【正文】 聲振系統(tǒng)的的試驗。圖410 錐形心軸與換能器和變幅桿調(diào)試后的導(dǎo)納極坐標圖由阻抗分析儀測得的試驗結(jié)果可知。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，能量損失嚴重。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，需進行調(diào)試。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。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相連，實驗裝置如圖48。接下來對錐形心軸進行調(diào)試。由阻抗分析儀測得的試驗結(jié)果可知。圖46 變幅桿實驗裝置圖經(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。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。接下來對階梯形變幅桿進行調(diào)試。圖45 換能器導(dǎo)納極坐標圖由阻抗分析儀測得的試驗結(jié)果可知。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。圖45 主要試驗裝置 試驗步驟及數(shù)據(jù)記錄 換能器的試驗 首先對換能器進行測試。 試驗內(nèi)容超聲振動系統(tǒng)振動試驗主要設(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。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，表明在38kHz到39kHz的頻率范圍有諧振點出現(xiàn)。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。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。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。50ppm；(4) 相位分辨率：(－180度～＋180度)；(5) 阻抗范圍：1Ω～100kΩ；(6) 頻率步進：～任意。這樣就將我們要測量的機械振動參數(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)。由于試驗中的超聲波發(fā)生器的頻率可調(diào)范圍窄，因此在試驗過程中對于操作要求極為嚴格。 聲振系統(tǒng)的振動試驗 試驗?zāi)康暮头椒╝. 試驗?zāi)康? 對聲振系統(tǒng)進行試振，觀察試振效果。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行，通過試驗對聲振系統(tǒng)的尺寸做出修正，使振動系統(tǒng)的能量損失小，振動效果達到最佳。在理論分析和設(shè)計的基礎(chǔ)上進行試驗研究，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。圖311 超聲振動深孔研磨裝置實物圖 小結(jié) 根據(jù)深孔研磨和超聲振動加工的特點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)進行了選擇或設(shè)計；并將通過試驗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散到整個加工裝置上，研磨套可以良好地進行超聲振動；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。調(diào)節(jié)螺母:移動螺母使研磨套均勻移動。擋板：調(diào)節(jié)研磨套移動，使研磨套均勻移動。 錐形心軸：支撐研磨套，調(diào)整研磨工具的外徑。 換能器: 將超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換成超聲頻機械振動。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。實物如圖310。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，實物如圖39所示?？烧{(diào)整光滑研磨器結(jié)構(gòu)實物圖如圖39。的錐角。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。其內(nèi)孔制成1:20或1:30的錐度。%～%，%～%。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。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。 