【正文】 程中短路頻繁，山東大學(xué)的研究人員將超聲振動引入氣中放電加工技術(shù)，并對工程陶瓷進行了加工實驗研究，加工效率提高了 近 3 倍。 在微小三維型面的加工中，利用簡單形狀電極、基于分層制造原理的微細電火花銑削技術(shù)正在受到重視，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了超聲輔助分層去除微細電火花加工技術(shù)，對電極軸向施加的小幅超聲振動對活化極間狀態(tài)、拉大極間間隙、增加排屑能力、提高有效脈沖利用率和放電穩(wěn)定性等方面起到了重要的 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 作用．但是該工藝尚有待于進一步完善以達到實用化?？梢灶A(yù)見，超聲復(fù)合加工將日益顯現(xiàn)出其獨特的魅力，并 將拓展其更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。目前可適用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、電火花加工、激光加工、超聲加工等特種加工技術(shù)。東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所對微細工具的成功制作及微細工具裝夾、工具回轉(zhuǎn)精度等問題的合理解決，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直徑最小為 5?的微孔，從而使超聲加工作為微細加工技術(shù)成為可能。 此外，超聲加工技術(shù)在迅猛發(fā)展的汽車工業(yè)中已有非常廣泛的應(yīng)用，目前超聲加工技術(shù)主要用于精密模具的型孔、型腔加工，難加工材料的超聲電火花和超聲電解復(fù)合加工，塑料件的焊接，以及對具有小孔窄縫而清潔度要求較高的零件的清洗。 綜上所述，超聲加工技術(shù)的發(fā)展及其取得的應(yīng)用成果是可喜的。材料加工中的許多課題需要我們共同去探討。 超聲加工的特點和用途 超聲加工的特點 ①適合加工各種硬 脆材料，不受材料是否導(dǎo)電的限制。 ②由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬時局部的沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱更小，不會產(chǎn)生變形及燒傷，表面粗糙度也較低，可達 一 ，尺寸度可達 ，也適于加工薄壁、窄縫、低剛度零件。一般地，超聲加工機床的結(jié)構(gòu)比較簡單，操作、維修也比較方便。 ⑤ 超聲加工的面積不夠大，而且工具頭磨損較大、故生產(chǎn)率較低。 超聲加工的用途 超聲加工與其他加工方法相結(jié)合，逐漸形成了多種多樣的超聲加工方法和方式．在生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著超 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 聲加工研究的不斷深入，它的應(yīng)用范圍還將繼續(xù)擴大。使用超硬磨料制作的油石進行普通珩磨時，由于價格昂貴，若發(fā)生油石嚴(yán)重堵塞現(xiàn)象，使其性能不能充分發(fā)揮．會造成嚴(yán)重浪費。 超聲技術(shù)用于珩磨是功率超聲應(yīng)用的新發(fā)展，超聲技術(shù)用于珩磨加工的技術(shù)難度比用于切削大，原因在于超聲能量從換能器傳輸?shù)接褪先サ穆窂介L，能量傳遞元件多，需要轉(zhuǎn)換振動方向，需要有較大功率的超聲設(shè)備，并且對超聲的傳輸效率要求也高，否則不但在加工區(qū)得不到足夠的聲能使效果變差，而且容易損壞超聲振動系統(tǒng)。 總體方案確定 超聲能量是利用超聲珩磨裝置傳輸?shù)界衲ゼ庸^(qū)的。圖 2— 1是縱向振動超聲珩磨裝置。而超聲振動系統(tǒng)又由換能器、變幅桿、彎曲振動圓盤、撓性桿 —— 油石座振動子系統(tǒng)、油石等零部件組成。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 圖 21 縱向振動超聲珩磨裝置 3 珩磨油石； 4撓性桿； 5彎曲振動圓盤； 6變幅桿； 7換能器； 8珩磨桿； 9彈簧； 10油石座； 11珩磨頭體； A油石振動方向； BC往復(fù)運動和回轉(zhuǎn)運動方向。彎曲振動圓盤 5是在變幅桿 6的推動下產(chǎn)生彎曲振動 的。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 超聲珩磨裝置 1) 超聲波發(fā)生器 超聲波發(fā)生器也稱作超聲電源，它是一種用以產(chǎn)生超聲頻電能并向超聲換能器提供的裝置。模擬電路超聲波發(fā)生器又分為振蕩 — 放大型和逆變型兩種。在這里我們只討論前者，后者在實際應(yīng)用中很少遇到。由圖中可以看出，振蕩— 放大型超聲波發(fā)生器實際上就是一個帶有振蕩電路的放大器。下面逐一介紹超聲波發(fā)生器的各個部分。它可以是一個獨立的振蕩器，也可以是一個反饋網(wǎng)絡(luò)。