【正文】 換能器向負(fù)載傳輸。 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(chēng)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。 2． 2 壓電換能器的結(jié)構(gòu)形式。 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。 2) 外加電場(chǎng)與極化方向相反。外加電場(chǎng)起到了使壓電片的 極化 度增大的作用。 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)。其他壓電材料 (包括壓電陶瓷等材料 )也具有上述特性。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(chēng)為壓電晶體。 常用磁致伸縮材料可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是金屬磁致伸縮材料，如鎳、鐵鈷合金、鋁鐵合金等；另 — 類(lèi)是鐵氧體磁致伸縮材料。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。 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(xiàn)圈面成，如圖 2— 3所示。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。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。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。 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。 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)。要提高晶體管發(fā)生器納輸出能力，除了有賴(lài)于高性能器件的開(kāi)發(fā)外，還必須采用高效率的電路。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。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。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。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。習(xí)慣上，把前一種稱(chēng)為它 激式超聲波發(fā)生器，后一種則稱(chēng)為自激式超聲波發(fā)生器。 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。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)。 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。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。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(lèi)。彎的振動(dòng)圓盤(pán) 5 通過(guò)撓性桿 4 把縱向振動(dòng)換能器的振動(dòng)能量分配到各個(gè)油石座上，而油石沿著箭頭 A 所指的方向進(jìn)行縱向振動(dòng)，并于箭頭 C、 B所指的回轉(zhuǎn)運(yùn)功及直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)疊加在一起進(jìn)行超聲珩磨加工。 在圖 2— 1中，件 3表示在位移節(jié)點(diǎn)附近斷開(kāi)、與油石座連接在一起的珩磨油石，件 7 是縱向振動(dòng)換能器，件 4 是撓性桿，它的一端連接在彎曲振動(dòng)圓盤(pán) 5的振動(dòng)腹上，另一端同油石座 10相連。超聲振動(dòng)系統(tǒng)的工作原理是：換能器將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)，變幅桿將換能器的縱向振動(dòng)放大后傳給彎曲振動(dòng)圓盤(pán)，撓性桿再將彎曲振動(dòng)圓盤(pán)的彎曲振動(dòng)變成縱向振動(dòng)后傳給油石座，油石座帶動(dòng)與連接在一起 的油石進(jìn)行縱向振功。 超聲珩磨裝置由珩磨頭體、珩磨桿、浮動(dòng)機(jī)構(gòu)、油石脹開(kāi)機(jī)構(gòu)、超聲振動(dòng)系統(tǒng)等五個(gè)部分構(gòu)成，它是超聲珩磨工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。根據(jù)油石的振動(dòng)方向，超聲珩磨裝置可分為縱 向振動(dòng)超聲珩磨裝置和彎曲振動(dòng)超聲珩磨裝置兩種類(lèi)型。因此．研制超聲珩磨裝置，開(kāi)展超聲珩磨工藝及其應(yīng)用的研究，是非常必要的。 超聲珩磨具有珩磨力小、珩磨溫度低、油石不易堵塞、加工效率高、加工質(zhì)量好、零件滑動(dòng)面耐磨性高等許多優(yōu)點(diǎn)，完全能夠解決普通珩磨存在的問(wèn)題．尤其是銅、鋁、鈦合金等韌性材料管件以及陶瓷、淬火鋼等硬脆材料管件 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 的珩磨問(wèn)題。 超 聲 材 料 去 除 加 工 超聲切削加工 超聲車(chē)削、超聲鉆削、超聲鏜削、超聲插齒、超聲滾齒、超聲攻絲、超聲鋸料、超聲銑削、超聲振動(dòng)鉸孔 超聲磨削加工 超聲修整砂輪，超聲清洗砂輪、超聲磨削、超聲磨齒 磨料沖擊加工 超聲打孔、超聲切割、超聲珩齒 超聲焊接 和其他應(yīng)用 超聲焊接、超聲清洗、超聲電鍍 超聲塑性加工 超聲拉絲、超聲拉管超聲沖截、超聲軋制、超聲彎管、超聲擠壓 超聲復(fù)合加工 超聲電火花復(fù)合加工 超聲電解復(fù)合加工 表 21 超 聲珩磨技術(shù) 普通珩磨時(shí)，油石易堵塞，加工效率低，尤其是在珩磨鋼、鋁、鈦合金等韌件材料管件時(shí)，油石極易堵塞，從而導(dǎo)致油石壽命的過(guò)早結(jié)束，零件已加工表面質(zhì)量差，加工效率很低。