【文章內(nèi)容簡介】 .超聲波發(fā)生器又稱超聲頻率發(fā)生器 ,超聲振動(dòng)發(fā)生器或超聲波電源 ,其作用是將 50HZ 的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l振蕩 ,提供給超聲振動(dòng)系統(tǒng)使工具 作往復(fù)振動(dòng)的能源 .目前使用的超聲波發(fā)生器頻率為16～ 25khz,功率在 20～ 4000w 范圍內(nèi) .超聲波發(fā)生器 的工作原理 是 ,振蕩極由三極管連接成電感回授振蕩回路 ,調(diào)節(jié)電路中的電容器可以改變 輸出的頻率 ,振蕩極輸出徑耦合至電壓放大級(jí)放大 ,控制電壓放大級(jí)的增益可以改變超聲波發(fā)生器的輸出功率 .放大后的信號(hào)利用變壓器倒相送至末極功率放大管 .功率極常用多管并聯(lián)推換輸出 ,經(jīng)輸出變壓器輸出至超聲波換能器 .圖 31b 為超聲波發(fā)生器原理框圖 : b 電磁致伸縮型圖3 1b 超聲波發(fā)生器原理框圖振蕩隔離推動(dòng)功放換能器電源 激磁a) 磁致伸縮型振蕩級(jí) 放大級(jí) 功率級(jí)電源超聲加工換能器 .超聲波振動(dòng)珩磨裝置的振動(dòng)系統(tǒng) 主要由換能器 ,變幅桿 ,彎曲振動(dòng)圓盤 ,擾性桿 — 油石座振動(dòng)子系統(tǒng)組成 .振動(dòng)珩磨效果的好壞主要取 決于振動(dòng)系統(tǒng)能否將由超聲波發(fā)生器輸出的振動(dòng)有效的通過各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞到油石座上 (并在傳遞過程中具有最小的能量損失 ),并使油石座在珩磨時(shí) 產(chǎn)生脈沖切削力激發(fā)微細(xì)溝槽自成作用的活躍程度 . (1) 換能器 .換能器的作用是將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng) ,目前使用的換能器有三種 :磁致伸縮換能器 ,壓電換能器和電磁換能器 . 1)磁致伸縮換能器 ,其是利用某些鐵磁體在變化磁場中所產(chǎn)生的磁致伸縮效應(yīng)而制成的 .所謂磁致伸縮效應(yīng)是指將鐵磁體置于變化磁場內(nèi) ,由于磁場的變化導(dǎo)致鐵磁體產(chǎn)生長度變化的現(xiàn)象 ,也稱焦耳效應(yīng) .磁致伸縮效應(yīng)與換能器的溫度 有必然聯(lián)系 ,如換能器的溫度升高 ,則其相對(duì)延長率降低 .所以在超聲振動(dòng)磨削工具的過程中 ,大功率的磁致?lián)Q能器要用水冷卻 ,小功率的可以用水冷卻 .在用磁 18 致伸縮換能器的工作電路中 ,如果使用交流電源 ,那么通人磁致伸縮換能器的則是交流正弦波 ,在每一周 波的正半波和負(fù)半波將會(huì)引起磁場大小兩次變化 ,導(dǎo)致?lián)Q能器出現(xiàn)倍頻現(xiàn)象 . 2)電致伸縮換能器 ,其尺寸小 ,但是連續(xù)振動(dòng)時(shí)輸出功率只能達(dá)到, 電致伸縮換能器的機(jī)械強(qiáng)度低 ,工作時(shí)所加電 壓高 ,并且因他的聲電轉(zhuǎn)換效率高 ,振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求也高 ,適用加工條件也相應(yīng)變小 .采用這種換能器的工具振動(dòng)系統(tǒng) ,如果與換能器固有頻率不能準(zhǔn)確一致 ,超聲波能量就不能傳遞到刀刃上 .同時(shí) ,換能器與變幅桿之間的結(jié)合面及其他結(jié)合面精度對(duì)振動(dòng)參數(shù)有影響 . 3)壓電換能器 ,其電聲轉(zhuǎn)換率高 ,冷卻方式方便 ,結(jié)構(gòu)尺寸小 ,使用方便 .故在設(shè)計(jì)中欲用此換能器 . (2) 變幅桿 .換能器在高頻電振蕩作用下的伸縮變形很小 ,即使在共振情況下 ,其振幅也僅在 5～ 10 微米 ,不能直接用來進(jìn)行珩磨加工 .