[優(yōu)秀畢業(yè)設計精品] 立式珩磨裝置設計

1、<p>　　本科畢業(yè)設計（論文）開題報告</p><p>　　本科畢業(yè)設計（論文）中期檢查表</p><p>　　指導教師： 職稱： </p><p>　　所在系部（單位）： 機械與動力工程學院 教研室（研究室）： 機制教研室 </p

2、><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　超聲加工是利用超聲振動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)生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行振動加工，或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法。超聲珩磨加工是利用超聲振動的工具端面，促使懸浮在工作液體中的固結(jié)磨粒沖擊工件表面，去除工件表面材料的加

3、工方法。</p><p>　　本次設計系統(tǒng)的介紹超聲振動珩磨技術(shù)發(fā)展的概況。超聲振動珩磨裝置的總體設計；超聲振動珩磨聲學系統(tǒng)設計：超聲波發(fā)生器和換能器的選用、變幅桿的設計計算、振動圓盤的設計計算、以及撓性桿和油石子系統(tǒng)的設計等；還包括關(guān)鍵機械機構(gòu)的設計：電刷機構(gòu)、分度進給機構(gòu)、與夾具的配備形式---球頭浮動連接等。并通過比較論證進一步闡述了超聲振動珩磨技術(shù)的發(fā)展前景和應用范圍。</p><p&

4、gt;　　關(guān)鍵詞：超聲加工、變幅桿、珩磨、振動圓盤、油石</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Ultrasonic processing is the use of ultrasonic vibration tools in abrasive liquid medium, or abrasive produce abrasive

5、shocks, he finds, hydraulic shocks and the resulting gas piping role in the removal of materials, or to the instrument or working along a certain direction by ultrasonic vibration frequency vibration for processing, or u

6、sing ultrasonic vibration to her combined processing methods. Ultrasonic Honing processing is the use of ultrasonic vibration tools carry noodles, to the consoli</p><p>　　This design system introduced ultras

7、onic vibration Honing technological development profile. Ultrasonic vibration Honing device design; Ultrasonic vibration Honing acoustic system designs: ultrasound generator and other devices to use, change Deputy pole d

8、esign calculations, vibration disk design calculations, and flexibleness pole and rock subsystem design; The design also includes key machinery agencies: electronics brush agencies, sub-degrees into the body, jig equippe

9、d with the ball form ---</p><p>　　Key words: Ultrasonic processing, percentage changes pole, Honing, vibration disk, rock </p><p><b>　　第一章 前 言</b></p><p>　　畢業(yè)設計是本科學習最為關(guān)鍵

10、的一部分。畢業(yè)設計是對大學四年來所學知識的系統(tǒng)的總結(jié)和綜合運用，同時又是對我們分析和解決問題的檢驗與鞏固，更是我們以后即將從事的專業(yè)性工作的正常過度，我們可以緊緊抓住這個機會認真學習并搞好畢業(yè)設計。眾所周知，它對我們即將走上工作崗位或者更進一步深造有非常重要的意義，它將把我們過去的理論學習引向一個更高的層次。</p><p>　　我想我們還要對本次設計給予更進一步的認識，那是什么呢？本次設計：</p>

11、<p>　?。?）它多角度的培養(yǎng)我們綜合運用和擴大所學知識面的能力，以提高理論聯(lián)系實際的能力。</p><p>　　（2）它讓我們溫故知新，使我掌握一般的機械設計的方法和步驟，以提高結(jié)構(gòu)設計、工藝分析、方案評價、方案對比等實際的綜合能力，從而掌握了超精加工和精加工的設備設計思想以及更多機械裝置的工作原理。</p><p>　?。?）它通過要求我們掌握細致的數(shù)據(jù)、準確的制圖，培

12、養(yǎng)了我們收集、整理、分析及運用資料的能力，提高我們獨立工作的能力。</p><p>　?。?）它讓我們在近一個多月的設計學習中，訓練和提高設計的基本技能，如計算、制圖以及方案的提出和優(yōu)化選擇能力。</p><p>　?。?）它在我們經(jīng)常忽略的地方突然以新穎的形式出現(xiàn)，大大提高了我們適應設計環(huán)境的能力。我將盡最大的努力查閱資料，請教在此方面有所建樹的老師以汲取他們的經(jīng)驗，同時也請他們指出本次