超聲加工的應(yīng)用范圍列于表 2— 1。 ⑥利用超聲焊接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)同種或異種材料的焊接，不需要焊劑和外加熱，不因受熱而變形，沒(méi)有殘余應(yīng)力，對(duì)焊件表面的焊接處理要求不高。 ④可以與其他多種加工方法結(jié)合應(yīng)用，如超聲電火花加工和超聲電解加工等。 ③工具可用較軟的材料做成較復(fù)雜的形狀，且不需要工具和工件作比較復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，便可加工各種復(fù)雜的 型腔和型面。既可加工玻璃、陶瓷、寶石、石英、鍺、硅、石墨、金剛石、大理石等不導(dǎo)電的非金屬材料，又可加工淬火鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼、鐵合金等硬質(zhì)或耐熱導(dǎo)電的金屬材料。展望未來(lái)，超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景是美好的。一方面， 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 材料加工的客觀需要推動(dòng)和促進(jìn)了超聲加工技術(shù)的發(fā)展；另一方面，超聲加工技術(shù)的發(fā)展又為材料的加工提供了一種強(qiáng)有力的加工手段，而促進(jìn)了材料加工的發(fā)展。可以預(yù)測(cè)，超聲加工技術(shù)在世界汽車(chē)工業(yè)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 同其他特種加工技術(shù)一樣，超聲加工技術(shù)在不斷完善之中，正向著高精度、微細(xì)化發(fā)展，微細(xì)超聲加工技術(shù)有望成為微電子機(jī)械系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)的有力補(bǔ)充。超聲加工與電火花加工、電解加工、激光加工等技術(shù)相比，既不依賴(lài)于材料的導(dǎo)電性又沒(méi)有熱物理作用，與光刻加工相比又可加工高深寬比三維形狀，這決定于超聲加工技術(shù)在陶瓷、半導(dǎo)體硅等非金屬 硬脆材料加工方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。 (3)微細(xì)超聲加工技術(shù) 隨著以微機(jī)械為代表的工業(yè)制品的日益小型化及微細(xì)化，特別是隨著晶體硅、光學(xué)玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微機(jī)械中的廣泛應(yīng)用，硬脆材料的高精度三維微細(xì)加上技術(shù)己成為世界各國(guó)制造業(yè)的一個(gè)重要研究課題。 由于新材料 (尤其是難加工材料 )的涌現(xiàn)和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效益的要求不斷提高，新的加工方法也不斷出現(xiàn)。但該工藝的加工機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。 近年來(lái)，日本東京農(nóng)工大學(xué)對(duì)氣體介質(zhì)中的電火花脈沖放電加工技術(shù)進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的研究，為電火花脈沖放電加工技術(shù)開(kāi)辟了一條新的途徑。超聲電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)是一項(xiàng)新的復(fù)合加工技術(shù)，能較好地用于形狀復(fù)雜的模具型腔光整加工。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用超聲電火花磨料三元復(fù)合加工技術(shù)對(duì)不銹鋼進(jìn)行加工，解決了電火花小孔加工中生產(chǎn)率和表面質(zhì)量不能兼顧的矛盾，具有較好的應(yīng)用前景?；诜謱尤コ枷氲某曘娤鲾?shù)控加工技術(shù)解決了傳統(tǒng)超聲加工中工具損耗嚴(yán)重且不能在線(xiàn)補(bǔ)償?shù)碾y題，使加工帶有尖角和銳邊的復(fù)雜型面三維工程陶瓷零件成為可能，為工程陶瓷和其他超硬材料的廣泛應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。基于分層去除技術(shù)思想的超聲銑削加工技術(shù)正在被更多的學(xué)者所關(guān)注。尤其是對(duì)硬脆性材料的超精密切削加工、微細(xì)部品 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 和微細(xì)模具的超精密切削加工等方面還需要進(jìn)一步研究。日本企業(yè)界如日立、多賀和 Towa公司等已開(kāi)始這方面的實(shí)用化研究工作。超聲橢圓振動(dòng)切削已受到國(guó)際學(xué)術(shù) 界和企業(yè)界的重視。當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期對(duì)振動(dòng)切削機(jī)理的研究將主要集中在對(duì)振動(dòng)切削中刀具與工件相互作用的力學(xué)分析和振動(dòng)切削機(jī)理的微觀研究及數(shù)學(xué)描述兩個(gè)方面。為了更好地發(fā)揮刀具的效能，除了選用合適的刀具幾何參數(shù)外，在振動(dòng)切削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)為對(duì)刀具材料的開(kāi)發(fā)與使用上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應(yīng)用為主要方向。 ①研制和采用新的刀具 材料。 超聲加工技術(shù)的概況 超聲加工技術(shù)已經(jīng)涉及到許多領(lǐng)域，在各行各業(yè)發(fā)揮了突出的作用，但有關(guān)工藝與設(shè)備的相關(guān)技術(shù)有待于進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)。 