它激方式產(chǎn)生的超聲波振蕩頻率比較穩(wěn)定，并且可以在較寬的頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 超聲波放大器 超聲波放大器的作用是將振蕩信號放大至所需電平。早期的超聲波發(fā)生器是用電子管做放大器件，現(xiàn)在則普遍采用晶體管 (三極管、場效應(yīng)管和 IGBT器件 )。 (1)晶體管超聲波放大器 目前 工業(yè)上廣泛使用的超聲波發(fā)生器基本上被晶體管電路所壟斷。但從另一方面講，由于受到反向擊穿電壓、最大集電極電流、最大集電極耗散功率參數(shù)的限制，通常一對晶體管的最大輸出功率只能達到百瓦級。 (2)絕緣柵雙極型晶體管 (1GBT)放大器 隨著電力電子器件的發(fā)展，特別是 IGBT 的發(fā)展和成熟，開關(guān)式放大器的輸出功率提高很多。最大功率輸出可以達到 5KW，是理想的超聲波放大器件。一般放大器與負載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)聲器與負載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項很重要的內(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載中的電抗成分諧振。 2 數(shù)字電路超聲波發(fā)生器 數(shù)字電路起聲波發(fā)生器的基本原理 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 采用數(shù)字電路超聲波發(fā)生器，可以消除溫度漂移等常規(guī)模擬發(fā)生器難以克服的缺點，有利于參數(shù)整定和變參數(shù)調(diào)節(jié)，便于通過程序軟件的改變方便地調(diào)整控制方案和實現(xiàn)多種新型控制策略，同時可減少元器件的數(shù)目、簡化硬件結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。 2) 超聲換能器 超聲換能器是超聲振動系統(tǒng)的核心部件。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，下面我們將根據(jù)材料的特性和換能器的工作原理對這兩類換能器分別進行討論。當(dāng)線圈中通以 — 定直流電流 0I 產(chǎn)生最佳偏磁場 0H 后，再通以交變電流 I使其產(chǎn)生交變磁場，位移作用于 0H 之上，由此鐵芯中的磁場將在 0H 水平上變化。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 圖 2— 3 磁致伸縮換能器 磁致伸縮換能器的材料 對用于磁致伸縮換能器材料的基本要求： 1) 磁致伸 縮應(yīng)力常數(shù)要盡可能大； 2) 磁滯及渦流損耗要盡可能?。? 3) 對高強度輻射換能器所用的材料，飽和磁致伸縮值要大； 4) 材料疲勞強度要高； 5) 對于金屬磁致伸縮材料，要易于軋制成薄片及加工成型。常用的鐵氧體磁致伸縮材料有鎳銅系和鎳鋅系鐵氧體。對這種晶體在適當(dāng)?shù)姆较蛏鲜┘幼? 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 用力時，其內(nèi)部的電 極化狀態(tài)會發(fā)生變化，產(chǎn)生內(nèi)部電場，并會在壓電晶體相對兩表面內(nèi)出現(xiàn)與外力成正比的、符號相反的束縛電荷，這種外力作用使壓電晶體帶電的現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。壓電晶體通過逆壓電效應(yīng)可以將電能轉(zhuǎn)換成機械能。 有兩種壓電效應(yīng)是很常用的，一種是形變的方向與電場的方向相重合，這種壓電效應(yīng)如圖 24 所示，稱之為縱向壓電效應(yīng)；另一種是 形變的方向與電場的方向相垂直，這種壓電效應(yīng)如圖 2— 5所示，稱之為橫向壓電效應(yīng)。可能出現(xiàn)兩種情況： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 圖 2— 6 壓電換能器的工作原理 1) 外加電場與壓電片極化方向相同。極化強度的增大，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度，使 壓電片沿極化方向產(chǎn)生縮短的形變。當(dāng)外加電場頻率與壓電片固有頻率相同產(chǎn)生諧振時，壓電片振動最大，聲輻射也最強烈。 超聲加工處理設(shè)備中常用的壓電換能器結(jié)構(gòu)形式有以下幾類： ①薄長片形換能器； ②圓環(huán)形換能器； ③薄圓片形換能器，又分薄圓片換能器和薄圓片加透聲板的復(fù)合換能器； ④夾心式換能器，又分螺桿夾心式換能器、脹力殼夾心式換能器、多孔結(jié)構(gòu)寬頻帶夾心式換能器。