必須通過變幅桿加以放大 . 目前使用的變幅桿主要有 :圓 錐形 ,指數(shù)形 ,階梯形 ,懸鏈線型 .如圖 32所示 : 圖 32變幅桿的類型及放大系數(shù) 各種變幅桿在軸向長度上截面變化規(guī)律 不一樣 .但在桿上 每一截面處的振動(dòng)能量是不變 的 .截面面積越小 ,截面上能量密度越大 ,振動(dòng)振幅也越大 . 設(shè)計(jì)變幅桿時(shí) ,首先要正確選擇變幅桿類型 (見表 31),其次為獲得較大振幅就必須保證變幅桿與換能器處于共振狀態(tài) .故必須計(jì)算變幅桿的 長度 pl . 表 31 變幅桿的選擇 換能器輸入功率 (w) 變幅桿大端直徑(mm) 工件厚度(mm) 加工孔徑 (mm) 1 2 3 5 8 10 15 20 30 40 50 60 70 變幅桿類型 19 50～100 15 1 5 75 C,E C,E C,E C,E E E E E E E E,S E,S E S S S E S S S E S S E S S S S S S S 100～500 20 1 5 75 C,E C,E C,E C,E E E E E E E E E E E E,S E,S E E S S E E S S E S S E S S S S S S S S S 25 1 5 75 C C C C C C C C C C C C E E E,S E,S E E S S E E S S E E S S E E S S E S S S S S S S S S S S S 500～1000 35 1 5 75 C C C C C C C C C C C C C C C C E C C S E E E S E E E S E E S S E E S S S S S S S S S S S S S S 50 1 5 75 C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C E E E S E E E S E E S S E E S S E S S S E S S S S S S S S S 注 :C 為圓錐形變幅桿 ,E 為指數(shù)形變幅桿 ,s為階梯形變幅桿 . (1)求理論波長λ pfc?? = 式中 c— 縱波聲速 (m/s) pf — 共振頻率 (HZ) λ — 聲波波長 (m) (2)計(jì)算變幅桿理論長度 l : 2??l = (3)確定變幅桿的長徑比 : LD?? = 式中的 D 為大端直徑 (mm) (4)根據(jù)α及面積系數(shù) N在圖 33中找出頻率降低系數(shù)β ,則當(dāng)共振頻率為pf 時(shí) ,變幅桿的實(shí)際長度 ( 1L )應(yīng)為 : 1L =βλ = 20 表 32 單一變幅桿的計(jì)算 變幅桿類型 截面變化規(guī)律 半波共振長度 振幅放大倍數(shù) M 波節(jié)點(diǎn)位置 0x 備注 階 梯 型 212440DDxDDx???????? 2??L 21212DDSSNNM??? 40 ??X D為距變幅桿輸入端為x處的變幅桿直徑 (mm) 1D 和 2D為變幅桿輸入端和輸出端直徑 (mm) N為面積系數(shù) 21SSN? 圓 錐 形 NLNxDD1)1(1?????? 22)1()(12????NkLNkLtgkLkLL?? ??kLkLNNkLNMs in11c o s???? akarctgkX 10 ? 指 數(shù) 形 NLeDD Xln11?? ??? 2ln12???????????NL NM? ??????????NarcLXlncot0 S1和 S2為變幅桿輸入端和輸出端面積 。λ為平直細(xì)桿中聲波波長 (mm)。f為聲波振動(dòng)頻率 Hz 懸 鏈 線 型 ? ?? ?LarcchNXLchDD?????2 arcchNNLtgkarcchNLkL??????2,22,11)()(2?? LkNM ,cos? ?????)(1,0LcthkarctgkX?? 21 表 33 常用變幅桿優(yōu)缺點(diǎn)的比較 變幅桿種類 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 階梯型 1. 