉換過程中的損耗等都會產生大量的熱量。因此，換能器工作時必須進行冷卻。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：自然風冷、強迫風冷散熱、水冷、熱管散熱器、半導體制冷、干冷、液氮等。強迫風冷散熱在實踐應用中最易實現：在換能器后加一風扇，風扇的開關可由超聲波發(fā)生器控制，當超聲波發(fā)生器工作時，風扇開始工作。試驗結果表明，風扇的散熱比較理想 [1]。 換能器的測試 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與輸入電功率的大小、環(huán)境靜壓力及濕度有關。因此換能器設計計算后，應在換能器的實際工作條件下進行其性能參數的測量。由于此比較費時，牽涉的技術問題較多，目前尚無測試標準。下面介紹一種在一般的實驗室設備所能達到的條件下的測量方法。此種測量方法通常輸入功率較小，測量頻率一般在幾百赫茲到幾千赫茲范圍內。盡管這種測量方法比較簡單，但是它能反映換能器在小信號工作時的性能狀況，并且設計的換能器只有經過小功率信號測量以后才 能做進一步的測試。通過分析比較測量得出的參數值可根據實際需要來不斷地修正和改進換能器的結構尺寸。 由諧振理論可知，壓電換能器在最小阻抗頻率 mf 附近，存在一個使信號電壓與電流同向的頻率，這個頻率即是換能器的諧振頻率。當換能器工作在諧振頻率時，其等效阻抗最小，其主回路中電流值最大。基于以上原理，小功率信號換能器測試方法的測量電路如圖 32 所示 杭州電子科技大學本科畢業(yè)論文 20 圖 32 小功率信號換能器頻率阻抗測試電路 測試步驟如下：首先將壓電換能器接入電路 中，改變輸入信號的頻率，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 隨輸入信號頻率 f 的變化。當信號頻率達到某一頻率 mf 時電流出現最大值 Imax，此時的頻率 mf 即為換能器的諧振頻率；繼續(xù)增大信號頻率，電路隨之下降，當信號頻率 等于另一個頻率 nf 時，電流出現最小值 In。這說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。然后將開關打到左側，將電阻箱接入電路中，使輸入信號的頻率保持在 mf ；然后通過調整變阻箱的組織，使 通過 R 電流為 Im，記錄此時電阻箱電阻的讀數，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。 上述方法測試費用低，操作簡單。目前研究人員正在越來越多的使用先進測試儀器測試壓電換能器的聲學參數 [1]。 變幅桿 變截面桿縱向振動的波動方程 為了研究方便，現給出幾個假設（在桿的橫截面尺寸遠小于波長時，這些假設是允許的） (1)變截面桿由均勻、各向同性材料構成； (2)機械損耗很小，可以忽略不計； 杭州電子科技大學本科畢業(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，其對稱袖為坐際軸 x ，作用在小體積元 ( dxxx ?, )上的張應力為 dxx??? ，根據牛頓定律可以寫出動力學方程 ? ? dxtAdxxA22????? ??? （ 33） 式中 A—— 桿的橫截面積函數， ? ?xAA? ； ?—— 質點位移函數， ? ?x??? ； ?—— 應力函數， ? ? xEx ???? ??? 。 在簡諧振動的情況下，式 (33)可寫成 01 222 ??????????? ??? KxxAAx （ 34） 式中 K—— 圓波數， cK ?? ； c—— 縱波在細棒中的傳播速度?Ec? 。 式 (34)就是變截面桿縱振動的波動方程。下面將利用式 (34)來分析超聲加工技術中最常用的圓錐形變幅桿。 圖 33 變截面桿縱向振動 杭州電子科技大學本科畢業(yè)論文 22 圓錐形變幅桿 圖 34 為圓錐形變幅桿，坐標原點 0?x 處的直徑為 1D ， lx? 處的直徑為 2D ，函數關系為 ? ?? ?xDD xAA ???? ?? 11121 式中 NlNlD DD 11 21 ????? 21DDN? 圖 34 圓錐形變幅桿 設作用在變幅桿兩端面的力和振動速度分別為 和 ，此時方程 (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） 頻率方程和諧振長度 由式（ 342）及邊界條件 00 ?????? ?? lxx xx ?? 杭州電子科技大學本科畢業(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度 ? ?02 Kll ??? （ 345） （ 2） 位移節(jié)點 由式（ 341）和（ 342）利用邊界條件 0010 ???? ?? xx x??? 可以確定常數 Kaa 1211 ??? ??? 將 21,aa 代入式 (341)得質點位移表達式為 ?????? ??? KxKKxax s i nc os1 11 ??? （ 345） 應變分布表達式為 ? ? ?????? ????????? ????? KxKKxxKKxKKxxx c oss i n1s i nc os1 121 ???????? （ 346） 在式（ 345）中令 0?? ，得位移節(jié)點 0x ??????? ?Kar ctgKx 10 （ 347） （ 3） 放大系數 pM ?????? ???