超聲波加工以及機(jī)床設(shè)計(jì)-機(jī)械設(shè)計(jì)論文

1、-1. 緒論1.1 論文的提出及其應(yīng)用價(jià)值課題所屬研究領(lǐng)域由于各種新材料、新構(gòu)造、形狀復(fù)雜的精細(xì)機(jī)械零件大量涌現(xiàn)，對(duì)機(jī)械制造業(yè)提出了一系列迫切需要解決的問題。對(duì)這些材料用傳統(tǒng)加工方法十分困難，于是產(chǎn)生了特種加工技術(shù)，雙面超聲波加工就是其中一種。超聲波加工(USM)是利用超聲波振開工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲波頻振動(dòng)進(jìn)展振動(dòng)加工，或利用超聲波振動(dòng)使工件相互結(jié)合的加工方法。幾十年來，超聲波加工技術(shù)的開展迅速，在超聲波振動(dòng)系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲波復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究和

2、應(yīng)用，尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的工藝問題，取得了良好的效果。超聲波加工非常適合于加工硬脆材料，而且不會(huì)損害工件外表，所以是加工硅工件的理想方法1。超聲波加工方法是近50年來逐步開展的一種新型加工方法。在難加工材料和精細(xì)加工中，超聲波加工方法具有普通加工無法比擬的工藝效果，具有廣泛的應(yīng)用圍。超聲波加工技術(shù)橫跨機(jī)械學(xué)、電學(xué)、和聲學(xué)三個(gè)學(xué)科，因而可把超聲波加工視為穿插學(xué)科1。 課題的理論意義和應(yīng)用價(jià)值如今的一些材料，如硅晶體具有強(qiáng)度高、硬度高、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、比重低和自潤滑等優(yōu)良特性，已在電子、機(jī)械、能源、航空航天等眾多領(lǐng)域顯示出相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。然而，硅材料的加工十分困難，

3、尤其是對(duì)于具有復(fù)雜型面的硅材料零件至今尚無有效的加工手段。目前硅材料的加工技術(shù)已成為制造業(yè)研究的熱點(diǎn)。材料的加工技術(shù)中，金剛石磨削方法只能加工簡單型面的零件，而對(duì)于較復(fù)雜的型面，如有銳角要求的槽形零件和非回轉(zhuǎn)體外表，就無能為力了；激光束加工LBM技術(shù)雖然可用于硅零件的加工，但會(huì)使加工外表產(chǎn)生達(dá)50的微觀裂紋，很難適應(yīng)航空航天重要零件的要求；此外，由于硅材料電導(dǎo)率低且化學(xué)穩(wěn)定性好的限制，使得電火花EDM及電化學(xué)ECM加工方法不適于加工硅零件。而超聲波加工USM不需工件導(dǎo)電，可加工任何超硬材料，且不屬于熱過程，對(duì)加工外表損害極小，可穩(wěn)定地加工出精度為，外表粗糙度為RaO.510.76的零件，已成為

4、加工硅晶體最具潛力的方法之一4。超聲波加工(USM)是利用超聲波振開工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲波頻振動(dòng)進(jìn)展振動(dòng)加工，或利用超聲波振動(dòng)使工件相互結(jié)合的加工方法5。幾十年來，超聲波加工技術(shù)的開展迅速，在超聲波振動(dòng)系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲波復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究和應(yīng)用，尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的工藝問題，取得了良好的效果。1.2國外超聲波加工研究現(xiàn)狀和開展趨勢(shì)超聲波加工技術(shù)的研究最早可追溯到1927年和的奠基性工作，并于1954年由L.Balamuch研制

5、出第一臺(tái)超聲波加工機(jī)床。從50年代以來，許多國家都對(duì)這一技術(shù)進(jìn)展了研究。日本政府設(shè)立了專門的振動(dòng)切削研究所，許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也都設(shè)有這個(gè)研究課題。原聯(lián)在這方面的研究也較早，在超聲波車削、鉆孔、磨削、光整加工、復(fù)合加工等方面均有生產(chǎn)應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。60年代初美國就開場(chǎng)了超聲波加工的研究，70年代中期，美國在超聲波波鉆中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已處于生產(chǎn)應(yīng)用階段:超聲波車削、鉆孔、鏜孔已處于試驗(yàn)性生產(chǎn)設(shè)備原型階段;通用超聲波振動(dòng)切削系統(tǒng)已供工業(yè)應(yīng)用，日前已形成局部標(biāo)準(zhǔn)。德國和英國也對(duì)超聲波加工的機(jī)理和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展了大量的研究工作，并發(fā)表了許多有價(jià)值的論文，在生產(chǎn)中也

6、得到了積極的應(yīng)用5。英國Harwe11國家原子能權(quán)威機(jī)構(gòu)是此理論的早期探索者之一，他們的研究需要在耐火材料成形的特殊瓷上鉆一些1.01625.4mm，傳統(tǒng)機(jī)械加工的局限性激發(fā)了他們探索新技術(shù)的興趣。美國從1969年開場(chǎng)使用金剛石工具的超聲波旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)。經(jīng)過近40年的時(shí)間，各國的研究者們進(jìn)展了許多實(shí)驗(yàn)，研究出控制參數(shù)如超聲波波振幅、靜壓力、轉(zhuǎn)速、金剛石類型、磨粒尺寸及連接類型等與加工結(jié)果如材料去除率、工具磨損等之間的關(guān)系。建立了有關(guān)材料去除的塑性去除、脆性去除等多種材料去除模型，并進(jìn)展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1970年，Tyrell用金剛石空心鉆在玻璃片邊上加工出兩個(gè)1.Omm的孔，孔深63.5mm,相距

7、僅0.5mm，每個(gè)孔的平均加工時(shí)間為14分鐘。他還使用金剛石空心鉆在厚88.9m的氧化鈹1.Omm的孔，加工完畢后，在鉆芯抽出完整的0.4mm的工件材料1，5。1992年，rabhakertalD.和HaselkonM.在大量超聲波旋轉(zhuǎn)加工材料去除率試驗(yàn)研究的根底上，給出預(yù)測(cè)材料去除率的經(jīng)歷模型，并對(duì)各種加工因素及其交互作用對(duì)材料去除率的影響進(jìn)展了分析和討論。對(duì)超聲波旋轉(zhuǎn)加工中材料去除機(jī)理的研究，Markov等認(rèn)為，脆性材料的破裂是大量的微觀裂紋及裂紋擴(kuò)展到一定深度的結(jié)果。Markov和Ustinov認(rèn)為，超聲波旋轉(zhuǎn)加工中存在一個(gè)被加工材料的脆性斷裂特別強(qiáng)烈的過程，它是被加工外表的微小裂紋交織

8、成網(wǎng)和外表撕扯的結(jié)果。Kubota等報(bào)道超聲波旋轉(zhuǎn)加工中材料以“貝殼狀的碎片形式去除。Z.J.Pei,P.M.Ferrira和M.haselkorn通過實(shí)驗(yàn)證明，除了脆性斷裂，塑性流動(dòng)是超聲波旋轉(zhuǎn)加工中材料去除的另一種主要方式14,15。硅材料不同加工工藝的研究說明，超聲波旋轉(zhuǎn)加工在較低的加工壓力和較輕的外表損傷情況下，有較高的材料去除率，是有潛力的加工方法。Tyrell也報(bào)道:使用超聲波振動(dòng)，需要的加工壓力小于無超聲波加工時(shí)的壓力。最近，國外又出現(xiàn)了超聲波旋轉(zhuǎn)面銑削技術(shù)，由于RUM鉆深小孔時(shí)，其加工面及碎片很難觀察，為了抑制這個(gè)困難，采用面銑削方法加工硅晶體，用掃描電鏡觀察加工面和碎片。研究

