【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 裝置 1) 超聲波發(fā)生器 超聲波發(fā)生器也稱作超聲電源，它是一種用以產(chǎn)生超聲頻電能并向超聲換能器提供的裝置。按照所采用的工作原理，可以把超聲波發(fā)生器分為模擬電路和數(shù)字電路兩大類。模擬電路超聲波發(fā)生器又分為振蕩 — 放大型和逆變型兩種。常用的電子管發(fā)生器、晶體管發(fā)生器和模擬集成電路發(fā)生器均屬于前一種，可控硅發(fā)生 器則屬于后一種。在這里我們只討論前者，后者在實(shí)際應(yīng)用中很少遇到。 模擬電路超聲波發(fā)生器 圖 2— 2為振蕩 — 放大型超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)方框圖。由圖中可以看出，振蕩— 放大型超聲波發(fā)生器實(shí)際上就是一個(gè)帶有振蕩電路的放大器。但由于超聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的是換能器這一特殊負(fù)載，所以它在結(jié)構(gòu)上又有自己的特點(diǎn)。下面逐一介紹超聲波發(fā)生器的各個(gè)部分。 圖 22 超聲波振蕩器 超聲波振蕩器的作用是產(chǎn)生一個(gè)一定頻率的信號(hào)，用以推動(dòng)后面的放大部分。它可以是一個(gè)獨(dú)立的振蕩器，也可以是一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)。習(xí)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。它激方式產(chǎn)生的超聲波振蕩頻率比較穩(wěn)定，并且可以在較寬的頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。自激式超聲波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，且有利于實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)跟蹤。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 超聲波放大器 超聲波放大器的作用是將振蕩信號(hào)放大至所需電平。放大部分可以是單級(jí)的，也可以是多級(jí)的，主要看輸出功率的需要。早期的超聲波發(fā)生器是用電子管做放大器件，現(xiàn)在則普遍采用晶體管 (三極管、場(chǎng)效應(yīng)管和 IGBT器件 )。近年來(lái)越來(lái)越多的廠家采用功率集成電路做超聲波發(fā)生器的放大器件。 (1)晶體管超聲波放大器 目前 工業(yè)上廣泛使用的超聲波發(fā)生器基本上被晶體管電路所壟斷。與電子管發(fā)生器相比，晶體管發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)在于體積小、重量輕、效率高。但從另一方面講，由于受到反向擊穿電壓、最大集電極電流、最大集電極耗散功率參數(shù)的限制，通常一對(duì)晶體管的最大輸出功率只能達(dá)到百瓦級(jí)。要提高晶體管發(fā)生器納輸出能力，除了有賴于高性能器件的開(kāi)發(fā)外，還必須采用高效率的電路。 (2)絕緣柵雙極型晶體管 (1GBT)放大器 隨著電力電子器件的發(fā)展，特別是 IGBT 的發(fā)展和成熟，開(kāi)關(guān)式放大器的輸出功率提高很多。 IGBT 是一種 MOS 管與雙極型晶體管結(jié)合的產(chǎn)物 ，既有 MOS管開(kāi)關(guān)頻率高 (4050kHz)，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，又有雙極型晶體管導(dǎo)通壓降小、耐壓高、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。最大功率輸出可以達(dá)到 5KW，是理想的超聲波放大器件。 匹配電路和頻率自動(dòng)跟蹤 超聲波發(fā)生器與一般放大器的一個(gè)重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。一般放大器與負(fù)載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)聲器與負(fù)載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項(xiàng)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(fù)載中的電抗成分諧振。只有在同時(shí)進(jìn)行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個(gè)系統(tǒng)才算是達(dá)到 了匹配，換能器才能正常地工作。 2 數(shù)字電路超聲波發(fā)生器 數(shù)字電路起聲波發(fā)生器的基本原理 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 采用數(shù)字電路超聲波發(fā)生器，可以消除溫度漂移等常規(guī)模擬發(fā)生器難以克服的缺點(diǎn)，有利于參數(shù)整定和變參數(shù)調(diào)節(jié)，便于通過(guò)程序軟件的改變方便地調(diào)整控制方案和實(shí)現(xiàn)多種新型控制策略，同時(shí)可減少元器件的數(shù)目、簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。此外，還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)儲(chǔ)存和故障自功診斷，有助于實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)生器的智能化。 2) 超聲換能器 超聲換能器是超聲振動(dòng)系統(tǒng)的核心部件。