13、設計過程中的不足之處。</p><p>　?。?）它不僅僅局限在機械基礎知識上，另外涉及了有關(guān)電學、材料學、力學等多學科知識，使我們對交叉學科有了一定的涉足，拓寬了我們的知識面，更激發(fā)了進行本專業(yè)工作、學習的激情與興趣。</p><p>　　“珩磨裝置設計”主要有以下幾部分：裝備簡述、設計規(guī)劃、方案、零件和機構(gòu)設計以及校核。為了更好的展現(xiàn)以及表達我的設計，我力求圖文并茂的對超聲珩磨的工作和

14、原理進行詳盡的說明，但是設計工作對我們來說只是初步接觸，難免在設計中有不足、不完善的地方，我將盡最大的努力查閱資料，請教在此方面有所建樹的老師以汲取他們的經(jīng)驗，同時也請他們指出本次設計過程中的不足之處，力求做到及時修改盡自己最大的努力把設計搞好，力求把的產(chǎn)品設計得更具有良好的實用性，經(jīng)濟性和產(chǎn)品性能更可靠。</p><p>　　由于此次設計的角度限制和知識的不夠系統(tǒng)和不夠完善，難免有錯誤和不足之處敬請老師批評指正

15、以完善此次設計，本人將感激終生。另外，我也要真誠祝愿各位老師今后工作取得更大的成績并為社會主義祖國培養(yǎng)出越來越多的優(yōu)秀人才。我相信在老師們辛勤的培養(yǎng)之下一定不乏有大量的高級知識分子來回報各位老師的辛勤付出，也希望在以后的工作學習過程中得到老師們繼續(xù)熱忱的知道和幫助。</p><p>　　畢業(yè)設計終究是一次深刻的檢驗，它會讓我們發(fā)現(xiàn)不足，大使它又允許我們有充足的時間來彌補錯誤取得更加完整的系統(tǒng)化知識。那么我究竟在這

16、個過程是如何做的呢？首先，在聆聽了指導老師的部署安排以后，，就著手在圖書館及電子圖書館去查閱了豐富的相關(guān)理論知識與各種介紹材料，逐漸取得了這種設計前期準備工作的良好開端。接下來，經(jīng)過老師以及相關(guān)單位允許，深入地觀看了本次設計的產(chǎn)品“超聲珩磨裝置”，更加堅定了自己做好畢業(yè)設計的信心和決心。然后，在與同學們的討論及其老師的建議之后，開始規(guī)劃自己在這緊湊的一個月時間里的設計計劃。終于，明確自己應該先分析零部件結(jié)構(gòu)以及工作原理，然后分別計算并查

17、閱相關(guān)數(shù)據(jù)以致完成草圖設計的全部尺寸及配合要求。在設計過程中得到了老師的有力知道非常感謝，以及在計算過程中遇到查閱不到的數(shù)據(jù)都在老師的耐心幫助下完成的。在尺寸以及配合要求以后，著手畫出CAD圖。最后經(jīng)過緊張的準備以后，開始整理各種完成的前面的部分的工作，包括寫出設計說明書、實習報告、畫出了用以表達我們的思想的CAD制圖和手工圖 ，并且完成了老師交給的另一項重要的任務—專業(yè)學術(shù)論文翻譯。</p><p>　　至此，

18、整個畢業(yè)設計已接近尾聲，我們所忙碌的成果即將接受檢驗。同時我相信，付出的汗水會是會有相應的收獲的。我真誠歡迎各位老師不吝賜教，讓我們開共同鄭重地見證本次畢業(yè)設計。</p><p>　　第二章 超聲加工技術(shù)及總體方案設計</p><p>　　超聲波是指頻率高于人耳聽覺上限的聲波。一般來說，正常人聽覺的頻率上限l6~20kHz之間，隨年齡、健康狀況等有所不同。值得注意的是，人們習慣上常把以

19、工程應用為目的，而不是以聽覺為目的的某些對聽聲的應用亦列入超聲技術(shù)的研究范圍。因此，在實際應用中，有些超聲技術(shù)使用的頻率可能在16kHz以下。而超聲波頻率的上限是10Hz，整個頻率范圍是相當寬廣的。</p><p>　　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。但超聲波也有與可聽聲不同的一些突出特點。例如，超聲波由于頻率可以很高，因而傳播的方向性較強，同時超聲設備的幾何尺寸可以較??；超聲波傳播過程中，介

