【正文】 φ=1。但是，由于階梯型變幅桿的變化是躍變的，存在應(yīng)力集中，所以實(shí)際φ＜1。設(shè)階梯形變幅桿的諧振頻率為24kHz，材料用45調(diào)質(zhì)鋼，其波速c =106m/s,彈性模量E=210GPa，泊松比σ=，密度ρ=7890kg/m3。由換能器的端面直徑,確定大端直徑D1=36mm，由放大倍數(shù),確定小端直徑D2=18mm。(1) 共振長度：取最常用的情況a=b=λ4l= a+b=λ2=(2) 位移節(jié)點(diǎn)x0：位移節(jié)點(diǎn)在中心位置，即x=0處。(3) 放大系數(shù)MP Mp=N2=22=4(4) 最佳過度圓弧ROP① 分別計算出變幅桿的長徑比α=D1//l及面積系數(shù)N。α=D1l== N=2 圖37 最佳圓弧半徑ROP與N的關(guān)系② 由α及N在圖37的曲線中找出對應(yīng)的ROPD2的值。 ③ 由ROPD2值算出ROP的值。ROP=D2= mm由于前面是近似分析，實(shí)際上得到的放大系數(shù)Mp要小于N2，而且隨著N值的增大，誤差越大，一般取N6。 階梯形變幅桿與換能器和研磨工具的連接變幅桿與換能器和研磨工具作為振動研磨傳聲系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其連接部位的好壞直接影響到研磨的振動效果，在大量的研究和實(shí)踐中都采用的是螺紋連接，經(jīng)分析論證其具有可行性。因?yàn)槁菁y連接具有以下特點(diǎn)：(1) 螺紋擰緊時能產(chǎn)生很大的軸向力；超聲波在換能器變幅桿研磨工具里都是沿軸向傳播，軸向應(yīng)力最大，軸向的連接必須緊固。(2) 它能方便地實(shí)現(xiàn)自鎖；在加工的過程中，整個聲振系統(tǒng)存在劇烈的微小震動，為了防止連接部位在加工時出現(xiàn)松動，連接必須有良好的自鎖性。(3) 外形尺寸??；本實(shí)驗(yàn)裝置是用于深孔加工，整套研磨裝置通過與鉆桿連接，進(jìn)行研磨，尺寸要求嚴(yán)格。螺紋連接外形尺寸小，不會增大研磨裝置的整體尺寸。(4) 制造簡單，能保持較高的精度。螺紋連接的結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，成本低廉，而且還能保持較高的精度，能達(dá)到設(shè)計要求。而且螺紋連接預(yù)緊的可以增強(qiáng)聯(lián)接的可靠性和緊密性,以防止受載后被聯(lián)接件間出現(xiàn)縫隙或相對滑移。因此變幅桿與換能器和研磨工具采用螺紋連接是合理的，這樣連接結(jié)構(gòu)可靠，傳聲效果佳，能量損失小。設(shè)計的階梯形變幅桿尺寸參數(shù)如圖38所示。 圖38 超聲變幅桿零件圖 研磨工具的設(shè)計研磨工具在研磨過程中起著重要作用，對研磨加工質(zhì)量和效率均有較大的影響。研磨工具的主要作用是把研磨工具的幾何形狀傳遞給被研磨工件及涂敷或嵌入磨粒。 對研磨工具的技術(shù)要求根據(jù)工件的表面幾何形狀不同，所使用的研磨工具有各種各樣的幾何形狀。圓柱孔研磨工具有研磨棒和可調(diào)研磨器。為了保證研磨質(zhì)量，提高研磨效率，所采用的研磨工具應(yīng)滿足以下要求：(1) 研磨工具的幾何形狀應(yīng)和被研磨工件的幾何形狀相適應(yīng)，以保證被研磨工件的精確的幾何形狀。 (2) 為了保證研磨工具具有穩(wěn)定的精確幾何形狀，要求研磨工具具有良好的耐磨性。常用的研磨工具材料有鑄鐵﹑軟鋼﹑青銅﹑紫銅﹑鋁合金﹑玻璃﹑瀝青等。由于鑄鐵的耐磨性好，成本低，所以選鑄鐵為研磨工具的材料。