9、說明，硅加工中，材料的去除機(jī)理包括塑性去除及脆性去除。在一些加工條件下，塑性去除占主要地位，在另一些加工條件下，脆性去除占主要地位;通過調(diào)整不同的加工參數(shù)，可以調(diào)整塑性去除及脆性去除的比例。由于超聲波旋轉(zhuǎn)加工只能加工原形孔和型腔，因此配以適當(dāng)?shù)臄?shù)控系統(tǒng)，借鑒數(shù)控銑削的方法就可以加工具有復(fù)雜三維型面的工程瓷，國外許多學(xué)者正在開展三維輪廓微細(xì)旋轉(zhuǎn)超聲波加工的研究。我國超聲波加工技術(shù)的研究始于50年代末。60年代末，工業(yè)大學(xué)應(yīng)用超聲波車削，加工了一批飛機(jī)上的鋁制細(xì)長軸，后這項(xiàng)技術(shù)的研究中斷了十多年。1976年以后，我國再次開展超聲波加工的試驗(yàn)研究和理論探討工作。工業(yè)大學(xué)、*大學(xué)以及光學(xué)儀器廠等單位率

10、先進(jìn)展了超聲波波車削設(shè)備及實(shí)驗(yàn)研究。1982年，鋼管廠、中科院聲學(xué)研究所和超聲波波儀器廠研制成功超聲波拉管設(shè)備。1985年以來，超聲波波旋轉(zhuǎn)加工機(jī)、超聲波珩磨裝置和變截面細(xì)長桿超聲波車削裝置相繼研制成功.到1993年，我國己發(fā)表了300多篇有關(guān)超聲波加工等的科學(xué)研究論文。半個(gè)多世紀(jì)以來，經(jīng)過各國學(xué)者的不懈努力，超聲波加工技術(shù)己有了長足的進(jìn)步。主要表達(dá)在:實(shí)驗(yàn)出加工參數(shù)振幅、頻率、靜壓力、磨料材料及粒度、懸浮工作液的濃度和工作液循環(huán)方式等)對(duì)加工效率的影響規(guī)律;總結(jié)出靜壓力、工件材料硬度、加工工具材料硬度是影響工具損耗的主要因素;總結(jié)出磨料粒度及懸浮工作液的均勻性對(duì)工件外表質(zhì)量有影響規(guī)律;利用有

11、限元的方法使變幅桿的設(shè)計(jì)更合理;機(jī)械增益Q值高的材料用于制作變幅桿、性能優(yōu)良的PCD用于制作工具頭，使加工效率大大提高;工具頭回轉(zhuǎn)的超聲波加工使加工效率提高3至4倍;采用性能優(yōu)良的壓電瓷換能器使加工機(jī)床的體積大大減小，能量利用率大大提高;90年代Suzuki.K.研制的工程瓷無旋轉(zhuǎn)超聲波波磨削新技術(shù)明顯提高了加工效率，也可以用來加工較復(fù)雜的型面1，5?，F(xiàn)在，該技術(shù)應(yīng)用的可行性己經(jīng)成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)，并在一些國家包括英國、法國、瑞士、日本等國家得到了研究?，F(xiàn)在有些控制旋轉(zhuǎn)超聲波加工系統(tǒng)的C可以通過購置而使用，例如:E*turde Hone limited(法國)的Sone*300, Eroson

12、ic AG(瑞士)的ErosonicUS400/US8001410。綜上所述，超聲波加工技術(shù)開展機(jī)器取得的應(yīng)用成果是可喜的。一方面材料加工的客觀需求推動(dòng)和促進(jìn)了超聲波加工技術(shù)的開展；另一方面，超聲波加工技術(shù)的開展為材料的加工提供了一種強(qiáng)有力的加工手段，而促進(jìn)了材料加工的開展。展望未來，超聲波加工技術(shù)的開展前景是美好的。2.超聲波加工技術(shù)概述2.1 超聲波加工的根本原理和特點(diǎn)2.1.1 超聲波波的特性人耳可以聽到的聲波的頻率圍約為1620000Hz。低于16Hz的聲波稱為次聲波，高于20000Hz的聲波稱為迢聲波。人們還把頻率為Hz以上的聲波稱為特超聲或微波超聲。超聲波具有如下特性：1超聲波波可

13、在氣體、液體和固體介質(zhì)中傳播，其傳播速度與頻率、波長、介質(zhì)密度等有關(guān)，可用公式表示 ：21式中超聲波波傳播速度波長m頻率Hz2超聲波波在各種介質(zhì)中傳播，其運(yùn)動(dòng)軌跡都按余弦函數(shù)規(guī)律變化，其位移為：22式中 *-質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的位移mA-振幅m-圓頻率rad/st-時(shí)間s-振動(dòng)的相位角rad3超聲波波可傳遞很強(qiáng)的能量，其能量強(qiáng)度可用垂直于波的傳播方向單位面積的能量來表示，超聲波加工中的能量強(qiáng)度高達(dá)幾百瓦/平方厘米，且90%作用于工件外表。4超聲波波會(huì)產(chǎn)生反射、干預(yù)和共振現(xiàn)象。出現(xiàn)波的疊加作用，使彈性桿中*處質(zhì)點(diǎn)始終不動(dòng)，而*處質(zhì)點(diǎn)的振幅則大大增加，從而獲得更大的超聲波加工能量如圖2-1所示。這是因?yàn)?，?/p>

14、聲波波在同一彈性桿的一端向另一端傳播時(shí)，在不同介質(zhì)的介面上會(huì)產(chǎn)生一次或?qū)掖尾ǖ姆瓷?，結(jié)果在有限長彈性桿，將存在假設(shè)干個(gè)周期一樣、振幅相等、傳播方向一樣或相反的波。于是在彈性桿傳播的波，會(huì)出現(xiàn)波疊加，致使*處振動(dòng)始終加強(qiáng)，或*處振動(dòng)始終減弱，產(chǎn)生波的干預(yù)現(xiàn)象3。圖2-1 彈性桿質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)狀況11-反射波2-合成波3-人射波b-波節(jié)點(diǎn)-波節(jié)點(diǎn)至波反射端的距離如圖2-1中tT/4或3T/4的情況是當(dāng)彈性桿的長度恰為半波長的整數(shù)倍，且相位一樣時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)波的干預(yù)而產(chǎn)生振幅增加的駐波，即波共振現(xiàn)象。而圖2-1中t0、T/2和T的情況，則是相位相反時(shí)出現(xiàn)的干預(yù)現(xiàn)象，使疊加后的振幅為零，不產(chǎn)生振動(dòng)。由上述分析

15、可知，為了提高超聲波加工生產(chǎn)效率，必須使彈性桿處于最大振幅的共振狀態(tài)，其設(shè)計(jì)長度為半波的整數(shù)倍，桿的支點(diǎn)選在振動(dòng)過程中的不動(dòng)點(diǎn)，即波節(jié)點(diǎn)上；而桿的工作端部應(yīng)選在最大振幅的波腹處如圖2-1所示。5超聲波波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象，強(qiáng)化了加工過程的進(jìn)展3。因超聲波波通過懸浮磨粒的液體介質(zhì)時(shí)，會(huì)使液體介質(zhì)連續(xù)地產(chǎn)生壓縮和稀疏區(qū)域，由于壓力差而形成氣體的空腔，并隨著稀疏區(qū)的擴(kuò)展而增大，部壓力下降，與此同時(shí)，受周圍液體壓力及磨粒傳遞的沖擊力作用，又使氣體空腔壓縮而提高壓力，于是，轉(zhuǎn)人壓縮區(qū)狀態(tài)時(shí)，迫使其破裂產(chǎn)生沖擊波。由于進(jìn)展的時(shí)間極短，因此，會(huì)產(chǎn)生更大的沖擊力作用于工件外

