【文章內容簡介】 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)生器產生的超聲頻電能轉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，下面我們將根據(jù)材料的特性和換能器的工作原理對這兩類換能器分別進行討論。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線圈面成，如圖2—3所示。當線圈中通以—定直流電流產生最佳偏磁場后，再通以交變電流I使其產生交變磁場，位移作用于之上，由此鐵芯中的磁場將在水平上變化。在交變磁場的作用下，由于材料的磁致伸縮效應(焦耳效應)，換能器兩端面產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，換能器短部振動最強烈，由此從換能器兩端面向介質輻射出超聲波。圖2—3 磁致伸縮換能器 磁致伸縮換能器的材料對用于磁致伸縮換能器材料的基本要求：1) 磁致伸縮應力常數(shù)要盡可能大；2) 磁滯及渦流損耗要盡可能??；3) 對高強度輻射換能器所用的材料，飽和磁致伸縮值要大；4) 材料疲勞強度要高；5) 對于金屬磁致伸縮材料，要易于軋制成薄片及加工成型。 常用磁致伸縮材料可分為兩大類，一類是金屬磁致伸縮材料，如鎳、鐵鈷合金、鋁鐵合金等；另—類是鐵氧體磁致伸縮材料。常用的鐵氧體磁致伸縮材料有鎳銅系和鎳鋅系鐵氧體。壓電換能器2．1 晶體的壓電效應及壓電換能器的工作原理 (1)晶體的壓電效應 具有壓電性能的晶體統(tǒng)稱為壓電晶體。對這種晶體在適當?shù)姆较蛏鲜┘幼饔昧r，其內部的電極化狀態(tài)會發(fā)生變化，產生內部電場，并會在壓電晶體相對兩表面內出現(xiàn)與外力成正比的、符號相反的束縛電荷，這種外力作用使壓電晶體帶電的現(xiàn)象叫做壓電效應。相反，若在壓電晶體上加一外電場，在此電場作用下，壓電晶體內部電極化狀態(tài)會發(fā)生相應的變化，產生與外加電場強度成正比的應變現(xiàn)象、這一現(xiàn)象叫做逆壓電效應。壓電晶體通過逆壓電效應可以將電能轉換成機械能。其他壓電材料(包括壓電陶瓷等材料)也具有上述特性。 有兩種壓電效應是很常用的，一種是形變的方向與電場的方向相重合，這種壓電效應如圖24所示，稱之為縱向壓電效應；另一種是形變的方向與電場的方向相垂直，這種壓電效應如圖2—5所示，稱之為橫向壓電效應。圖 2—4 縱向壓電效應 圖 2—5 橫向壓電效應(2)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生形變的特性，即上述壓電晶體的逆壓電效應而制成的超聲換能器，如圖2—6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，在該壓電片兩電極間加上電場。可能出現(xiàn)兩種情況：圖2—6 壓電換能器的工作原理1) 外加電場與壓電片極化方向相同。外加電場起到了使壓電片的極化度增大的作用。極化強度的增大，使壓電片沿極化方向產生伸長的形變。2) 外加電場與極化方向相反。反向電場將削弱壓電片的極化強度，使壓電片沿極化方向產生縮短的形變。 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生諧振時，壓電片振動最大，聲輻射也最強烈。2．2 壓電換能器的結構形式。 超聲加工處理設備中常用的壓電換能器結構形式有以下幾類： ①薄長片形換能器； ②圓環(huán)形換能器； ③薄圓片形換能器，又分薄圓片換能器和薄圓片加透聲板的復合換能器； ④夾心式換能器，又分螺桿夾心式換能器、脹力殼夾心式換能器、多孔結構寬頻帶夾心式換能器。