(3) 研磨工具應(yīng)具有足夠的剛性，避免彈性變形。在連續(xù)使用中應(yīng)具有熱變形小尺寸穩(wěn)定的性能。(4) 干摩擦的研磨工具應(yīng)具有良好的嵌砂性能—良好的磨粒嵌入性﹑嵌固性和嵌沙的均勻性。嵌入性使磨粒嵌入研磨工具表面的難易程度；嵌固性是壓嵌在研磨工具表面上的磨料，在研磨中的抵抗切削力而不脫落的能力；嵌沙均勻性是磨粒嵌入平板各處的均勻程度。在研磨工具表面制造微小的孔來增加研磨工具的嵌砂性能。 鑄鐵研磨工具 鑄鐵研磨工具具有良好的嵌砂性﹑耐磨性，良好的可加工性。 鑄鐵的良好的嵌沙性能是由其金相組織決定的。鑄鐵組織中的石墨（C）的硬度極低(3HB)，磨粒易嵌入，但又極易游出石墨的洞穴，所以石墨的洞穴，所以石墨處的嵌固性較差。珠光體組織(Fe3C)與鐵素體是鑄鐵的基本組織，其硬度比磨粒要軟的多，所以磨粒能嵌到金屬基體表面上。鑄鐵中的滲碳體能起到對磨粒的限位作用，磷共晶(FeP)硬度最高，在平板校正中，鑄鐵中較軟的金相組織易被磨粒擠刮掉，而使較硬的磷共晶突出表面，可加速研磨過程。因而，在精磨研磨中常選用含磷量較高的鑄鐵作為研磨工具。%～%，%～%。 研磨工具的設(shè)計由于研磨的孔徑大于10mm的圓柱孔，研磨工具用HT200制造，而且做成可調(diào)整的，在研磨套表面上開有四個溝槽，其中一個是切通的。其內(nèi)孔制成1:20或1:30的錐度?？科溆阱F形心軸配合的松緊來調(diào)整研磨工具與工件之間的間隙，其工作部分約為研磨工具長度的3/4，～。由于振動波形在研磨工具里傳播長度大于λ/2，研磨工具長度取120mm。研磨工具兩端的6～10mm長度上制成5176。的錐角。為了方便調(diào)節(jié)外徑的大小，在錐形心軸的末端設(shè)計一個螺桿，通過其上的螺母調(diào)整研磨套的位置。可調(diào)整光滑研磨器結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖39。在實(shí)際的設(shè)計中，研磨套內(nèi)徑設(shè)計成1:30的錐度，大端直徑為43mm，小端直徑為39mm。為了更有利于研磨膏的粘附，在研磨套外表面車出等距的條形溝槽，實(shí)物如圖39所示。圖39 研磨套實(shí)物圖在實(shí)際的設(shè)計中，錐形心軸也設(shè)計成1:30的錐度，長度與研磨套一樣，大端直徑為44mm，小端直徑為40mm。實(shí)物如圖310。圖310 錐形心軸實(shí)物圖 超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計實(shí)際上是在己設(shè)計的聲振系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對研磨頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，其結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足以下要求：聲振系統(tǒng)的超聲振動不能傳遞和擴(kuò)散到加工機(jī)床上，保證研磨套均勻振動；研磨套能在徑向均勻地漲縮，對加工表面的壓力能調(diào)整并保持一定的調(diào)節(jié)范圍。根據(jù)要求設(shè)計出超聲振動深孔研磨裝置，如圖310所示，該裝置主要由套筒、換能器、階梯形變幅桿、內(nèi)六角圓柱頭螺釘、錐形心軸、研磨套、擋板、平墊圈、調(diào)節(jié)螺母等組成。 