16、表，從而加速磨粒的切蝕過程。 超聲波加工的根本原理超聲波加工時(shí)，高頻電源聯(lián)接超聲波換能器如圖2-2所示，由此將電振蕩轉(zhuǎn)換為同一頻率、垂直于工件外表的超聲波機(jī)械振動(dòng)，其根幅僅0.0050.01mm，再經(jīng)變幅桿放大至0.050.1mm，以驅(qū)開工具端面作超聲波振動(dòng)。此時(shí)，磨料懸浮液磨料、水或煤油等)在工具的超聲波振動(dòng)和一定壓力下，高速不停地沖擊懸浮液中的磨粒，并作用于加工區(qū)，使該處材料變形，直至擊碎成微粒和粉末。同時(shí)，由于磨料懸浮液的不斷攪動(dòng)，促使磨料高速拋磨工件外表，又由于超聲波振動(dòng)產(chǎn)生的空化現(xiàn)象，在工件外表形成液體空腔，促使混合液滲入工件材料的縫隙里，而空腔的瞬時(shí)閉合產(chǎn)生強(qiáng)烈的液壓沖擊，強(qiáng)化了機(jī)

17、械拋磨工件材料的作用，并有利于加工區(qū)磨料懸浮液的均勻攪拌和加工產(chǎn)物的排除。隨著磨料懸浮液不斷地循環(huán)。磨粒的不斷更新。加工產(chǎn)物的不斷排除，實(shí)現(xiàn)了超聲波加工的目的12?？傊?，超聲波加工是磨料懸浮液中的磨粒，在超聲波振動(dòng)下的沖擊、拋磨和空化現(xiàn)象綜合切蝕作用的結(jié)果。其中，以磨粒不斷沖擊為主。由此可見，脆硬的材料，受沖擊作用愈容易被破壞，故尤其適于超聲波加工圖2-2超聲波加工原理圖121-冷卻器，2-磨料懸浮液抽出，3-工具，4-工件，5-磨料懸浮液輸入，6-變幅桿，7-磁致伸縮換能器，8-高頻發(fā)生器2.1.3超聲波加工的特點(diǎn)1適合加工各種硬脆材料，尤其是玻璃、瓷、寶石、硅、鍺、硅、石墨等不導(dǎo)電的非金屬

18、材料。也可加工淬火鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼、鈦合金等硬質(zhì)或耐熱導(dǎo)電的金屬材料，但加工效率較低。2由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬時(shí)局部的沖擊作用，故工件外表的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱更小，不會(huì)產(chǎn)生變形及燒傷，外表粗糙度也較低，可達(dá)Ra:063008，尺寸精度可達(dá)正負(fù)003mm，也適于加工薄壁0.63低剛度零件。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擬復(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。一般，超聲波加工機(jī)床的構(gòu)造比擬簡單，操作、維修也比擬方便。4超聲波加工的面積不夠大，而且工具頭磨損較大，故生產(chǎn)率較低2。2.2 超聲波加工設(shè)備及其組成局部超聲波加工設(shè)備的功率和

19、構(gòu)造有所不同，但其根本組成一樣。一般包括超聲波發(fā)生器、超聲波振動(dòng)系統(tǒng)、磨料懸浮液循環(huán)系統(tǒng)和機(jī)床。其主要組成如圖23所示。圖2-3 超聲波加工設(shè)備的主要組成2.2.1 超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器又叫超聲波頻發(fā)生器或超聲波波電源的作用是將工頻交流電轉(zhuǎn)換為功率為204000W的超聲波頻振蕩，以供給工具端面往復(fù)振動(dòng)和去除工件材料的能量。超聲波發(fā)生器的電路由振蕩級(jí)、電壓放大級(jí)、功率放大級(jí)及電源組成如圖2-4所示。其可以是他激式，也可以是自動(dòng)跟蹤式。后者是一種自激振蕩推動(dòng)多級(jí)放大的功率發(fā)生器2。圖2-4 超聲波發(fā)生器的組成方框圖自激頻率取決于超聲波波振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率。當(dāng)出于*種原因，如更換工具或工具頭磨損

20、、部件受熱或壓力變化等，會(huì)引起超聲波波振動(dòng)系統(tǒng)共振頻率的變化，可通過“聲反響或“電反響使超聲波波發(fā)生器的工作頻率能自動(dòng)跟蹤變化，保證超聲波波振動(dòng)系統(tǒng)始終處于良好的諧振狀態(tài)。為此，一般要求超聲波波發(fā)生器應(yīng)滿足如下條件：l輸出阻抗與相應(yīng)的超聲波波振動(dòng)系統(tǒng)輸入阻抗匹配；2頻率調(diào)節(jié)圍應(yīng)與超聲波波振動(dòng)系統(tǒng)頻率變化圍相適應(yīng)，并連續(xù)可調(diào)；3輸出功率盡可能具有較大的連續(xù)可調(diào)圍，以適應(yīng)不同工件的加工；4構(gòu)造簡單、工作可靠、效率高，便于操作和維修。2.2.2超聲波振動(dòng)系統(tǒng)超聲波振動(dòng)系統(tǒng)主要包括換能器、變幅桿、工具。其作用是將由超聲波發(fā)生器輸出的高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)能，并通過變幅桿使工具端面作小振幅的高頻振動(dòng)，

21、以進(jìn)展超聲波加工。l換能器5換能器的作用是將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)。目前，根據(jù)其轉(zhuǎn)換原理的不同，有磁致伸縮式和壓電式兩種。換能器在縱向或壓縮模式下工作。工業(yè)應(yīng)用常使用的有磁致伸縮和壓電裝置的。因?yàn)榇胖律炜s式的Q值Q是對(duì)能量峰值鋒利程度的測(cè)量很低，所以允許變幅桿更大的設(shè)計(jì)撓度，能夠適應(yīng)工具磨損。另外，變幅桿可以被許屢次的改進(jìn)設(shè)計(jì)而不會(huì)有太大的振幅損失。磁致伸縮式換能器磁致伸縮效應(yīng)是指，鐵、鈷、鎳及其合金；或鐵氧體等材料的長度可隨所處磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而伸縮的現(xiàn)象。鎳在磁場(chǎng)中的最大縮短量為其長度的0.004，鐵和鈷則在磁場(chǎng)中為伸長，當(dāng)磁消失后又恢復(fù)原有尺寸如圖2-5所示。這種材料的棒桿在交變磁場(chǎng)中，

