【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 去除，磨料在超聲工具頭的沖擊下產(chǎn)生的應(yīng)力含有切向成分，此切向分量對(duì)加工過(guò)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(yīng)對(duì)加工也有很大的作用。超聲加工常用的頻率是從 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 6 頁(yè)共 45 頁(yè) 6 20kHz 到 40kHz，位移振幅在 10~100μ m之間。當(dāng)頻率一定時(shí)，增大振幅可以提高加工速度，但振幅不能過(guò)大，否則會(huì)使振動(dòng)系統(tǒng)超出疲勞強(qiáng)度范圍而損壞。同樣，當(dāng)位移振幅一定，而頻率增高時(shí)，也可提高加工速度，但頻率提高后，振動(dòng)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(jìn)一步介紹。 超聲波發(fā)生器 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(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)立的震蕩器，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。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。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 7 頁(yè)共 45 頁(yè) 7 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(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。 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。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 8 頁(yè)共 45 頁(yè) 8 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(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 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 9 頁(yè)共 45 頁(yè) 9 之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負(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。 超聲波換能器 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。 (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(dāng)線圈中通以一定直流電流 Io 產(chǎn)生最佳偏磁場(chǎng) Ho后，再通過(guò)以交變電流 I使其產(chǎn)生交變磁場(chǎng) H~，使 H~重疊于 Ho 之上，由此鐵芯中的磁場(chǎng)將在 Ho水平上變化。在交變磁場(chǎng) H~的作用下，由于材料的磁致伸縮效應(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)，換能器端部振動(dòng)最強(qiáng)烈，由此從換能器兩端面向介質(zhì)輻射出超聲波 圖 26 磁致伸縮換能器 ②磁致伸縮換能器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 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(gòu) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 10 頁(yè)共 45 頁(yè) 10 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(diǎn)是從兩端面輻射超聲波。通常采用的疊片厚度為 ~。 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(gòu)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(diǎn)是：當(dāng)線圈中同時(shí)通過(guò)偏磁電流和交變流后，圓環(huán)受到磁致伸縮應(yīng)力的作用，沿圓周產(chǎn)生長(zhǎng)度伸縮的變化，因而產(chǎn)生徑向振動(dòng)，可以自圓環(huán)內(nèi) 側(cè)面 (圖 28 a ) 或外側(cè)面 (圖 28 b )向周?chē)橘|(zhì)輻射超聲波。 (2)壓電換能器 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 11 頁(yè)共 45 頁(yè) 11 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(chǎng)作用下產(chǎn)生形變的特性，即壓電晶體的逆壓電效應(yīng)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(jìn)行極化處理，在該壓電片兩極間加上電場(chǎng)。有兩種情況出現(xiàn)： 。外加電場(chǎng)起到了使壓電片的極化強(qiáng)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。 。反向電場(chǎng)將削弱壓電片的極化 強(qiáng)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(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 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：薄長(zhǎng)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(gòu)圖形如下圖 210所示。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 12 頁(yè)共 45 頁(yè) 12 圖 210 壓電換能器的結(jié)構(gòu) 超聲變幅桿 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，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)等截面桿的波節(jié)平面處加帶一個(gè)法蘭盤(pán)，利用法蘭盤(pán)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)幅輻射超聲能量時(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。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。 （ 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(zhǎng)度 L,放大系數(shù) Mp，形狀因數(shù)ψ，位移節(jié)點(diǎn)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(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)ψ是衡量變幅桿所能達(dá)到最大振動(dòng)速度 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 13 頁(yè)共 45 頁(yè) 13 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)到最大振動(dòng)速度也越大。輸入阻抗 Zi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)。 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。單一變截面桿如圖 211 所示。 圖 211 單一變幅桿 （ 2） 復(fù)合變幅桿 在高強(qiáng)度超聲應(yīng)用中，常常要求變幅桿末端具有很 大的振動(dòng)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(fù)合變幅桿的形式來(lái)彌補(bǔ)不足以提高其輸出性能。在有些應(yīng)用場(chǎng)合需要特別高的振動(dòng)速度時(shí)，也常用到長(zhǎng)度滿足共振條件的復(fù)合形變幅桿。 圖 212 為三段復(fù)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(zhǎng)度相等，則構(gòu)成具有變截面過(guò)渡段的階梯形變幅桿。當(dāng)Ⅰ或Ⅲ的任一段為零，則可構(gòu)成兩段復(fù)合變幅度桿 。 圖 212 三段復(fù)合變幅桿 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 14 頁(yè)共 45 頁(yè) 14 3 小型超聲波鉆床設(shè)計(jì) 根據(jù)以上敘述的超聲波加工原理，可以設(shè)計(jì)出一臺(tái)簡(jiǎn)單的超聲波鉆床，并且通過(guò)與普通鉆床其性能進(jìn)行對(duì)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(jī)構(gòu)等組成。要設(shè)計(jì)超聲鉆床，也就從這幾個(gè)方面入手，詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟見(jiàn)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(gòu)較復(fù)雜， 由于知識(shí)有限這里進(jìn)行適當(dāng)選用即可。 超聲波換能器的設(shè)計(jì) 由于壓電式換能器較易實(shí)現(xiàn)，這里設(shè)計(jì)選擇壓電陶瓷型換能器。 壓電換能器有以下幾個(gè)部分組成，如下圖 31 所示： 圖 31 超聲波換能器結(jié)構(gòu)示意圖 如圖，超聲波換能器將接受到的超聲波信號(hào)由壓電陶瓷的“逆壓電效應(yīng)”轉(zhuǎn)換成機(jī)械的振動(dòng)。其組成部件十分簡(jiǎn)單，除壓電陶瓷、電極需要買(mǎi)賣(mài)外，其余部件可通過(guò)車(chē)削 45 鋼的方式得到。實(shí)物如下圖 32所示： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 15 頁(yè)共 45 頁(yè) 15 圖 32 超聲波換能器 變幅桿設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) （ 1）變幅桿的材料一般選用材質(zhì)均勻、材料疲勞強(qiáng)度高、易加工的結(jié)構(gòu)鋼，一般性的選用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)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，一般性的選 （ 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(xì)牙螺紋，以免振動(dòng)過(guò)程中松脫。 結(jié)構(gòu)參數(shù) 根據(jù)變幅桿的基本知識(shí)及實(shí)際的應(yīng)用。變幅桿的形式為圓錐平滑階梯復(fù)合型效果最好，其結(jié)構(gòu)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(gòu)圖 對(duì)于圓錐平滑彈性體： 頻率方程如下： 1 1 2ta n 3 c o t 2 .22RRkl kl kl R??? 31 振 幅放大系數(shù)為： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 16 頁(yè)共 45 頁(yè) 16 1 sin 2.2 cos 3R klM R kl? 32 由上式可知：放大系數(shù)與 R R L L2 有關(guān)， L3 又由 L2 確定的，因此，只要知道R R L2，那么整個(gè)變幅桿的尺寸就可以確定。 R1 與換能器的尺寸一致，對(duì)于一個(gè)特定的換能器十一個(gè)固定的值。 R2 是變幅桿端部的尺寸，視所需的振動(dòng)幅度而定，往往是變化的；圓錐體部分的 L2不宜設(shè)計(jì)過(guò)大否則振幅放大系數(shù)太小，一般的取 kl2 = π / 4 換能器的振動(dòng)頻率 f=20kh