1一套筒；2一換能器；3一階梯形變幅桿；4一內(nèi)六角圓柱頭螺釘；5一錐形心軸；6一研磨套； 7一擋板； 8一平墊圈；9一調(diào)節(jié)螺母圖310 超聲振動深孔研磨裝置結(jié)構(gòu)圖超聲振動深孔研磨裝置各組成部分的功能如下: 套筒:保護(hù)換能器，將整個研磨裝置與鉆桿相連接。 換能器: 將超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換成超聲頻機(jī)械振動。 階梯形變幅桿:將機(jī)械振動的振幅放大。 錐形心軸：支撐研磨套，調(diào)整研磨工具的外徑。研磨套： 研磨工具，研磨劑載體。擋板：調(diào)節(jié)研磨套移動，使研磨套均勻移動。平墊圈：將研磨套的超聲振動與調(diào)節(jié)螺母分隔。調(diào)節(jié)螺母:移動螺母使研磨套均勻移動。該超聲振動深孔研磨裝置是嚴(yán)格按照聲振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計的，考慮到裝置的剛性與強(qiáng)度，各組成部分均采用45調(diào)質(zhì)鋼制造，研磨套采用HT200制造，其實(shí)物圖如圖311所示。圖311 超聲振動深孔研磨裝置實(shí)物圖 小結(jié) 根據(jù)深孔研磨和超聲振動加工的特點(diǎn)確定了超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計原則；在設(shè)計原則的指導(dǎo)下，根據(jù)試驗(yàn)要求，對超聲振動深孔研磨裝置聲振系統(tǒng)的各個組成部件(超聲波發(fā)生器、換能器、超聲變幅桿、套筒、錐形心軸、研磨套)進(jìn)行了選擇或設(shè)計；并將通過試驗(yàn)的方法得到了聲振系統(tǒng)的振動特性，使研磨套霧化效果較好，與設(shè)計基本一致，滿足設(shè)計的基本原則；同時還對超聲振動深孔研磨裝置的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足了以下要求:聲振系統(tǒng)的超聲振動不會傳遞和擴(kuò)散到整個加工裝置上，研磨套可以良好地進(jìn)行超聲振動；研磨套能在徑向均勻地漲縮，對加工表面的壓力能調(diào)整并保持一定的調(diào)節(jié)范圍。4 超聲振動深孔研磨聲振系統(tǒng)試驗(yàn)研究 超聲振動深孔研磨的振動系統(tǒng)主要由變幅桿、錐形心軸、研磨套三個振動子系統(tǒng)組成的。在理論分析和設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)研究，使超聲波發(fā)生器輸出的振動有效地通過各個環(huán)節(jié)傳遞到研磨套。由于現(xiàn)有超聲波發(fā)生器的工作頻率為24177。1kHz，并且頻率調(diào)整范圍窄，因此聲振系統(tǒng)需采用全諧振方式進(jìn)行，通過試驗(yàn)對聲振系統(tǒng)的尺寸做出修正，使振動系統(tǒng)的能量損失小，振動效果達(dá)到最佳。把變幅桿與研磨工具設(shè)計成螺紋連接，不但減少了振動傳遞過程中能量損失，提高了連接部位的強(qiáng)度，同時方便了試驗(yàn)的分析工作，可分步對整個聲振系統(tǒng)進(jìn)行試振。 聲振系統(tǒng)的振動試驗(yàn) 試驗(yàn)?zāi)康暮头椒╝. 試驗(yàn)?zāi)康? 對聲振系統(tǒng)進(jìn)行試振，觀察試振效果。b. 試驗(yàn)方法 在超聲振動系統(tǒng)的試驗(yàn)中，我們主要采用力電類比方法，所謂力電類比方法就是將作用在振動系統(tǒng)兩端的力、振速、力阻抗分別類比于電壓、電流、電阻抗，則振動系統(tǒng)和電路之間就有等效關(guān)系，這種方法計算量小，簡單而快捷，測量相對準(zhǔn)確。