22、長度將突變伸縮，端面將交變振動(dòng)。圖2-5 幾種材料的磁致伸縮曲線l-75鎳十25鐵2-49鈷十2釩十49鎳3-6鎳十94鐵 4-29鎳十71鐵5-退火鈷6-鎳為了減少高頻渦流損耗，超聲波加工中常用純鎳片疊成封閉磁路的鎳棒換能器，即鎳磁致伸縮式換能器。其機(jī)械強(qiáng)度較高、輸出功率較大，常用于中功率和大功率的超聲波加工。缺乏的是鎳片的渦流發(fā)熱損失較大，能量轉(zhuǎn)換效率較低，加工過程中需用風(fēng)或水冷卻，否則隨著溫度的升高，磁致伸縮效應(yīng)變小甚至消失，也可能將線圈繞組的絕緣材料燒壞。如果輸入磁致伸縮換能器線圈中的電流是交流正弦波形，則每一周波的正半波和負(fù)半波將引起磁場(chǎng)兩次大小變化，使換能器也伸縮兩次，出現(xiàn)“信頻現(xiàn)

23、象。信頻現(xiàn)象使振動(dòng)節(jié)奏模糊，并使共振長度變短，對(duì)構(gòu)造和使用均不利。為了防止這種信頻現(xiàn)象，常在換能器的交流勵(lì)磁電路中引入一個(gè)直流電源，疊加一個(gè)直流分量，使之成為脈動(dòng)直流勵(lì)磁電流，或并聯(lián)一個(gè)直流勵(lì)磁繞組，加一恒定的直流磁場(chǎng)c鎳棒長應(yīng)等于超聲波波半波長或其整部數(shù)，使之處于共振狀態(tài)。此外，因鐵氧體材料的磁致伸縮效應(yīng)做成的鐵氧體磁致伸縮換能器，其電聲效率高，但機(jī)械強(qiáng)度低、單位面積輻射功率小，一般用于功率較小的超聲波加工。壓電效應(yīng)換能器壓電效應(yīng)是指，硅晶體、鈦酸鋇以及諸鈦酸鉛等物質(zhì)在受到機(jī)械壓縮或拉伸變形時(shí)，在其兩端面上產(chǎn)生一定的電荷而形成一定的電勢(shì)。相反，改變兩端面上的電壓，也會(huì)產(chǎn)生一定的伸縮變形的現(xiàn)象

24、如圖2-6所示。假設(shè)利用上述物質(zhì)的壓電效應(yīng)，在兩面加16000Hz以上的交變電壓，則該物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生高頻的伸縮變形，使周圍的介質(zhì)作超聲波振動(dòng)。為了獲得最大的超聲波波強(qiáng)度，應(yīng)使晶體處于共振狀態(tài)，故晶體片厚度應(yīng)為聲波半波長或整倍數(shù)。圖26 壓電效應(yīng)硅晶體的伸縮量太小，3000V電壓才能產(chǎn)生0.01以下的變形。鈦酸鋇的壓電效應(yīng)比硅晶體大2030倍，但效率和機(jī)械強(qiáng)度不如硅晶體，鉻鈦酸鉛具有二者的優(yōu)點(diǎn)，一般可用作超聲波波清洗、探測(cè)和小功率超聲波加工的換能器?？梢?，磁致伸縮換能器的主要缺陷在于高電能損失例如渦流損失和低能量利用率50%。這些損失表現(xiàn)為熱，因此換能器必須水冷或空冷而且體積很大。與壓電式的相比，它

25、也不能產(chǎn)生高的振動(dòng)強(qiáng)度。典型的壓電換能器包括兩個(gè)有鋯鈦酸鉛或合成瓷做的盤片，厚度大約略少于整個(gè)換能器長度的1/10。壓電換能器能量效率很高9096%，從而不需要任何冷切。不易于損傷，更容易構(gòu)建也更適于旋轉(zhuǎn)加工。2變幅桿5變幅桿又稱振幅擴(kuò)大棒的作用是放大換能器所獲得的超聲波振動(dòng)振幅，以滿足超聲波加工的需要。變幅桿可以被看作聲音耦合器。由于換能器端面振幅太小以至于不能直接運(yùn)用于加工，變幅桿被用作放大裝置。最正確協(xié)調(diào)對(duì)于每一種變幅桿材料都是特定的，必需要有好的焊接和銅焊的性質(zhì)、良好的聲音傳送能力、在高變幅環(huán)境下耐疲勞強(qiáng)度能力高等。另外，耐腐蝕性能要好以及要有較好的螺紋連接性能，通常材料為鎳銅合金、鈦

26、、AISI304不銹鋼、鋁或鋁青銅等。常用的變幅桿有外徑變化的實(shí)心型和徑變化的空心型如圖2-7所示。兩種類型的變幅桿沿長度上的截面變化是不同的，但桿上每一截面的振動(dòng)能量是不變的不考慮傳播損耗。截面越小，能量密度越大，振動(dòng)的幅值也就越大，所以各種變幅桿的放大倍數(shù)都不一樣。 (a)錐形 (b)指數(shù)形 (c)階梯形 (d)空心指數(shù)形圖27常見變幅桿截面變化形式1為了獲得較大的振幅，應(yīng)使變幅桿的固有振動(dòng)頻率和外激振動(dòng)頻率相等，處于共振狀態(tài)。為此，在設(shè)計(jì)、制造變幅桿時(shí)，應(yīng)使其長度等于超聲波振動(dòng)波的半波長或其整倍數(shù)。表征變幅桿性能的主要指標(biāo)，一般是共振頻率、振幅擴(kuò)大比、輸入阻抗隨頻率和負(fù)載變化的特性等。在

27、面積系數(shù)指大小直徑比一樣的情況下，錐形變幅桿的振幅擴(kuò)大比擬小510倍，但易于制造；指數(shù)形變幅桿的振幅擴(kuò)大比中等1020倍，使用中性能穩(wěn)定，但不易制造，階梯形變幅桿的振幅擴(kuò)大比擬大20倍以上，且易于制造，但受到負(fù)載阻力時(shí)振幅減小的現(xiàn)象比擬嚴(yán)重，不穩(wěn)定，而且在粗細(xì)過渡的地方容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而疲勞斷裂，為此須加過渡圓弧。實(shí)際生產(chǎn)中，加工小孔、深孔常用指數(shù)形變幅桿；階梯形變幅桿因設(shè)計(jì)制造容易，一般也常采用。此外，要求變幅桿的輸入阻抗隨頻率和負(fù)載變化比擬小。變幅桿一方面是在可變載荷作用下工作，另一方面在傳遞和放大超聲波波的振動(dòng)能量的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫升。因此，要求變幅桿材料應(yīng)聲阻小、熱損耗低、抗疲勞強(qiáng)度高。制

28、造方便、價(jià)格適宜。綜合考慮，目前常用的變幅桿材料為45鋼和工具鋼。應(yīng)該指出，超聲波加工并不是整個(gè)變幅桿和工具都是在作上下高頻振動(dòng)，與低頻或工頻振動(dòng)概念完全不一樣。超聲波波在金屬棒桿主要以縱波形式傳播，引起桿各點(diǎn)沿波的前進(jìn)方向按正弦規(guī)律在原地作往復(fù)振動(dòng)，并以聲速傳導(dǎo)到工具端面，使工具端面作超聲波振動(dòng)。3工具5超聲波波的機(jī)械振動(dòng)經(jīng)變幅桿放大后傳給工具，使磨粒和工作液以一定的能量沖擊工件，并加工出一定的尺寸和形狀。工具的形狀和尺寸決定于工件外表的形狀和尺寸，兩者相差一個(gè)“加工間隙稍大于平均的磨粒直徑。當(dāng)工件外表積較小或批量較少時(shí)，工具和變幅桿做成一個(gè)整體，否則可將工具用焊接成螺紋聯(lián)結(jié)等方法固定在變幅