圖27薄長片形換能器 圖28圓環(huán)形換能器3) 變幅桿1 概述 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生的振動幅度較小，當工作頻率在20kHz范圍內超聲換能器輻射面的振幅只有幾微米，而在超聲加工、超聲焊接、超聲搪錫、超聲破壞細胞、超聲金屬成型(包括超聲冷拔管絲和鉚接)等大量高強度超聲應用中所需要的振幅大約為幾十至幾百微米，所以必須借助變幅桿的作用將機械振動質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構工藝上，通常在變幅桿或半波長等截面桿(即振幅放大倍數(shù)等于1)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。在向高溫介質或腐蝕介質輻射超聲能量時，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、扭轉振動變幅桿。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?？v向振動變幅桿—單一變幅桿(1)單一變幅桿的特件參數(shù)超聲變幅桿的性能主要是由變幅桿的共振長度，放大系數(shù)，形狀因數(shù)，位移節(jié)點，輸入力阻抗和彎曲勁度等參數(shù)加以描述的。其中放大系數(shù)是指變幅桿工作在共振頻率時，輸出端與輸入端的質點位移或速度的比值；形狀因數(shù)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的最大振動速度也越大。如等截面桿的值為1，常用變幅桿的值都接近于3，而某些特殊形狀的變幅桿，值可達5左右；輸入力阻抗定義為輸入端策動力與質點振動速度的復數(shù)比值。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??；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。4) 彎曲振動圓盤彎曲振動圓盤位于變幅桿和珩磨桿之間。它是超聲所磨裝置遞振的重要零件，該零件的設計、制造質量的好壞，直接影響到變幅桿的振動能否通過它傳遞到撓性桿上，并保證振動時珩磨桿不振動。因此，彎曲振動圓盤設計時必須滿足如下條件： ①諧振頻率接近理想值； ②圓盤波腹振幅大于一定數(shù)值； ③準確地確定圓周節(jié)線位置； ④使圓盤圓周節(jié)線附近的振動傳遞到珩磨桿上的振幅達到最小，最好是零； ⑤圓盤有足夠的剛度和強度。圖29 彎曲振動圓盤(2)撓性桿油石座振動子系統(tǒng) 圖 210超聲珩磨裝置(軸向)的撓性桿—油石座振動子系統(tǒng)是由兩段不同截面的均勻桿組成如圖所示，其頻率方程為式中，、為撓性桿和油石座聲速；、為撓性桿和油石座長圖 210 撓性桿油石座振動子系統(tǒng)度；、為撓性桿和油石座截面積；、為撓性桿和油石座材料密度；為角頻率。5) 油石 超聲珩磨油石是超聲珩磨裝置的磨具。在超聲珩磨中，超聲能量最終要通過油石傳遞珩磨加工區(qū)。超聲珩磨油石性能的優(yōu)劣，直接影響到超聲珩磨的工藝效果。如何保證超聲能量可靠地傳輸?shù)接褪希褪诔暷芰孔饔孟碌墓r如何，超聲珩磨油石的磨料如何選擇，一直是從事設計、研制超聲珩磨裝置的科研人員和工廠技術人員所關心的問題。6) 油石和油石座的連接方法 在很高的瞬時最大加速度的作用下，為了保證超聲能可靠、高效的傳輸，為了保證油石不會從油石座上脫落下來．油石和油石座的連接方法研究成功了四種連接方法。粘接劑的性能應該滿足抗拉強度大、耐高溫（150℃）、傳聲效率高、壽命長的要求。粘接前，應將油石和油石座的被粘接面用砂布打糙，然后使用丙酮或汽油將油石座的被粘接面清洗干凈．