由于試驗(yàn)中的超聲波發(fā)生器的頻率可調(diào)范圍窄，因此在試驗(yàn)過程中對于操作要求極為嚴(yán)格。壓電式換能器是利用材料在電場作用下的壓電效應(yīng)而制成的，這種特殊的材料稱為壓電材料。在交流電壓的作用下，壓電材料能夠產(chǎn)生伸縮振動，從端面發(fā)出聲音，這種現(xiàn)象在物理上叫壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)它在受到機(jī)械壓力時，即使這種壓力微小得像聲波振動那樣小，都會產(chǎn)生伸縮等形狀變化，而隨著形狀的變化，這種晶體的兩面會產(chǎn)生不同的電荷，這樣，當(dāng)聲波作用在壓電材料上的時候，振動就會變成電訊號。這樣就將我們要測量的機(jī)械振動參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷膮?shù)，通過阻抗分析儀可以較為精確的分析出其主要參數(shù)，為設(shè)計振動系統(tǒng)帶來了方便。在試驗(yàn)中，我們采用型號PV70A的阻抗分析儀，如圖41，主要技術(shù)參數(shù)如下：(1) 測量范圍：1kHz～700kHz；(2) 測量精度：%；(3) 頻率精度：177。50ppm；(4) 相位分辨率：(－180度～＋180度)；(5) 阻抗范圍：1Ω～100kΩ；(6) 頻率步進(jìn)：～任意。圖42 阻抗分析儀 阻抗分析儀可以測量壓電陶瓷片、壓電換能器、超聲波清洗機(jī)、超聲波焊接機(jī)、超聲波粉碎機(jī)、超聲波加工設(shè)備等各種器件，評定設(shè)備的參數(shù)和性能優(yōu)劣。對于壓電器件來說，通過阻抗分析儀可以測得的主要參數(shù)包括：諧振頻率、諧振的導(dǎo)納等。 對于試件來說，通過導(dǎo)納圓圖進(jìn)行性能的判斷，比較直觀、實(shí)用。正常的情況下，導(dǎo)納圓如圖42所示；異常情況下，導(dǎo)納圓如圖43所示。在導(dǎo)納圓圖中，B為導(dǎo)納虛部，G為導(dǎo)納的實(shí)部，導(dǎo)納的單位為ms(毫西門子)。對于一個新的試件，可能不知道它的諧振頻率的確切位置，這時候，最好的辦法是先用較大的頻率步距進(jìn)行掃描，例如，一個試件在20kHz～50kHz的頻率范圍內(nèi)以自動頻率步距掃描一遍。此時需要掃描110個點(diǎn)的數(shù)據(jù)(非等距測量)，可以得到圖44所示圖形，圖44是試件在導(dǎo)納極坐標(biāo)系下的特性圖。圖42 正常的超聲器件曲線圖圖43 異常的超聲器件曲線圖44 導(dǎo)納極坐標(biāo)圖 從圖44導(dǎo)納特性圖中導(dǎo)納輻角的變化趨勢就可以得出結(jié)論：導(dǎo)納輻角大約從38kHz到39kHz的范圍內(nèi)由正變負(fù)，表明在38kHz到39kHz的頻率范圍有諧振點(diǎn)出現(xiàn)。 當(dāng)通過阻抗分析儀測得試件在所要求的頻率范圍內(nèi)有諧振點(diǎn)時，通過與換能器的連接，然后將之與超聲波發(fā)生器連接，若整個系統(tǒng)達(dá)到共振時，將試件一端接近水面時，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的水珠零化現(xiàn)象。 試驗(yàn)內(nèi)容超聲振動系統(tǒng)振動試驗(yàn)主要設(shè)備如下：(1) 超聲波發(fā)生器；(2) 聲振系統(tǒng)；(3) PV70A阻抗分析儀；(4) 電子計算機(jī)。