29、桿下端。當(dāng)工具不大時(shí)，可以忽略工具對(duì)振動(dòng)的影響，但當(dāng)工具較重時(shí)，會(huì)減低振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率；工具較長時(shí)，應(yīng)對(duì)變幅桿進(jìn)展修正，以滿足半個(gè)波長的共振條件。整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)接局部應(yīng)接觸嚴(yán)密，否則超聲波波傳遞過程中將損失很大能量。在螺紋聯(lián)接處應(yīng)涂以凡士林油，絕不可存在空氣間隙，因?yàn)槌暡úㄍㄟ^空氣時(shí)會(huì)很快衰減。換能器、變幅桿或整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)選擇在振幅為零的駐波節(jié)點(diǎn)。按照波動(dòng)的合成原理，當(dāng)系統(tǒng)處在共振狀態(tài)時(shí)，只有在此駐波節(jié)點(diǎn)平面，從單方向人射波和反方向反射波引起的質(zhì)點(diǎn)位移恰好大小相等方向相反，其合成位移始終為零。例如換能器長度l/2處的中間截面上的任何點(diǎn)，即為靜止不動(dòng)的波節(jié)點(diǎn)，以后向兩端處振幅即逐漸增大，

30、到換能器與變幅桿交界面上振幅為最大，稱波腹點(diǎn)。以后振幅又逐漸減小再次出現(xiàn)波節(jié)點(diǎn)，到工具端面處再次出現(xiàn)振幅更大的波腹點(diǎn)。整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)選擇波節(jié)點(diǎn)支承固緊在機(jī)床上如圖2-8所示。圖2-8 超聲波振動(dòng)系統(tǒng)的固定51-振幅2-波節(jié)點(diǎn)在超聲波加工中，工具在縱向和橫向都會(huì)磨損，工具端面的磨損是主要的，側(cè)面的磨損僅占全部磨損的1/10。這樣，不僅直接影響加工速度和加工精度，而且會(huì)破壞振動(dòng)系統(tǒng)的共振條件，降低加工效率。工具磨損量的大小，主要取決于工具材料、構(gòu)造和工件材料。試驗(yàn)說明，加工一般硬脆材料，多用45鋼或碳素工具鋼做工具材料，因?yàn)檫@些材料具有抗疲勞強(qiáng)度高、比擬耐磨損，加工容易的特點(diǎn)。如果要求加工精度較高

31、時(shí)，采用硬質(zhì)合金或淬火鋼較好，必要時(shí)可采用金剛石外表鍍覆工具。4磨料懸浮液循環(huán)系統(tǒng)1簡單的超聲波加工裝置，其磨料是靠人工輸送和更換的，即在加工前將懸浮磨料的工作液澆注在加工區(qū)，加工過程中定時(shí)抬起工具和補(bǔ)充磨料。也可利用小型離心泵使磨料懸浮液攪拌后澆注到加工間隙中去。對(duì)于較深的加工外表，仍經(jīng)常應(yīng)將工具定時(shí)抬起以利磨料的更換和補(bǔ)充。大型超聲波加工機(jī)床都采用流量泵自動(dòng)向加工區(qū)供給磨料懸浮液，且品質(zhì)好，循環(huán)良好。此外，工具和變幅桿尺寸較大時(shí)，可在工具和變幅桿中間開孔，由孔抽吸磨料懸浮液，對(duì)提高加工質(zhì)量有利。圖2-9 幾種常見的磨料懸浮液輸送系統(tǒng)152.3超聲波加工的應(yīng)用超聲波加工是功率超聲波技術(shù)在制造

32、業(yè)應(yīng)用的一個(gè)重要方面；是一種加工如瓷、玻璃、硅、寶石、鍺、硅以及金剛石等硬脆性半導(dǎo)體、非導(dǎo)體材料有效而重要的方法。即使是電火花粗加工或半精加工后的淬火鋼、硬質(zhì)合金沖壓模、拉絲模、塑料模具等，最終常用超聲波拋磨、光整加工。超聲波加工從50年代開場(chǎng)實(shí)用性研究以來，其應(yīng)用日益廣泛。隨著科技和材料工業(yè)的開展，新技術(shù)、新材料將不斷涌現(xiàn)，超聲波加工的應(yīng)用也會(huì)進(jìn)一步拓寬，發(fā)揮更大的作用。目前，生產(chǎn)上多用于以下幾個(gè)方面：2.3.1 超聲波成形加工超聲波加工可以加工各種硬脆材料的圓孔、型孔、型腔、溝槽、異形貫穿孔、彎曲孔、微細(xì)孔、套料等。雖然其生產(chǎn)率不如電火花、電解加工，但加工精度及工件外表質(zhì)量則優(yōu)于電火花、電

33、解加工。例如，生產(chǎn)上用硬質(zhì)冶金代替合金工具鋼制造深模、拉絲模等模具，其耐用度可提高80100倍。采用電火花加工，工件外表常出現(xiàn)微裂紋，影響了模具外表質(zhì)量和使用壽命。而采用超聲波加工則無此缺陷，且尺寸精度可控制在0.010.02mm之、孔錐度可修整至8。對(duì)硅等半導(dǎo)體硬脆材料進(jìn)展套料等加工，更顯示了超聲波加工的特色。例如，在直徑90mm、厚0.25mm的硅片上，可套料加工出176個(gè)直徑僅為1mm的元件，時(shí)間只需1.5min，合格率高達(dá)9095，加工精度為正負(fù)0.02mm。圖2-13是超聲波波成形加工出的一些模型上的凹槽和通道。圖2-10 超聲波成形加工出的一些模型上的凹槽和通道2.3.2 超聲波切

34、割加工超聲波精細(xì)切割半導(dǎo)體、鐵氧體、硅、寶石、瓷、金剛石等硬脆材料，比用金剛石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生產(chǎn)率高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。例如，超聲波切割高7mm、寬1520mm的鍺晶片，可在3.5min切割出厚0.08mm的薄片；超聲波切割單晶硅片一次可切割1020片。再如，在瓷厚膜集成電路用的元件中，加工8mm、厚0.6mm的瓷片，1min可加工4片；在41mm2的瓷元件上，加工O.03mm厚的瓷片振子，0.51min以，可加工18片，尺寸精度可達(dá)正負(fù)0.02mm。 2.3.3 超聲波焊接加工超聲波焊接是利用超聲波頻振動(dòng)作用，去除工件外表的氧化膜，使新的本體外表顯露出來，并在兩個(gè)被焊工件

35、外表分子的高速振動(dòng)撞擊下，摩擦發(fā)熱，親和粘接在一起。其不僅可以焊接尼龍、塑料及外表易生成氧化股的鋁制品等，還可以在瓷等非金屬外表掛錫、掛銀、涂覆薄層。由于超聲波焊接不需要外加熱和焊劑，焊接熱影響區(qū)很小，施加壓力微小，故可焊接直徑或厚度很小的O.0150.03mm不同金屬材料，也可焊接塑料薄纖維及不規(guī)則形狀的硬熱塑料。目前，大規(guī)模集成電路引線連接等，已廣泛采用超聲波焊接。圖2-11 超聲波焊接成型示意圖2.3.4 超聲波清洗超聲波清洗主要用于幾何形狀復(fù)雜、清洗質(zhì)量要求高的中、小精細(xì)零件，特別是工件上的探小孔、微孔、彎孔、盲孔、溝槽、窄縫等部位的精清洗。采用其他清洗方法，效果差，甚至無法清洗，采用

