【導(dǎo)讀】莇蚈螄肁芃蚇袆襖腿蚆薆聿膅蚅螈袂蒄蚄袀膇莀蚄羃羀芆蚃螞膆膂螞螄罿蒀螁袇膄莆螀罿羇節(jié)蝿蠆膂羋莆袁肅膄蒞羃芁蒃莄蚃肅荿莃螅艿芅莂袈肂膁蒂羀裊蒀蒁蝕肀莆蒀螂袃莁葿羄膈芇蒈蚄羈膃蕆螆膇蒂蒆衿罿莈蒆羈膅芄薅蝕羈膀薄螃膃肆薃羅羆蒅薂蚅芁莁薁螇肄芇薀衿芀膃薀肅蒁蕿蟻裊莇蚈螄肁芃蚇袆襖腿蚆薆聿膅蚅螈袂蒄蚄袀膇莀蚄羃羀芆蚃螞膆膂螞螄罿蒀螁袇膄莆螀罿羇節(jié)蝿蠆膂羋莆袁肅膄蒞羃芁蒃莄蚃肅荿莃螅艿芅莂袈肂膁蒂羀裊蒀蒁蝕肀莆蒀螂袃莁葿羄膈芇蒈蚄羈膃蕆螆膇蒂蒆衿罿莈蒆羈膅芄薅蝕羈膀薄螃膃肆薃羅羆蒅薂蚅芁莁薁螇肄芇薀衿芀膃薀肅蒁蕿蟻裊莇蚈螄肁芃蚇袆襖腿蚆薆聿膅蚅螈袂蒄蚄袀膇莀蚄羃羀芆蚃螞膆膂螞螄罿蒀螁袇膄莆螀罿羇節(jié)蝿蠆膂羋莆袁肅膄蒞羃芁蒃莄蚃肅荿莃螅艿芅莂袈肂膁蒂羀裊蒀蒁蝕肀莆蒀螂袃莁葿羄膈芇蒈蚄羈膃蕆螆膇蒂蒆衿罿莈蒆羈膅芄薅蝕羈膀薄螃膃肆薃羅羆蒅薂蚅芁莁薁螇肄芇薀衿芀膃薀肅蒁蕿蟻裊莇蚈螄肁芃蚇袆襖腿蚆薆聿膅蚅螈袂蒄蚄袀

　　

【正文】 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。有兩種情況出現(xiàn)： 。外加電場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)生伸長的形變。 。反向電場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，將外加電場換為交變電場時(shí)，壓電片就會(huì)產(chǎn)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(dāng)外加電場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。 11 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 12頁共 45頁 圖 210 壓電換能器的結(jié)構(gòu) 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等截面桿的波節(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)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，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)變幅桿可分為簡單形、復(fù)合形。簡單形又可分為指數(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 12 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 13頁共 45頁 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，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)合變幅桿的形式來彌補(bǔ)不足以提高其輸出性能。在有些應(yīng)用場合需要特別高的振動(dòng)速度時(shí)，也常用到長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度相等，則構(gòu)成具有變截面過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 13 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 3 小型超聲波鉆床設(shè)計(jì) 第 14頁共 45頁 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)簡單的超聲波鉆床，并且通過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)步驟見下面。 超聲波發(fā)生器的選用 由于超聲波發(fā)生器超聲波換能器的設(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)。其組成部件十分簡單，除壓電陶瓷、電極需要買賣外，其余