試驗(yàn)裝置示意圖如圖45所示。圖45 主要試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)記錄 換能器的試驗(yàn) 首先對換能器進(jìn)行測試。通過導(dǎo)線將換能器與阻抗分析儀相連接，然后將阻抗分析儀通過串口與計算機(jī)相連。經(jīng)過阻抗分析儀對電訊號的處理后，直接可以測定換能器的諧振頻率來。得到導(dǎo)納極坐標(biāo)圖45。圖45 換能器導(dǎo)納極坐標(biāo)圖由阻抗分析儀測得的試驗(yàn)結(jié)果可知。%，在允許范圍內(nèi)，可以使用。接下來對階梯形變幅桿進(jìn)行調(diào)試。 變幅桿的試驗(yàn)然后將加工好的換能器與變幅桿連接一起進(jìn)行測試。將加工好的變幅桿通過M8，為防止在接觸面能量流失，在接觸面涂有凡士林，并且連接緊密。通過導(dǎo)線將換能器與阻抗分析儀相連接，然后將阻抗分析儀通過串口與計算機(jī)相連,實(shí)驗(yàn)裝置如圖46所示。圖46 變幅桿實(shí)驗(yàn)裝置圖經(jīng)過阻抗分析儀對電訊號的處理后，直接可以測定振動系統(tǒng)的諧振頻率來。得到導(dǎo)納極坐標(biāo)圖47：圖47 換能器與變幅桿導(dǎo)納極坐標(biāo)圖通過理論計算，已確定階梯形變幅桿的結(jié)構(gòu)尺寸，大端直徑D1=36mm，小端直徑D2=18mm，總長度l=107mm，節(jié)圓到大端的長度l0=，材料為45調(diào)質(zhì)鋼。由阻抗分析儀測得的試驗(yàn)結(jié)果可知。與超聲波發(fā)生器相匹配，可以進(jìn)行超聲振動試驗(yàn)，觀察振動效果。接下來對錐形心軸進(jìn)行調(diào)試。 錐形心軸的試驗(yàn)然后將加工好的錐形心軸與變幅桿連接一起進(jìn)行測試。將加工好的變幅桿通過M8的螺紋與變幅桿相連接，通過導(dǎo)線將換能器與阻抗分析儀相連接，然后將阻抗分析儀通過串口與計算機(jī)相連，實(shí)驗(yàn)裝置如圖48。 圖48 錐形心軸實(shí)驗(yàn)裝置圖通過理論計算，已確定錐形心軸的結(jié)構(gòu)尺寸，大端直徑D1=44mm，小端直徑D2=40mm，總長度l=120mm，材料為45調(diào)質(zhì)鋼。經(jīng)過阻抗分析儀對電訊號的處理后，直接可以測定振動系統(tǒng)的諧振頻率來。得到導(dǎo)納極坐標(biāo)圖49。諧振頻率與變幅桿和換能器相差較大，且與超聲波發(fā)生器頻率不匹配，需進(jìn)行調(diào)試。圖49 錐形心軸與換能器和變幅桿調(diào)試前的的導(dǎo)納極坐標(biāo)圖首先對個聲振元件的連接部分進(jìn)行檢測，查看連接是否緊密，連接的表面是否光滑。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)，錐形心軸的表面太粗糙，連接端面不平，在與超聲波發(fā)生器連接時有較大的呼嘯聲，能量損失嚴(yán)重。在加工調(diào)整后，再進(jìn)行試驗(yàn)，得到導(dǎo)納極坐標(biāo)圖410。圖410 錐形心軸與換能器和變幅桿調(diào)試后的導(dǎo)納極坐標(biāo)圖由阻抗分析儀測得的試驗(yàn)結(jié)果可知。與超聲波發(fā)生器相匹配，可以進(jìn)行超聲振動試驗(yàn)，在進(jìn)行調(diào)試后，可以進(jìn)行研磨試驗(yàn)。 聲振系統(tǒng)的的試