【文章內(nèi)容簡介】 要是利用磨料顆粒的“連續(xù)沖擊”作用。由于超聲振動的加速度是非常大的，所以磨料顆粒的加速度（或沖擊力）也是非常大的。無數(shù)磨料顆粒連續(xù)不斷的沖擊，可使加工工件的表面破碎和去除。假如不用磨料而只用振動著的超聲工具頭直接縱向“錘擊”工件表面，那只能使工件表面產(chǎn)生損傷，實際上材料并沒有被去除。只有依靠切變應力才能將材料去除，磨料在超聲工具頭的沖擊下產(chǎn)生的應力含有切向成分，此切向分量對加工過程中材料的去除起重要作用。另外，磨料懸浮中的超聲空化效應對加工也有很大的作用。超聲加工常用的頻率是從20kHz到40kHz，位移振幅在10~100μm之間。當頻率一定時，增大振幅可以提高加工速度，但振幅不能過大，否則會使振動系統(tǒng)超出疲勞強度范圍而損壞。同樣，當位移振幅一定，而頻率增高時，也可提高加工速度，但頻率提高后，振動能量的損耗將增大。因此，一般多采用比較低的超聲頻率。超聲波加工系統(tǒng)一般主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、以及一些輔助裝置組成。如下我將主要部分作進一步介紹。超聲波發(fā)生器分模擬電路超聲波發(fā)生器和數(shù)字電路超聲波發(fā)生器，這里主要講述模擬電路超聲波發(fā)生器。其模擬電路超聲波發(fā)生器組成如下圖22所示。圖 22 震蕩放大型超聲波發(fā)生器方框圖（1） 超聲波震蕩器超聲波震蕩器的作用是產(chǎn)生一個一定頻率的信號，用以推動后面的放大部分。它可以是一個獨立的震蕩器，也可以是一個反饋網(wǎng)絡。習慣上，把前一種稱為它激式超聲波發(fā)生器，后一種則稱為自激式超聲波發(fā)生器。其震蕩器的類型有：RC正弦波震蕩器、LC正弦波震蕩器、壓控震蕩器等。電路圖如下圖23所示。圖23 超聲波震蕩器的幾種類型（2）超聲波放大器超聲波放大器的作用是將震蕩信號放大至所需電平。放大部分可以是單級的，也可以是多級的，主要看輸出功率的需要。①橋式功率放大器橋式功率放大器可分成半橋式功率放大器和全橋式功率放大器兩種形式。其工作原理圖如下圖2圖25所示。 圖24半橋式功率放大器圖25全橋式功率放大器 (3) 匹配電路超聲波發(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。一般放大器與負載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項很重要的內(nèi)容——調(diào)諧，即選用一定值的電抗元件，使之在工作頻率上與負載中的電抗成分諧振。只有在同時進行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個系統(tǒng)才算是達到了匹配，換能器才能正常地工作。超聲換能器是超聲振動系統(tǒng)的核心部件。超聲加工處理設備利用超聲換能器的作用將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電能轉(zhuǎn)換成超聲振動的機械能，并通過變幅桿進行振幅放大和聚能后再傳輸?shù)焦ぞ哳^，進而實現(xiàn)對工件的超聲加工處理。目前，廣泛采用的超聲換能器主要有磁致伸縮換能器和壓電換能器兩大類。(1)磁致伸縮換能器 ①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而成，如圖26所示。當線圈中通以一定直流電流Io產(chǎn)生最佳偏磁場Ho后，再通過以交變電流I使其產(chǎn)生交變磁場H~，使H~重疊于Ho之上，由此鐵芯中的磁場將在Ho水平上變化。