計(jì)算簡單 ,制造容易 2. 當(dāng)面積系數(shù)一定時(shí) ,振幅放大倍數(shù) M最大 3. 半波共振長度最短 1. 共振頻率范圍較小 2. 受負(fù)載后放大倍數(shù)小 3. 截面變化處應(yīng)力較大 ,故不適宜傳遞較大功率 圓錐形 1. 制造容易 2. 機(jī)械強(qiáng)度大 1. 當(dāng) N 相同時(shí) ,放大倍數(shù)較小 2. 半波共振強(qiáng)度最大 指數(shù)形 1. 共振頻率范圍較寬 2. 能傳遞較大功率 3. 受負(fù)載后放大倍數(shù)變化較小 1. 制造困難 2. 截面變化不能過大 ,否則振動(dòng)不能傳播 表 34 不同截面系數(shù) (N)下變幅桿的放大系數(shù) 變幅桿類型 M N=2 N=3 N=4 N=5 N=6 N=8 N=10 圓錐形 2 3 4 指數(shù)形 2 3 4 5 6 8 10 階梯型 4 9 16 25 36 64 100 22 圖 33頻率降低系數(shù)β與面積系數(shù) N 的關(guān)系 (3)彎曲振動(dòng)圓盤 .彎曲振動(dòng)圓盤 位于變幅桿和珩磨桿之間 ,它是超聲波振動(dòng)珩磨裝置關(guān)鍵零件之一 .其設(shè)計(jì) ,制造的好壞直接影響到變幅桿的振動(dòng)能否通過它傳遞到擾性桿上 ,并保證振動(dòng)時(shí)珩磨桿不振動(dòng) .因此必須滿足 :近理想 值 線附近的振動(dòng)傳遞到珩磨桿上的振幅達(dá)到 最小 ,最好是零 和強(qiáng)度 . 彎曲振動(dòng)圓盤相當(dāng)于中心固定的薄圓盤 ,其共振頻率 pf 可按下式計(jì)算 : ???? 2 crhf p= 式中 :h— 彎曲振動(dòng)圓盤厚度 (mm) r — 彎曲振動(dòng)圓盤半徑 (mm) ? — 泊松系數(shù) β — 頻率系數(shù) ,當(dāng) ? = 時(shí) ,β值可見表 35. 表 35頻率系數(shù)β值 23 注: n簡 諧振動(dòng)振幅分布的直線節(jié)線數(shù)目 s 簡諧振動(dòng)振幅分布的圓周節(jié)線數(shù)目 34 彎曲振動(dòng)圓盤 由上式計(jì)算出的共振頻率 pf 只是理想值 ,實(shí)際制造使用中 ,應(yīng)使用數(shù)字頻率計(jì)測定圓盤的實(shí)際共振頻率 pf ,并進(jìn)行修正 ,以接近理想共振頻率 . 圓盤周節(jié)線處不振動(dòng) ,但圓周節(jié)線附近肯定有一定振動(dòng) ,由于 圓盤與珩磨桿之間的過渡連接套有一定厚度 ,因此 ,這個(gè)過渡連接套不可避免有一定振動(dòng) .解決 24 這個(gè)問題辦法是在圓盤的周圍節(jié)線處設(shè)置 1/4 波長的聲絕緣桿 ,然后將珩磨桿安裝在聲絕緣桿上 ,再將珩磨頭體與珩磨桿連接在一起 ,從而使珩磨桿和珩磨頭體上的振幅最小 . (4)擾性桿 — 油石座振動(dòng)子系統(tǒng) . 超聲振動(dòng)珩磨裝置的擾性桿 — 油石座振動(dòng)子系統(tǒng)是由兩段不同截面的均勻桿組成 ,如圖 35: 圖 35 撓性桿 — 油石座振動(dòng)子系統(tǒng) 其頻 率方程為 : ???????? ??? ???? )(22111 22211 LCtgCSCSa r c tgLctg ???? =0 撓性桿 — 油石座振動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì) : 1. 確定撓性桿的材料 : 2. 根據(jù)換能器 ,變幅桿及彎曲振動(dòng)圓盤的諧振狀態(tài) ,測出它們的諧振頻率 pf作為撓性桿 — 油石座振動(dòng)子系統(tǒng)的諧振頻率 ,則撓性桿的聲波波長 : pfc?1? = 1L 21 ???nL= (n=1,2,3? ) 4. 根據(jù)珩磨材料和珩磨孔的長度來確定油石座的長度 2L 若 2L 較大 ,則選聲速大的材料做油石座 。若 2L 較小 ,