36、超聲波清洗則效果好、生產(chǎn)率高。目前，在半導(dǎo)體和集成電路元件、儀表儀器零件、電真空器件、光學(xué)零件、精細(xì)機(jī)械零件、醫(yī)療器械、放射性污染等的清洗中應(yīng)用。一般認(rèn)為，超聲波清洗是由于清洗液水基清洗劑、氯化烴類溶劑、石油熔劑等應(yīng)超聲波波作用下產(chǎn)生空化效應(yīng)的結(jié)果。空化效應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波，直接作用到被清洗部位上的污物等，并使之脫落下來；空化作用產(chǎn)生的空化氣泡滲透到污物與被清洗部位外表之間，促使污物脫落；在污物被清洗液溶解的情況下，空化效應(yīng)可加速溶解過程。超聲波清洗時(shí)，應(yīng)合理選擇工作頻率和聲壓強(qiáng)度，以產(chǎn)生良好的空化效應(yīng)，提高清洗效果。此外，清洗液的溫度不可過高，以防空化效應(yīng)的減弱，影響清洗效果。圖2-12 超

37、聲波清洗示意圖3. 超聲加工系統(tǒng)的計(jì)算分析3.1 壓電換能器3.1.1縱向振動(dòng)壓電換能器設(shè)計(jì)計(jì)算這種換能器由壓電瓷片、電極片、聲頭反射罩和螺母組成，通過一個(gè)螺柱緊固連接圖3-1 20KHz縱向振動(dòng)壓電換能器該壓電換能器有四塊壓電瓷片，四塊電機(jī)片，壓電瓷片厚6mm，外圓直徑50mm，圓直徑16mm，在裝配時(shí)，依靠連接螺桿和聲頭以及螺母的螺紋連接，將整個(gè)換能器固成一體。該換能器的技術(shù)條件如下：（1） 壓電瓷選擇PZT-4，直徑50mm，中心孔直徑20mm，厚度6mm，四片，K33=0.64，0=7.6g/cm3，C0=3.1×106mm/s ；（2） 聲頭和反射罩均采用鋁合金，直徑50m

38、m，1=2=7.6g/cm3，C1=C2=5.1×106mm/s；（3） 電極選取薄電極片，厚為0.3mm的磷青銅。圖3-1所示波節(jié)點(diǎn)位于電極片所在的截面上；l0為壓電晶堆的厚度，l1為反射罩的長度，l2為聲頭的長度，曲線U表示振幅變化曲線。在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到壓電晶堆較厚，利用聲傳輸線原理，得諧振頻率方程 3-1 式中，帶入式3-1后得3-2；K33=0.64；將所有數(shù)據(jù)帶入式3-2得諧振頻率為；以上計(jì)算所得的換能器諧振頻率數(shù)值，以接近要求的20KHz，但是在理想條件下設(shè)計(jì)的；當(dāng)材料和尺寸確定后，它的為定值。因?yàn)閵A心式壓電換能器是非均勻的、多種材料復(fù)合而成的，同時(shí)由于材料的成分、雜志和

39、加工精度等多方面因素的影響，諧振頻率會(huì)產(chǎn)生差異，需要隨時(shí)修正。一般情況下，假設(shè)頻率偏低，需增加的長度，假設(shè)頻率過高，需要修正過渡面，加大曲率以降低頻率。3.1.2換能器制造 為保證換能器的性能，對(duì)壓電瓷片有如下要求：（1） 壓電瓷片銀層外表要均勻，附著力好，無裂痕，兩外表要求平整；（2） 多片壓電瓷片阻抗要接近，并標(biāo)好壓電瓷片的特性，必要時(shí)要進(jìn)展分組。對(duì)換能器其他零部件的材料選擇及加工要求如下：前后蓋板一般采用45號(hào)鋼或鋁合金，電極片要有一定的機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，膨脹系數(shù)盡量與壓電瓷接近。對(duì)于三種零件，材料部均要求構(gòu)造嚴(yán)密，無縮孔，特別是壓電瓷片與金屬塊的所有接觸面平整度均要求到達(dá)幾微米。

40、連接螺桿是夾心式壓電換能器的關(guān)鍵零件之一，它的質(zhì)量好壞也直接影響到換能器的壽命。因?yàn)槁輻U連接兩金屬塊并要求夾緊壓電瓷片，它在緊固時(shí)收到一定的拉力，在工作時(shí)又收到較大的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，故要求選用40Cr或其他強(qiáng)度較大的材料。為了防止應(yīng)力集中，螺桿與螺桿頭連接處要圓滑過渡。螺桿在滿足強(qiáng)度要求的情況下，要盡量減小截面積，以提高它的動(dòng)態(tài)順性。夾心式壓電換能器裝配時(shí)，壓電瓷片與金屬塊接觸良好與否，預(yù)緊力的大小，對(duì)諧振頻率和阻抗的影響很大。裝配前對(duì)壓電瓷片、前后蓋板，電極片的接觸面都要進(jìn)展嚴(yán)格的清洗處理，并保證三者同心。裝配時(shí)要注意壓電片的極化方向。夾心式換能器的裝配工藝關(guān)鍵是確定和保持施加在壓電瓷片上的預(yù)壓力

41、。對(duì)于單螺桿構(gòu)造，擰緊時(shí)要使壓電瓷片與金屬塊壓緊，然后擰緊，對(duì)壓電瓷片的預(yù)應(yīng)力約為30003500N/cm2.換能器裝配完成后，為提高其穩(wěn)定性，還需要對(duì)換能器進(jìn)展老化處理。另外，在超生換能器工作過程中，聲波的熱效應(yīng)、各接觸面之間的聲損耗、摩擦熱以及電聲轉(zhuǎn)換過程中的損耗等都會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。因此，換能器工作時(shí)必須進(jìn)展冷卻。換能器的冷卻方式因換能器的類型不同而異。常見的冷卻方式有：自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱、水冷、熱管散熱器、半導(dǎo)體制冷、干冷、液氮等。強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱在實(shí)踐應(yīng)用中最易實(shí)現(xiàn)：在換能器后加一風(fēng)扇，風(fēng)扇的開關(guān)可由超聲波發(fā)生器控制，當(dāng)超聲波發(fā)生器工作時(shí)，風(fēng)扇開場(chǎng)工作。試驗(yàn)結(jié)果說明，風(fēng)扇的散熱比擬理

42、想1。3.1.3換能器的測(cè)試換能器工作頻率有高有低，功率大小不一，使用要求各不一樣，并且換能器的性能參數(shù)與輸入電功率的大小、環(huán)境靜壓力及濕度有關(guān)。因此換能器設(shè)計(jì)計(jì)算后，應(yīng)在換能器的實(shí)際工作條件下進(jìn)展其性能參數(shù)的測(cè)量。由于此比擬費(fèi)時(shí)，牽涉的技術(shù)問題較多，目前尚無測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。下面介紹一種在一般的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備所能到達(dá)的條件下的測(cè)量方法。此種測(cè)量方法通常輸入功率較小，測(cè)量頻率一般在幾百赫茲到幾千赫茲圍。盡管這種測(cè)量方法比擬簡單，但是它能反映換能器在小信號(hào)工作時(shí)的性能狀況，并且設(shè)計(jì)的換能器只有經(jīng)過小功率信號(hào)測(cè)量以后才能做進(jìn)一步的測(cè)試。通過分析比擬測(cè)量得出的參數(shù)值可根據(jù)實(shí)際需要來不斷地修正和改進(jìn)換能器的構(gòu)造尺