在交變磁場H~的作用下，由于材料的磁致伸縮效應，換能器兩端面產(chǎn)生與交流電頻率相同的交變伸縮，當交變電流的頻率與換能器的共振頻率一致時，換能器端部振動最強烈，由此從換能器兩端面向介質(zhì)輻射出超聲波 圖26 磁致伸縮換能器②磁致伸縮換能器的結(jié)構和特點A、窗式換能器窗式換能器是由薄片磁致伸縮金屬材料，經(jīng)沖孔成型，氧化絕緣、疊集成塊、退火等工藝制成。由于它是由許多薄片集成而成，疊片上有孔，所以被稱為窗式換能器。其結(jié)構形式如圖27 所示 。圖27窗式磁致伸縮換能器這種換能器的特點是從兩端面輻射超聲波。~。因為金屬材料的電阻率低，因此片與片之間需要氧化絕緣，以減少渦流損耗。疊片上有孔，在疊片中形成閉合磁回路，漏磁少，并有利于散熱。隨選用的疊片多少，可以獲得不同的輻射面積。通常，輻射面的形狀采用正方形。B、環(huán)形換能器環(huán)形磁致伸縮換能器也是由薄片磁致伸縮金屬材料，經(jīng)沖孔成型、氧化絕緣、疊集成塊、退火等工藝制成其結(jié)構形式如圖28所示。圖28 環(huán)形磁致伸縮換能器這種類型換能器的特點是：當線圈中同時通過偏磁電流和交變流后，圓環(huán)受到磁致伸縮應力的作用，沿圓周產(chǎn)生長度伸縮的變化，因而產(chǎn)生徑向振動，可以自圓環(huán)內(nèi)側(cè)面 (圖 28 a ) 或外側(cè)面 (圖 28 b )向周圍介質(zhì)輻射超聲波。(2)壓電換能器①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，即壓電晶體的逆壓電效應而制成的，如圖29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，在該壓電片兩極間加上電場。有兩種情況出現(xiàn)：。外加電場起到了使壓電片的極化強度增大的作用。極化強度的增大，使壓電片沿極化方向產(chǎn)生伸長的形變。反向電場將削弱壓電片的極化強度，使得壓電片沿極化方向產(chǎn)生縮短的形變。圖29壓電換能器的工作原理利用這兩種現(xiàn)象，將外加電場換為交變電場時，壓電片就會產(chǎn)生與交變電場同頻率的交變形變，從而使壓電片兩面向外輻射聲波。當外加電場頻率與壓電片固有頻率相同產(chǎn)生諧振時，壓電片振動最大，聲輻射也最強烈。②壓電換能器的結(jié)構形式超聲加工處理設備中常用的壓電換能器結(jié)構形式有：薄長片形換能器、圓環(huán)形換能器、薄圓片形換能器和夾心式換能器。其結(jié)構圖形如下圖210所示。圖210 壓電換能器的結(jié)構超聲變幅桿，又稱超聲變速桿、超聲聚能器，其外形通常為變截面桿，是超聲加工處理設備中超聲振動系統(tǒng)的重要組成部分之一。在超聲振動系統(tǒng)工作過程中，由超聲換能器輻射面所產(chǎn)生的振動幅度較小，所以必須借助變幅桿的作用將機械振動質(zhì)點的位移量和運動速度進行放大，并將超聲能量聚集在較小的面積上，產(chǎn)生聚能作用。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。此外在超聲加工處理設備的結(jié)構工藝上，通常在變幅桿或半波長等截面桿的波節(jié)平面處加帶一個法蘭盤，利用法蘭盤將超聲振動系統(tǒng)固裝在超聲設備上。在向高溫介質(zhì)或腐蝕介質(zhì)幅輻射超聲能量時，還可以借助于變幅桿把換能器與惡劣環(huán)境隔離開，使換能器避免被腐蝕，減少受到熱的影響。變幅桿可分為縱向振動變幅桿、彎曲振動變幅桿。其中縱向振動變幅桿可分為簡單形、復合形。