超聲加工處理設(shè)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(dòng)的機(jī)械能，并通過(guò)變幅桿進(jìn)行振幅放大和聚能后再傳輸?shù)焦ぞ哳^，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)這兩類換能器分別進(jìn)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(dāng)線圈中通以 — 定直流電流 0I 產(chǎn)生最佳偏磁場(chǎng) 0H 后，再通以交變電流 I使其產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，位移作用于 0H 之上，由此鐵芯中的磁場(chǎng)將在 0H 水平上變化。在交變磁場(chǎng)的作用下，由于材料的磁致伸縮效應(yīng) (焦耳效應(yīng) )，換能器兩端面產(chǎn)生與交流電頻率相同的交變伸縮，當(dāng)交變電流的頻率與換能器的共振頻率一致時(shí)，換能器短部振動(dòng)最強(qiáng)烈，由此從換能器兩端面向介質(zhì)輻射出超聲波。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 2— 3 磁致伸縮換能器 磁致伸縮換能器的材料 對(duì)用于磁致伸縮換能器材料的基本要求： 1) 磁致伸 縮應(yīng)力常數(shù)要盡可能大； 2) 磁滯及渦流損耗要盡可能小； 3) 對(duì)高強(qiáng)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(qiáng)度要高； 5) 對(duì)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(yīng)及壓電換能器的工作原理 (1)晶體的壓電效應(yīng) 具有壓電性能的晶體統(tǒng)稱為壓電晶體。對(duì)這種晶體在適當(dāng)?shù)姆较蛏鲜┘幼? 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 用力時(shí)，其內(nèi)部的電 極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生內(nèi)部電場(chǎng)，并會(huì)在壓電晶體相對(duì)兩表面內(nèi)出現(xiàn)與外力成正比的、符號(hào)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(yīng)。相反，若在壓電晶體上加一外電場(chǎng)，在此電場(chǎng)作用下，壓電晶體內(nèi)部電極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，產(chǎn)生與外加電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的應(yīng)變現(xiàn)象、這一現(xiàn)象叫做逆壓電效應(yīng)。壓電晶體通過(guò)逆壓電效應(yīng)可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)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(yīng)是很常用的，一種是形變的方向與電場(chǎng)的方向相重合，這種壓電效應(yīng)如圖 24 所示，稱之為縱向壓電效應(yīng)；另一種是 形變的方向與電場(chǎng)的方向相垂直，這種壓電效應(yīng)如圖 2— 5所示，稱之為橫向壓電效應(yīng)。 圖 2— 4 縱向壓電效應(yīng) 圖 2— 5 橫向壓電效應(yīng) (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(chǎng)作用下產(chǎn)生形變的特性，即上述壓電晶體的逆壓電效應(yīng)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(jìn)行極化處理，在該壓電片兩電極間加上電場(chǎng)?？赡艹霈F(xiàn)兩種情況： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 2— 6 壓電換能器的工作原理 1) 外加電場(chǎng)與壓電片極化方向相同。外加電場(chǎng)起到了使壓電片的 極化 度增大的作用。極化強(qiáng)度的增大，使壓電片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)的形變。 2) 外加電場(chǎng)與極化方向相反。反向電場(chǎng)將削弱壓電片的極化強(qiáng)度，使 壓電片沿極化方向產(chǎn)生縮短的形變。 利用這兩種現(xiàn)象，將外加電場(chǎng)換為交變電場(chǎng)時(shí)，壓電片就會(huì)產(chǎn)生與交變電場(chǎng)同頻率的交變形變，從而使壓電片兩面向外輻射聲波。當(dāng)外加電場(chǎng)頻率與壓電片固有頻率相同產(chǎn)生諧振時(shí)，壓電片振動(dòng)最大，聲輻射也最強(qiáng)烈。 2． 2 壓電換能器的結(jié)構(gòu)形式。 超聲加工處理設(shè)備中常用的壓電換能器結(jié)構(gòu)形式有以下幾類： ①薄長(zhǎng)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(fù)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(jié)構(gòu)寬頻帶夾心式換能器。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 27薄長(zhǎng)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(shè)備中超聲振動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分之一。