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。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。在連續(xù)使用中應(yīng)具有熱變形小尺寸穩(wěn)定的性能。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。 (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。圓柱孔研磨工具有研磨棒和可調(diào)研磨器。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。設(shè)計的階梯形變幅桿尺寸參數(shù)如圖38所示。而且螺紋連接預(yù)緊的可以增強聯(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。(4) 制造簡單，能保持較高的精度。(3) 外形尺寸?。槐緦嶒炑b置是用于深孔加工，整套研磨裝置通過與鉆桿連接，進行研磨，尺寸要求嚴格。因為螺紋連接具有以下特點：(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。ROP=D2= mm由于前面是近似分析，實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。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。(1) 共振長度：取最常用的情況a=b=λ4l= a+b=λ2=(2) 位移節(jié)點x0：位移節(jié)點在中心位置，即x=0處。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。5. 形狀因素階梯型變幅桿的形狀因素于均勻截面桿一樣，即φ=1。a； φb=arctanZ0bZ0atan(KbcosKb1N2cosKbsinKb1N2cosKbsinKasinKb (3―15)當a=b=λ/4 時，放大系數(shù)Mp達到最大。2. 放大系數(shù)Mp在x=0的截面處，由于截面躍變，情況比較復(fù)雜。圖36 階梯形變幅桿由式(3―9)可以得到均勻截面桿的波動方程為 ?2 ξ?x2+K2ξ=0 其解可以寫成ξa =a1cosKx +a2 sinKx ， ax0ξb =a3cosKx +a4sinKx ， 0xb (3―10)由邊界條件 ξ a|x=a=ξ1 A1E?ξa?x|x=a=0得 a1= ξcosKa a2 =ξasinKa (3―11)另一方面，由邊界條件 ξb|x=b=ξ2 A2E?ξb ?x|x=b=F2 得 a3=ξ2cosKb+F2sinKbEKA2 a4=ξ2sinKbF2cosKbEKA2 = ξ2(sinKb+ jZLZ02cosKb) (3―12) 式中：ZL為負載力阻抗。式(39)就是變截面桿縱振動的波動方程。xσx+dx圖35 變截面桿的縱振動(3―6)在簡諧振動的情況下，x處t點時刻的質(zhì)點位移為：式中 A — 振幅，μm；ω — 固有頻率，rad/s；φ — 初相位，rad。為了研究方便，現(xiàn)給出幾個假設(shè)(在各截面尺寸遠小于波長時，這些假設(shè)是允許的):變截面由均勻各向同性材料制成；機械損耗很小，可以忽略不計；超聲變幅桿中通過的彈性波的波振面是平面，即在超聲變幅桿的橫截面上應(yīng)力分布是均勻的；平面縱波沿超聲變幅桿軸向傳播。傳統(tǒng)的超聲變幅桿的設(shè)計方法是從縱向振動變截面桿的波動方程出發(fā)，建立其動力學(xué)微分方程，根據(jù)實際邊界條件求出其定解，從而求出各個設(shè)計參數(shù)，如諧振長度、放大系數(shù)等。一般情況下，在選用超聲變幅桿的類型時應(yīng)從三個方面來考慮：一是設(shè)計比較簡單，容易獲得較準確的設(shè)計數(shù)據(jù)；二是要注意制造的難易程度；三是要根據(jù)振動加工的具體要求，特別是放大倍數(shù)、工作穩(wěn)定性、切削用量等來選擇合適的變幅桿。但主要缺點是較大的放大倍數(shù)下可能發(fā)生側(cè)振，影響總體振動效果并給設(shè)計帶來一定麻煩。各類型變幅桿的優(yōu)缺點如表31所示。二是作為機械阻抗的變換器，使超聲能量由換能器更有效地向負載傳輸。一般情況下，在超聲振動加工過程中，從換能器輻射面所產(chǎn)生的振動振幅較小，當聲振系統(tǒng)的諧振頻率為24kHz的情況下，從換能器輻射面直接能得到的超聲振幅最大只有4μm～5μm，而為了滿足超聲加工需要，要求加工工具的振幅至少要達到10μm以上，因此必須在換能器和加工工具之間增加超聲變幅桿將換能器輻射面得到的振動振幅進行放大。 