在超聲振動系統(tǒng)工作過程中，由超聲換能器輻射面所產(chǎn)生的振動幅度較小，當(dāng)工作頻率在 20kHz 范圍內(nèi)超聲換能器輻射面的振幅只有幾微米， 而在超聲加工、超聲焊接、超聲搪錫、超聲破壞細胞、超聲金屬成型 (包括超聲冷拔管絲和鉚接 )等大量高強度超聲應(yīng)用中所需要的振幅大約為幾十至幾百微米，所以必須借助變幅桿的作用將機械振動質(zhì)點的位移量和運動速度進行放大，并將超聲能量聚集在較小的面積上，產(chǎn)生聚能作用。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 (即振幅放大倍數(shù)等于 1)的波節(jié)平面處加帶一個法蘭盤，利用法蘭盤將超聲振動系統(tǒng)固裝在超聲設(shè)備上。 變幅桿可分為縱向振動變幅桿、彎曲振動變幅桿、扭轉(zhuǎn)振動變幅桿。簡單形又可分為；指數(shù)形、圓錐形、懸鏈形、階梯形。 縱向振動變幅桿 — 單一變幅桿 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 (1)單一變幅桿的特件參數(shù) 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) pM ，形狀因數(shù)? ，位移節(jié)點 0x ，輸入力阻抗 0Z 和彎曲勁度等參數(shù)加以描述的。如等截面桿的 ? 值為 1，常用變幅桿的 ? 值都接近于 3，而某些特殊形狀的變幅桿， ? 值可達 5左右；輸入力阻抗 0Z 定義為輸入端策動力與質(zhì)點振動速度的復(fù)數(shù)比值。變幅桿越長，彎曲柔順性越大，在許多實際應(yīng)用中這是需要避免的。它是超聲所磨裝置遞振的重要零件，該零件的設(shè)計、制造質(zhì)量的好壞，直接影響到變幅桿的振動能否通過它傳遞到撓性桿上，并保證振動時珩磨桿不振動。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 圖 29 彎曲振動圓盤 (2)撓性桿 油石座振動子系統(tǒng) 圖 210 超聲珩磨裝置 (軸向 )的撓性桿 — 油石座振動子系統(tǒng)是由兩段不同截面的均勻桿組成如圖所示，其頻率方程為 式中， 1c 、 2c 為撓性桿和油石座聲速； 1L 、 2L 為撓性桿和油石座長 圖 210 撓性桿 油石座振動子系統(tǒng) 度； 1S 、 2S 為撓性桿和油石座截面積； 1? 、 2? 為撓性桿和油石座材料密度； 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 ? 為角頻率。在超聲珩磨中，超聲能量最終要通過油石傳遞珩磨 加工區(qū)。如何保證超聲能量可靠地傳輸?shù)接褪希褪诔暷芰孔饔孟碌墓r如何，超聲珩磨油石的磨料如何選擇，一直是從事設(shè)計、研制超聲珩磨裝置的科研人員和工廠技術(shù)人員所關(guān)心的問題。 粘接劑的性能應(yīng)該滿足抗拉強度大、耐高溫（ 150℃）、傳聲效率高、壽命長的要求。撤除壓力后．待 2～ 3d即可使用。 超聲對磨油石可以采用熱壓法直接在油石座上成形。先將模具和成形料加熱至 140 ℃左右，最 后施加一定的壓力 (例如 )并保壓 30min 壓制而成。為了保證油石和油石座的連接強度，熱壓成形前，應(yīng)將油石座被連被面銑出若干條縱橫交錯的溝槽 (寬 15mm，深 1mm)。 為了保證聲能的高效傳輸，可以采用銀焊法。銀焊法的優(yōu)點 是傳聲效率高，油石和油石座的連接壽命最長。樹脂結(jié)合劑的油石不能采用銀焊法，只能采用粘接法或熱壓成形法；青銅結(jié)合劑的油石可以采用銀焊法，當(dāng)然也可以來用粘接法或熱壓成形法。一船情況下，不宜使用銀焊法。 錫焊法適用于金屬結(jié)合劑的油石，連接強度低于銀焊法，價格便宜。 7) 冷卻液 在珩磨加工中，油石對工件接觸面積大、珩磨壓力小、珩磨速度低，出此發(fā)熱量小。溫度對孔徑的影響為 ／15℃，所以在冬天或夏天，都有必要調(diào)整珩磨尺寸精度。對孔徑為 100mm的工件，需有 ～／ min流量的冷卻液。雜質(zhì)劃傷加工表面的可能性必須排 除?？紤]到安全和對環(huán)境的影響，不宜用煤油．要用礦物油加極化添加劑。超聲加工系統(tǒng)首先由超聲波發(fā)生器將 50Hz的交流電 (220V 或380V)轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l電振蕩信號，然后由換能器將超聲頻振蕩信號轉(zhuǎn)換成超聲頻機械振動，再由變幅桿將振動振幅放大，使其能用于加工。它主要由振蕩器、電壓放大器、功率放大器和輸出變壓器等部分組成，其中，振蕩器是超聲波發(fā)生器的心臟。自激式超聲波發(fā)生器把振蕩、功放、輸出變壓器及換能器作為一個整體，形成一個閉合回路，使之滿足幅度、相位反饋的自激振蕩，組成諧振于換能器的機械共振頻率上的振蕩器。通 過輸出變壓器偶合，把超聲能量加到壓電換能器上。頻率穩(wěn)定，在所需范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，最好有頻率自動跟蹤系統(tǒng) 。對超聲波發(fā)生器的其它要求是結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、經(jīng)久耐用、價格便宜。 晶體管與電子管混合兼顧二者的優(yōu)點，具