在超聲振動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程中，由超聲換能器輻射面所產(chǎn)生的振動(dòng)幅度較小，當(dāng)工作頻率在 20kHz 范圍內(nèi)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(xì)胞、超聲金屬成型 (包括超聲冷拔管絲和鉚接 )等大量高強(qiáng)度超聲應(yīng)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(jī)械振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位移量和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)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(jī)械阻抗變換器，在換能器和負(fù)載之間架起橋梁，進(jìn)行阻抗匹配，使超聲能量更有效地從換能器向負(fù)載傳輸。此外，在超聲加工處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)工藝上，通常在變幅桿或半波長(zhǎng)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(gè)法蘭盤，利用法蘭盤將超聲振動(dòng)系統(tǒng)固裝在超聲設(shè)備上。在向高溫介質(zhì)或腐蝕介質(zhì)輻射超聲能量時(shí)，還可以借助于變幅桿把換能器與惡劣環(huán)境隔離開(kāi)，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(dòng)變幅桿、彎曲振動(dòng)變幅桿、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)變幅桿。其中縱向振動(dòng)變幅桿可分為簡(jiǎn)單形、復(fù)合形。簡(jiǎn)單形又可分為；指數(shù)形、圓錐形、懸鏈形、階梯形。而復(fù)合形是由各種簡(jiǎn)單形變幅桿根據(jù)實(shí)際需要組合而成的。 縱向振動(dòng)變幅桿 — 單一變幅桿 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 (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(zhǎng)度 l ，放大系數(shù) pM ，形狀因數(shù)? ，位移節(jié)點(diǎn) 0x ，輸入力阻抗 0Z 和彎曲勁度等參數(shù)加以描述的。其中放大系數(shù) pM 是指變幅桿工作在共振頻率時(shí)，輸出端與輸入端的質(zhì)點(diǎn)位移或速度的比值；形狀因數(shù) ? 是衡量變幅桿所能達(dá)到最大振動(dòng)速度的指標(biāo)之一，它僅與 變幅桿的幾何形狀有關(guān)， ? 值越大，通過(guò)變幅桿所能達(dá)到的最大振動(dòng)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(dá) 5左右；輸入力阻抗 0Z 定義為輸入端策動(dòng)力與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的復(fù)數(shù)比值。在實(shí)際應(yīng)用中常常要求輸入力阻抗隨頻 率及負(fù)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(guān)。變幅桿越長(zhǎng)，彎曲柔順性越大，在許多實(shí)際應(yīng)用中這是需要避免的。 4) 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。它是超聲所磨裝置遞振的重要零件，該零件的設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量的好壞，直接影響到變幅桿的振動(dòng)能否通過(guò)它傳遞到撓性桿上，并保證振動(dòng)時(shí)珩磨桿不振動(dòng)。因此，彎曲振動(dòng)圓盤設(shè)計(jì)時(shí)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(zhǔn)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(dòng)傳遞到珩磨桿上的振幅達(dá)到最小，最好是零； ⑤圓盤有足夠的剛度和強(qiáng)度。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 29 彎曲振動(dòng)圓盤 (2)撓性桿 油石座振動(dòng)子系統(tǒng) 圖 210 超聲珩磨裝置 (軸向 )的撓性桿 — 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所示，其頻率方程為 式中， 1c 、 2c 為撓性桿和油石座聲速； 1L 、 2L 為撓性桿和油石座長(zhǎng) 圖 210 撓性桿 油石座振動(dòng)子系統(tǒng) 度； 1S 、 2S 為撓性桿和油石座截面積； 1? 、 2? 為撓性桿和油石座材料密度； 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 ? 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(guò)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(shè)計(jì)、研制超聲珩磨裝置的科研人員和工廠技術(shù)人員所關(guān)心的問(wèn)題。 6) 油石和油石座的連接方法 在很高的瞬時(shí)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(huì)從油石座上脫落下來(lái)．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(yīng)該滿足抗拉強(qiáng)度大、耐高溫（ 150℃）、傳聲效率高、壽命長(zhǎng)的要求。粘接前，應(yīng)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(duì)磨油石可