簡單形又可分為指數(shù)形、圓錐形、懸鏈形、階梯形。而復合形是由各種簡單形變幅桿根據(jù)實際需要組合而成的。（1）單一變幅桿超聲變幅桿的性能主要是由變幅桿的共振長度L,放大系數(shù)Mp，形狀因數(shù)ψ，位移節(jié)點xo，輸入力阻抗Zi和彎曲勁度參數(shù)加以描述。其中Mp是指變幅桿工作在共振頻率時，輸出端與輸入端的質(zhì)點位移或速度的比值；形狀因數(shù)ψ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最大振動速度也越大。輸入阻抗Zi定義為輸入端策動力與質(zhì)點振動速度的復數(shù)。在實際應用中常常要求輸入力阻抗隨頻率及負荷的變化而變化的幅度要小，彎曲勁度是彎曲柔順性的倒數(shù)，彎曲勁度也與變幅桿的幾何形狀有關。變幅桿越長，彎曲柔順性越大，在許多實際應用中這是需要避免的。單一變截面桿如圖211所示。圖211單一變幅桿（2）復合變幅桿在高強度超聲應用中，常常要求變幅桿末端具有很大的振動幅度，這就要求變幅桿的形狀因數(shù)ψ及放大系數(shù)Mp值都盡可能的大，單一變幅桿的ψ值和Mp值常出現(xiàn)此優(yōu)彼劣的現(xiàn)象，很難二者兼顧。為了改變這一狀況，就必須采用復合變幅桿的形式來彌補不足以提高其輸出性能。在有些應用場合需要特別高的振動速度時，也常用到長度滿足共振條件的復合形變幅桿。圖212為三段復合變幅桿。其中Ⅰ和Ⅲ段為等截面桿，Ⅱ段為變截面桿，而變截面桿可以是指數(shù)形、圓錐形或懸鏈線形等不同形式。如果兩等截面桿的長度相等，則構成具有變截面過渡段的階梯形變幅桿。當Ⅰ或Ⅲ的任一段為零，則可構成兩段復合變幅度桿。圖212 三段復合變幅桿3 小型超聲波鉆床設計根據(jù)以上敘述的超聲波加工原理，可以設計出一臺簡單的超聲波鉆床，并且通過與普通鉆床其性能進行對比，探討總結(jié)出超聲波鉆床的工性能。一般超聲波鉆床由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和輔助機構等組成。要設計超聲鉆床，也就從這幾個方面入手，詳細的設計步驟見下面。 超聲波發(fā)生器的選用由于超聲波發(fā)生器內(nèi)部電路等結(jié)構較復雜， 由于知識有限這里進行適當選用即可。 超聲波換能器的設計由于壓電式換能器較易實現(xiàn)，這里設計選擇壓電陶瓷型換能器。壓電換能器有以下幾個部分組成，如下圖31所示：圖31 超聲波換能器結(jié)構示意圖如圖，超聲波換能器將接受到的超聲波信號由壓電陶瓷的“逆壓電效應”轉(zhuǎn)換成機械的振動。其組成部件十分簡單，除壓電陶瓷、電極需要買賣外，其余部件可通過車削45鋼的方式得到。實物如下圖32所示：圖 32 超聲波換能器 變幅桿設計（1）變幅桿的材料一般選用材質(zhì)均勻、材料疲勞強度高、易加工的結(jié)構鋼，一般性的選用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼；（2）大圓錐體端部與超聲換能器配合，度表面的粗糙度有較高的要求，（3）變幅桿的小端圓柱半徑R2大小直接影響放大倍數(shù)，故R2不易取太大；（4）變幅桿的聯(lián)接采用細牙螺紋，以免振動過程中松脫。根據(jù)變幅桿的基本知識及實際的應用。變幅桿的形式為圓錐平滑階梯復合型效果最好，其結(jié)構圖如下圖33所示。一般取L1=λ/4，使界面位置位于圓錐體與圓柱體的交界處，這一位置的振幅最小。圖33變幅桿結(jié)構圖對于圓錐平滑彈性體：頻率方程如下： 31振幅放大系數(shù)為： 32由上式可知：放大系數(shù)與RRLL2有關，L3又由L2確定