涂敷粘接劑后，在10～60℃條件下給油石和油石座施加3000Pa的壓力，保持6～8h。撤除壓力后．待2～3d即可使用。需要注意的是，為廠保證粘接可靠，必須保證油石和油石座的被粘接面的平面度誤差＜。超聲對磨油石可以采用熱壓法直接在油石座上成形。熱壓法成形是借助液壓機、模具和其他工具，將混合好的成形料置于模具內攪拌均勻．將成形料刮平后，裝好模具，放入液壓機平臺上。先將模具和成形料加熱至140 ℃左右，最后施加一定的壓力()并保壓30min壓制而成。成形后的磨具坯體有一定密度、—定形狀和規(guī)格。為了保證油石和油石座的連接強度，熱壓成形前，應將油石座被連被面銑出若干條縱橫交錯的溝槽(寬15mm，深1mm)。熱壓成形法，可使油石和油石座的連接強度高、傳聲效率高，使用方便，適用于樹脂結合劑的油石，這種方法需要根據(jù)油石尺寸的大小、設計、制造一套與油石尺寸相適應的成形模具。為了保證聲能的高效傳輸，可以采用銀焊法。例如，使用銀焊料Bag45CuZn，銀焊溫度為677～743℃。銀焊法的優(yōu)點是傳聲效率高，油石和油石座的連接壽命最長。銀焊法并不能適用于各種結合劑的油石。樹脂結合劑的油石不能采用銀焊法，只能采用粘接法或熱壓成形法；青銅結合劑的油石可以采用銀焊法，當然也可以來用粘接法或熱壓成形法。銀焊法的另一缺點是價格昂貴，銀焊費用基本上等于超硬磨料油石的費用。一船情況下，不宜使用銀焊法。將油石應加熱至150～200℃，先后把錫焊膏、焊錫均勻涂敷在焊接面上，再將預熱后的油石放在焊錫上，輕壓、移動，然后放置自然冷卻。 錫焊法適用于金屬結合劑的油石，連接強度低于銀焊法，價格便宜。這種方法連接可靠．傳聲效率高，適于超聲珩磨使用。7) 冷卻液在珩磨加工中，油石對工件接觸面積大、珩磨壓力小、珩磨速度低，出此發(fā)熱量小。即使如此，溫度的變化仍不可忽視。／15℃，所以在冬天或夏天，都有必要調整珩磨尺寸精度。在選擇冷卻液時應注意以下幾點：(1)冷卻液流量要大，以滿足散熱要求。對孔徑為100mm的工件，～／min流量的冷卻液。(2)能有效沖洗掉磨屑、磨粒及其他微粒，冷卻液應經過良好的過濾，排除運動受阻，保證動作協(xié)調。雜質劃傷加工表面的可能性必須排除。 (3)一般來說，冷卻液應是油性的?？紤]到安全和對環(huán)境的影響，不宜用煤油．要用礦物油加極化添加劑。第三章 超聲珩磨聲學系統(tǒng)設計 超聲加工系統(tǒng)，由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、振動傳遞系統(tǒng)、工具、工藝裝置等構成。超聲加工系統(tǒng)首先由超聲波發(fā)生器將50Hz的交流電(220V或380V)轉變?yōu)槌曨l電振蕩信號，然后由換能器將超聲頻振蕩信號轉換成超聲頻機械振動，再由變幅桿將振動振幅放大，使其能用于加工。 超聲波發(fā)生器又稱超聲頻發(fā)生器，是供給超聲換能器超聲電能的能源，其作用是將交流電轉變?yōu)槌曨l電功率輸出，以提供工具往復運動并去除被加工材料的能量。它主要由振蕩器、電壓放大器、功率放大器和輸出變壓器等部分組成，其中，振蕩器是超聲波發(fā)生器的心臟。就超聲波激勵方式而言有兩種:自激式和他激式。自激式超聲波發(fā)生器把振蕩、功放、輸出變壓器及換能器作為一個整體，形成一個閉合回路，使之滿足幅度、相位反饋的自激振蕩，組成諧振于換能器的機械共振頻率上的振蕩器。他激式超聲波發(fā)生器由振蕩器、驅動放大、功率放大器組成。通過輸出變壓器偶合，把超聲能量加到壓電換能器上。為了保證超聲波發(fā)生器的頻率穩(wěn)定，發(fā)生器和換能器的匹配，以便發(fā)生器效率最高，變幅桿振幅最大，超聲波發(fā)生器必須滿足下列要求:輸出功率應達到技術指標。頻率穩(wěn)定，在所需范圍內連續(xù)調節(jié)，最