1991年研制成功變截面細(xì)長(zhǎng)桿超聲車(chē)削裝置。 1987年，北京市電加工研究所在國(guó)際上首次提出了超聲頻調(diào)制電火花與超聲波復(fù)合的研磨、拋光加工技術(shù)，并成功應(yīng)用于聚晶金剛石拉絲模的研磨和拋光。 1985年，廣西大學(xué)、南京電影機(jī)械廠和南京刀具廠聯(lián)合開(kāi)發(fā)了我國(guó)第一套“ CZQ— 250A型”超聲振動(dòng)切削系 統(tǒng)。1982年，上海鋼管廠、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所及上海超聲波儀器廠研制成功超聲拉管設(shè)備，為我國(guó)超聲加工在金屬塑性加工中的應(yīng)用填補(bǔ)了空白。例如，英國(guó)于 1964年提出使用燒結(jié)或電鍍金剛石工具的超聲旋轉(zhuǎn)加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時(shí)加工速度低和精度差的缺點(diǎn)，取得了較好的效果。 1979年通用超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)已供應(yīng)工業(yè)界應(yīng)用。到 80年代末期，當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)已經(jīng)生產(chǎn)系列超聲振動(dòng)鉆削裝置。在超聲車(chē)削、鉆孔、磨削、光整加工、復(fù)合加工等方面均有 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 生產(chǎn)應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。 1977 年日本將超聲振動(dòng)切削與磨削用于生產(chǎn)，可對(duì)大型船用柴油機(jī)缸套進(jìn)行鏜孔。日本研究超聲加工的主要代表人物有兩位：一位是中央大學(xué)的島川正高教授，《超音波工學(xué)—— 形論和實(shí)際》是他的代表作；另一位是宇都宮大學(xué)的隈部淳一郎教授，《精密加工、振功切削基礎(chǔ)和應(yīng)用》是他的代表作。 1951 年，美國(guó)的科思制成第一臺(tái)實(shí)用的超聲加工機(jī)，并引起廣泛關(guān)注，為超聲加工技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這就是現(xiàn)代聲學(xué)的開(kāi)端。這些活動(dòng)啟發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)期間偵察德國(guó)潛艇的緊張研究。這些實(shí)驗(yàn)使人們開(kāi)始對(duì)超聲波的性質(zhì)有了一定的認(rèn)識(shí)。超聲加工技術(shù)是伴隨著超聲學(xué)的發(fā)展而逐漸發(fā)展的。超聲波發(fā)生器的作用是將 220v 或 380v 的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號(hào)；換能器的作用是將超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)；變幅桿的作用是將換能器的振動(dòng)振幅放大；超聲波的機(jī)械振動(dòng)經(jīng)變幅桿放大后傳給工具，使工具以一定的能量與工件作用，進(jìn)行 加工。 2． 1 超聲加工技術(shù)發(fā)展概況 超聲加工是利用超聲 振動(dòng)的工具在有磨料的液體介質(zhì)中或于磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來(lái)去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)加工，或利用超聲振動(dòng)使工件相互結(jié)合的加工方法。例如，超聲波由于頻率可以很高，因而傳播的方向性較強(qiáng)，同時(shí)超聲設(shè)備的幾何尺寸可以較?。怀暡▊鞑ミ^(guò)程中，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的加速度非常大；在液體介質(zhì)中，當(dāng)超聲波的強(qiáng)度達(dá)到一定值以后便產(chǎn)生空化現(xiàn)象，等等。 超聲波是聲波的一部分，因此它遵循聲波傳播的基本規(guī)律。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，有些超聲技 術(shù)使用的頻率可能在 16kHz以下。一般來(lái)說(shuō)，正常人聽(tīng)覺(jué)的頻率上限 l6~20kHz之間，隨年齡、健康狀況等有所不同。我真誠(chéng)歡迎各位老師不吝賜教，讓我們開(kāi)共同鄭重地見(jiàn)證本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。 至此 ，整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)已接近尾聲，我們所忙碌的成果即將接受檢驗(yàn)。在尺寸以及配合要求以后，著手畫(huà)出CAD圖。終于，明確自己應(yīng)該先分析零部件結(jié)構(gòu)以及工作原理，然后分別計(jì)算并查閱相關(guān)數(shù)據(jù)以致完成草圖設(shè)計(jì)的全部尺寸及配合要求。接下來(lái)，經(jīng)過(guò)老師以及相關(guān)單位允許，深入地觀看了本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品“超聲珩磨裝置”，更加堅(jiān)定了自己做好畢業(yè)設(shè)計(jì)的信心和決心。 畢業(yè)設(shè)計(jì)終究是一次深刻的檢驗(yàn)，它會(huì)讓我們發(fā)現(xiàn)不足，大使它又允許我們有充足的時(shí)間來(lái)彌補(bǔ)錯(cuò)誤取得更加完整的系統(tǒng)化知識(shí)。另外，我也要真誠(chéng)祝愿各位老師今后工作取得更大的成