圖34 輸出匹配回路由圖34，可得到等效復(fù)阻抗ZAB為 (3―1)式中 ZAB — 阻抗，Ω；R0 — 負載電阻，Ω； — 固有頻率，rad/s；L — 電感，H；C0 — 靜態(tài)電容，F(xiàn)。壓電換能器與超聲波發(fā)生器匹配時，由于它是容抗性負載，所以回路中必然產(chǎn)生很大的無功損耗，故采用圖34所示的輸出匹配回路。圖33 壓電式換能器實物圖超聲波發(fā)生器和換能器的匹配包括兩方面的內(nèi)容:一是超聲波發(fā)生器的輸出阻抗與換能器的動態(tài)阻抗一致；二是在額定輸入電功率條件下，換能器輸出的聲功率最大。因此，在此研究中，根據(jù)現(xiàn)有條件，選用壓電式換能器，其實物圖如圖33所示。磁致伸縮換能器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，具有諧振頻帶寬，振動方向單一，抗沖擊性強，穩(wěn)定而耐用等優(yōu)點，但其體積大、轉(zhuǎn)換效率低并且還需要專門的冷卻系統(tǒng)。圖32 超聲波發(fā)生器實物圖換能器是聲振系統(tǒng)的核心部件，它的作用是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換成超聲頻機械振動，并通過超聲變幅桿將振幅放大和聚能后再傳輸?shù)焦ぞ哳^，進而實現(xiàn)對工件的超聲振動加工[28]。在此研究中，根據(jù)要求我們選用陜西博優(yōu)超聲科技有限公司生產(chǎn)的超聲波發(fā)生器(如圖32所示)。此外，在超聲振動加工過程中，由于負載變化、工具磨損、換能器發(fā)熱等一系列因素的影響會使聲振系統(tǒng)的共振頻率產(chǎn)生較大的偏移，致使聲振系統(tǒng)無法正常工作，嚴重時可能造成超聲波發(fā)生器和換能器的損壞，所以超聲波發(fā)生器還要具有適應(yīng)負載變化的自動頻率跟蹤能力和穩(wěn)定輸出振幅的能力，以確保超聲振動系統(tǒng)工作在最佳穩(wěn)定狀態(tài)。他激式超聲波發(fā)生器由振蕩器、驅(qū)動放大器和功率放大器組成，通過輸出變壓器禍合，把超聲能量附加到換能器上。就超聲波發(fā)生器的激勵方式而言，超聲波發(fā)生器主要有兩種:自激式和他激式[27]。如圖31所示，超聲波發(fā)生器主要由電源、振蕩級、放大級和功率級組成。因此，需要設(shè)計一個結(jié)構(gòu)簡單﹑能量傳遞效率高的聲振系統(tǒng)。超聲振動深孔研磨裝置的聲振系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)生器、換能器、超聲變幅桿、彎曲振動圓盤、撓性桿一研磨條底座等組成。(5) 由于深孔加工的特殊性，在超聲振動深孔研磨過程中，傳聲路線比較長，能量損失嚴重，因此，在聲振系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)盡量減少能量損失。 (3) 超聲振動深孔研磨裝置的研磨工具應(yīng)設(shè)計合理，方便研磨膏的粘附和外徑大小的調(diào)節(jié)。設(shè)計合理的連接形式，可以將整個研磨裝置和鉆桿連接起來，設(shè)計工藝裝置，可以將整個聲振系統(tǒng)組裝起來，并且起到保護作用。3 超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計與研制 超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計原則“工欲善其事，必先利其器”，為了研究超聲振動深孔研磨機理及其表面加工質(zhì)量，超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計與研制必然十分重要。(2) 為了更好獲取超聲振動研磨中磨粒的切削運動軌跡特征，對單顆磨粒的切削運動進行了分析，根據(jù)單顆磨粒的運動模型，給出了相應(yīng)的運動方程，得到磨粒的運動軌跡；對超聲振動深孔研磨單顆磨粒運動速度進行分析，由于附加了超聲振動，磨粒運動速度的大小和方向發(fā)生了改變，影響了磨粒的切削性能；分析了附加軸向超聲振動后單顆磨?？涨邢鳜F(xiàn)象產(chǎn)生原因并分析了其對超聲振動研磨加工的影響；對單顆磨粒附加軸向超聲振動的材料去除率理論進行了分析并建立了相應(yīng)的材料去除率理論模型。 小結(jié)本章在超聲振動深孔研磨裝置研制的基礎(chǔ)上，通過對普通研磨和超聲振動研磨的對比分析，建立超聲振動深孔研磨磨粒運動模型并對超聲振動研磨機理進行研究。然而，由于式(214)所建立的材料去除率模型僅考慮到單個磨粒的振動，在實際研磨中，各磨粒之間的相互作用會對材料去除量產(chǎn)生較大的影響，并且由于各磨粒振動特性并不完全相同，準確獲取整個研磨過程的去除率模型比較困難，但是從單顆磨粒材料去除率模型可以定性獲得影響材料去除率的因素。Vδ根據(jù)磨粒運動軌跡特征，一個振動周期內(nèi)單顆磨粒運動路徑長度La為: (2―12)