43、寸。由諧振理論可知，壓電換能器在最小阻抗頻率附近，存在一個(gè)使信號(hào)電壓與電流同向的頻率，這個(gè)頻率即是換能器的諧振頻率。當(dāng)換能器工作在諧振頻率時(shí)，其等效阻抗最小，其主回路中電流值最大。基于以上原理，小功率信號(hào)換能器測(cè)試方法的測(cè)量電路如圖3-2所示圖3-2 小功率信號(hào)換能器頻率阻抗測(cè)試電路測(cè)試步驟如下：首先將壓電換能器接入電路中，改變輸入信號(hào)的頻率，從低頻方向慢慢想高頻方向變化，通過毫伏表讀取電阻R的電壓值的變化，觀察流過壓電換能器的電流I隨輸入信號(hào)頻率的變化。當(dāng)信號(hào)頻率到達(dá)*一頻率時(shí)電流出現(xiàn)最大值Ima*，此時(shí)的頻率即為換能器的諧振頻率；繼續(xù)增大信號(hào)頻率，電路隨之下降，當(dāng)信號(hào)頻率等于另一個(gè)頻率時(shí)，

44、電流出現(xiàn)最小值In。這說明壓電換能器的等效阻抗在隨頻率的變化而變化。記錄下和Im的值，此時(shí)的頻率與電阻值近似為換能器的諧振頻率與諧振狀態(tài)下的等效阻抗。然后將開關(guān)打到左側(cè)，將電阻箱接入電路中，使輸入信號(hào)的頻率保持在；然后通過調(diào)整變阻箱的組織，使通過R電流為Im，記錄此時(shí)電阻箱電阻的讀數(shù)，記為Z0。這就是呀嗲換能器諧振狀態(tài)下的等效電阻值，也即換能器的最小阻抗值。上述方法測(cè)試費(fèi)用低，操作簡單。目前研究人員正在越來越多的使用先進(jìn)測(cè)試儀器測(cè)試壓電換能器的聲學(xué)參數(shù)1。3.2 變幅桿3.2.1變截面桿縱向振動(dòng)的波動(dòng)方程為了研究方便，現(xiàn)給出幾個(gè)假設(shè)在桿的橫截面尺寸遠(yuǎn)小于波長時(shí)，這些假設(shè)是允許的(1) 變截面桿

45、由均勻、各向同性材料構(gòu)成；(2) 機(jī)械損耗很小，可以忽略不計(jì)；(3) 桿過的彈性波波陣面是平面，即在稈的橫截面上應(yīng)力分布是均勻的；(4) 平面縱波沿桿軸向傳播。圖3-3為一變截面桿，其對(duì)稱袖為坐際軸，作用在小體積元()上的應(yīng)力為，根據(jù)牛頓定律可以寫出動(dòng)力學(xué)方程 3-3式中 A桿的橫截面積函數(shù)，；質(zhì)點(diǎn)位移函數(shù)，；應(yīng)力函數(shù)，。 在簡諧振動(dòng)的情況下，式(3-3)可寫成 3-4式中 圓波數(shù)，；縱波在細(xì)棒中的傳播速度 。式(3-4)就是變截面桿縱振動(dòng)的波動(dòng)方程。下面將利用式(3-4)來分析超聲加工技術(shù)中最常用的圓錐形變幅桿。圖3-3 變截面桿縱向振動(dòng)3.2.2圓錐形變幅桿 圖3-4為圓錐形變幅桿，坐標(biāo)原

46、點(diǎn)處的直徑為，處的直徑為，函數(shù)關(guān)系為式中 圖3-4 圓錐形變幅桿設(shè)作用在變幅桿兩端面的力和振動(dòng)速度分別為 和 ，此時(shí)方程(3-4)的解為 3-41 3-42（1） 頻率方程和諧振長度由式3-42及邊界條件可得到頻率方程 3-43或 3-44由式3-44求出根之后，可由下式求出變幅桿的諧振長度 3-45（2） 位移節(jié)點(diǎn)由式3-41和3-42利用邊界條件可以確定常數(shù)將代入式(3-41)得質(zhì)點(diǎn)位移表達(dá)式為 3-45應(yīng)變分布表達(dá)式為 3-46在式3-45中令，得位移節(jié)點(diǎn) 3-47（3） 放大系數(shù) 3-48（4） 輸入力阻抗 3-49（5） 形狀因素 應(yīng)變極大值條件 3-50形狀因素為 3-51式中，

47、。（6） 的圓錐形變幅桿a、位移節(jié)點(diǎn)在大端的情況邊界條件為由式3-41和3-42得頻率方程 3-52式中， 變幅桿大端直徑mm；變幅桿小端直徑mm。b、位移節(jié)點(diǎn)在小端的情況邊界條件為由式3-41和3-42得頻率方程 3-523.2.3變幅桿的材料 對(duì)變幅桿的材料的要：（1） 在工作頻率圍材料的損耗?。唬?） 材料的疲勞強(qiáng)度高，而聲阻抗小，以獲得較大的振動(dòng)速度和位移振幅；（3） 易于機(jī)械加工；（4） 做液體處理應(yīng)用時(shí)，還要求變幅桿的輻射面所用的材料耐腐蝕；（5） 變幅桿材料應(yīng)鍛造，纖維仲長方向應(yīng)與聲傳輸線一致，以提高變幅桿的抗疲勞性能及聲學(xué)件能。一般來說，鈦合金的性能最好，但價(jià)格昂貴，且機(jī)械加工

48、較困難，鋁合金價(jià)格廉價(jià)，易于機(jī)械加工，但抗超聲空化腐蝕很差；鋼價(jià)格廉價(jià)，放射加工，但損耗較大；黃銅損耗很大。變幅桿材料應(yīng)進(jìn)展探傷，以檢查材料有無裂紋和缺陷，否則聲能就不能沿著聲傳輸線傳遞、材料斷裂或引起令人討厭的噪聲。因此有裂紋和缺陷的材料必須報(bào)廢1，5。3.2.4變幅桿的選用原則各種變幅桿的參數(shù)各不一樣，加工難易程度也不同，選擇變幅桿的類型應(yīng)當(dāng)充分考慮到這些因素。1、 當(dāng)面積系數(shù)N相向時(shí)，對(duì)單一變幅桿而言，階梯形變幅桿的放大系數(shù)最大，其次是懸鏈線形、指數(shù)形，最小是圓錐形。圓錐形變幅桿的放大系數(shù)最大可到達(dá)510倍；指數(shù)形變幅桿的放大系數(shù)最大可到達(dá)1020倍，使用中性能穩(wěn)定；階梯形變幅桿的放大系

49、數(shù)最大可到達(dá)20倍以上，但它受到負(fù)載時(shí)，振幅減小的現(xiàn)象比擬嚴(yán)重，工作不夠穩(wěn)定，而且在粗細(xì)過渡的地方易產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成疲勞斷裂。因此，在設(shè)計(jì)階梯形變幅桿時(shí)，其界面劇變處，必須有過渡圓弧。為了便了設(shè)計(jì)和制造階梯形變幅桿，這里簡單介紹過渡圓弧最正確值的求法，計(jì)算過程如下：（1） 根據(jù)工作頻率和聲速，算出共振長度；（2） 確定變幅稈大端直徑和小端直徑，求出面積系數(shù)；（3） 求出長徑比；（4） 根據(jù)一直的由圖3-5查出對(duì)應(yīng)的；（5） 由的值和從圖3-5查出的值算出過渡圓弧最正確值。2、 指數(shù)形和圓錐形變幅桿的共振長度隨的增大而增大。在1.011.81圍，懸鏈線形變幅桿的隨的增大而變短，以后隨的增大而增

50、大。3、 在設(shè)計(jì)變幅桿時(shí)，除要求盡可能大的放大系數(shù)外，還需要根據(jù)變幅桿的不同工作狀態(tài)，選擇其輸入阻抗的特性。一般來說，變幅稈工作在負(fù)載變化比擬大的條件下，應(yīng)該選擇輸入阻抗變化較小的變幅桿。為便于比擬，圖3-6給出幾種變幅稈輸入阻抗隨頻率偏移的變化特性(都一樣，4.6)。由圖3-6可見，階梯形變幅桿的輸入阻抗變化最大，但其放大系數(shù)在一樣的面積系數(shù)下最大。同樣可以看出，在空載情況下，懸鏈線形變幅桿的放大系數(shù)和輸入阻抗特性都比指數(shù)形變幅桿好。圖3-5 階梯形變幅桿與的關(guān)系曲線圖3-6 幾種變幅桿輸入阻抗隨頻率偏侈的變化待性階梯形；指數(shù)形；圓錐形；懸鏈錐形；小端帶圓柱的圓錐形；縱向振動(dòng)復(fù)合形4、 在高

51、聲強(qiáng)超聲應(yīng)用中如超聲拉管，在變幅桿的輸出端需要很大的振動(dòng)振幅。變幅桿的最大振動(dòng)速度除了受桿材料的疲勞強(qiáng)度限制之外也和變幅桿的形狀有關(guān)。所以在滿足所需要的放大系數(shù)之外，還應(yīng)選擇形狀因數(shù)大的變幅桿。階梯形變幅桿雖然放大系數(shù)大，但其形狀因數(shù)最小。在面積系數(shù)一樣時(shí)，有當(dāng)在變幅稈的輸出端需要特別大的振動(dòng)速度時(shí)，用一節(jié)變幅桿(包括復(fù)合變幅稈)常常不能到達(dá)要求。此時(shí)需要兩節(jié)變幅稈組合。第節(jié)用值不大而放大系數(shù)大的變幅桿例如用帶有過渡段的階梯形變幅桿。第二節(jié)用值大的變幅桿，如具有運(yùn)應(yīng)力分布的高斯“鐘形曲線變幅桿值可達(dá)5。5、 四分之一波長的變幅桿在無損耗時(shí)，可以獲得無限大的放大系數(shù)和無限大的輸入阻抗。它被用作阻

52、抗匹配組合。特別是在超聲振動(dòng)系統(tǒng)總長度要求比擬苛刻設(shè)備上構(gòu)造限制的條件下，更有特殊的應(yīng)用意義。6、 加工難易程度不同。階梯形變幅桿最容易加工，圓錐形變幅桿次之。指數(shù)形、懸鏈線形、博里葉形、高斯“鐘形曲線變幅桿最難加工。自從數(shù)控車床問世以后，變幅桿的粗加工和半精加工難題巳迎刃而解了，但精加工難題例如指數(shù)形變幅桿的磨削依然存在。著者深信，將變截面細(xì)長桿超聲車削裝置安裝在現(xiàn)代數(shù)控精細(xì)車床上，一定會(huì)有效地解決變幅桿的精加工難題，對(duì)各種復(fù)雜形狀的變幅桿的應(yīng)用起到推動(dòng)作用。3.2.5變幅桿的設(shè)計(jì)步驟 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，設(shè)計(jì)計(jì)算變幅桿的一般步驟如下：(1)確定工作頻率及變幅桿輸出端的最大位移振幅； (2)

53、選擇材料； (3)根據(jù)所選擇材料的聲速及疲勞強(qiáng)度來估計(jì)所需要的形狀因數(shù)(4)根據(jù)換能器輻射面所能得到的位移振幅來估算總放大系數(shù)()；換能器輻射面的振動(dòng)速度主要決定于輸入換能器的電功率、電聲轉(zhuǎn)換效率以及散熱情況，一般來說不易超過125cm/s(相當(dāng)于在20KHz時(shí)位移振幅為10)；5根據(jù)所需要的放大系數(shù)、形狀因素、工作穩(wěn)定性、阻抗特性和振動(dòng)方向來選擇變幅桿的類型；根據(jù)換能器的截面積確定變幅桿輸入端(大端)的直徑或面積；因此輸出端(小端)的直徑或面積也就隨之面定丁，但應(yīng)注意輸入端的直徑不能選取過大。否則變幅桿的橫向振動(dòng)就不可忽略，般取為變幅桿大端直徑，為波長)；如果在實(shí)際應(yīng)用中，工藝要求變幅桿的直

54、徑與波長比大干0.25，例如接近，則應(yīng)采取一些措施，例如沿縱向開一些細(xì)槽以減小橫向振動(dòng)；此外，變幅桿兩端的直徑比或面積比也不能過大，否則變幅桿過于細(xì)長，彎曲勁度不夠，會(huì)引起不希望出現(xiàn)的其它振動(dòng)，導(dǎo)致加工效果變差，工具磨損加快；6如果一節(jié)變幅桿(包括復(fù)合變幅桿)不能滿足總放大系數(shù)，或者由于安裝位置的要求，而需要用兩節(jié)變幅桿串聯(lián)組合成全波長變幅桿，這時(shí)總放大系數(shù)為式中 第一節(jié)變幅桿的放大系數(shù)；第一節(jié)變幅桿的放大系數(shù)。形狀因素需滿足式中 總形狀因數(shù)第一節(jié)變幅桿形狀因數(shù)第二節(jié)變幅桿形狀因數(shù)第一節(jié)稱推動(dòng)節(jié)，第二節(jié)稱輸出節(jié)?？偟脑瓌t是推動(dòng)節(jié)形狀因數(shù)9值可以較小，但放大系數(shù)較大；輸出節(jié)應(yīng)采用形狀因數(shù)較大的變

55、幅桿。下面列出了推動(dòng)節(jié)和輸出節(jié)可供選擇的變幅桿： 推動(dòng)節(jié) 輸出節(jié) 階梯形變幅桿 圓錐形變幅桿 指數(shù)形變幅桿 圓錐形變幅桿 懇鏈線形變幅桿 指數(shù)形變幅桿 階梯形變幅桿 高斯“鐘形曲線變幅桿 . .例如，用于沖多孔的超聲沖裁裝置使用了由兩節(jié)變幅桿申聯(lián)組合成的全波長變幅桿，工藝效果十分顯著。4.雙面超聲加工機(jī)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及依據(jù)：（1） 工作頻率： 20kHZ（2） 工具振幅： 1030m（3） 電功率： 500W（4） 異形工具： 如等邊三角形工具，邊長1050mm（5） 主軸轉(zhuǎn)速： 400-2000轉(zhuǎn)/分（6） 工作圍： Z軸0300mm，*，Y軸0300mm.（7） 雙超聲波工具頭（8） 工具不旋轉(zhuǎn) 題目說明與要求：本雙面超聲波加工機(jī)具有以下特點(diǎn)：1設(shè)振動(dòng)切削負(fù)荷很小，可忽略不計(jì)，*軸與Y軸均可采用滾珠絲杠副和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，使工作臺(tái)進(jìn)給時(shí)靈敏度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低速進(jìn)給時(shí)無爬行；2工作臺(tái)具有較高的定位精度和重復(fù)定位精度；3二坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)可選用步進(jìn)電機(jī)或高精度交流伺服電動(dòng)機(jī)；4建議機(jī)座和滑臺(tái)采用鋁合金，輕便實(shí)用。