20、質(zhì)質(zhì)點振動的加速度非常大；在液體介質(zhì)中，當超聲波的強度達到一定值以后便產(chǎn)生空化現(xiàn)象，等等。正是這些特點，決定了超聲波具有與可聽聲不同的、領域相當廣闊的各種用途。</p><p>　　2．1超聲加工技術(shù)發(fā)展概況</p><p>　　超聲加工是利用超聲振動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)生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行

21、振動加工，或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法。超聲加工系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、振動傳遞系統(tǒng)、工具、工藝裝置等構(gòu)成。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；換能器的作用是將超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換為超聲頻機械振動；變幅桿的作用是將換能器的振動振幅放大；超聲波的機械振動經(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，進行加工。</p><p>　　超聲加工技術(shù)是超聲學

22、的一個重要分支。超聲加工技術(shù)是伴隨著超聲學的發(fā)展而逐漸發(fā)展的。</p><p>　　早在1830年，為探討人耳究竟能聽到多高的頻率，F(xiàn)．Savrt曾用一個多齒的齒輪，第一次人工產(chǎn)生了2.4×10Hz的超聲波，1876年加爾頓(F.Galton)的氣哨實驗產(chǎn)生的超聲波的頻率達到了3×10kHz，后改用氫氣時，其頻率達到了8×10kHz。這些實驗使人們開始對超聲波的性質(zhì)有了一定的認識。&

23、lt;/p><p>　　對超聲學的誕生起重大推進作用的是1912年豪華客輪泰坦尼克(Titanic)號在首航中碰撞冰山后沉沒，這個當時震驚世界的悲劇促使科學家提出用聲學方法來探測冰山。這些活動啟發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)期間偵察德國潛艇的緊張研究。1916年以法國著名物理學家郎之萬(P.Langcvin)為首的科學家開始研究產(chǎn)生和運用水下超聲作為偵察手段，并在1918年發(fā)現(xiàn)壓電效應可使石英板振動，制成了可用作超聲源的石英壓電

24、振蕩器。這就是現(xiàn)代聲學的開端。</p><p>　　1927年，美國物理學家伍德(R.W.Wood)和盧米斯(A.E.Loomis)最早做了超聲加工試驗，利用強烈的超聲振動對玻璃板進行雕刻和快速鉆孔，但當時并未應用在工業(yè)上。1951年，美國的科思制成第一臺實用的超聲加工機，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。</p><p>　　日本是較早研究超聲加工技術(shù)的國家，20世紀50年

25、代，日本已經(jīng)設立專門的振動切削研究所，許多大學和科研機構(gòu)也都設有這個研究課題。日本研究超聲加工的主要代表人物有兩位：一位是中央大學的島川正高教授，《超音波工學——形論和實際》是他的代表作；另一位是宇都宮大學的隈部淳一郎教授，《精密加工、振功切削基礎和應用》是他的代表作。日本研究人員不但把超聲加工用在普通設備上，而且在精密機床、數(shù)控機床中也引入了超聲動系統(tǒng)。1977年日本將超聲振動切削與磨削用于生產(chǎn)，可對大型船用柴油機缸套進行鏜孔。<

26、;/p><p>　　原蘇聯(lián)的超聲加工研究也比較早，20世紀50年代末60年代初已經(jīng)發(fā)表過很有價值的論文。在超聲車削、鉆孔、磨削、光整加工、復合加工等方面均有生產(chǎn)應用，并取得了良好的經(jīng)濟效果。為了推動超聲加工的應用，1973年原蘇聯(lián)召開了一次全國性的討論會，充分肯定了超聲加工的經(jīng)濟效果和實用價值，對這項新技術(shù)在全國的推廣應用起到了積極的作用。到80年代末期，當時蘇聯(lián)已經(jīng)生產(chǎn)系列超聲振動鉆削裝置。</p>

27、<p>　　20世紀70年代中期，美國在超聲鉆中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面已處于生產(chǎn)應用階段，超聲車削、鉆孔、鏜孔已經(jīng)處于試驗性生產(chǎn)設備原型階段。1979年通用超聲振動切削系統(tǒng)已供應工業(yè)界應用。</p><p>　　德國和英國也對超聲加工的機理和工業(yè)應用進行了大量的研究，并發(fā)表了許多有價值的論文，在生產(chǎn)中也得到了積極的應用。例如，英國于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

28、法，克服了一般超聲加工深孔時加工速度低和精度差的缺點，取得了較好的效果。</p><p>　　我國超聲加工技術(shù)的研究始于20世紀50年代末，60年代末開始了超聲振動車削的研究，1973年上海超聲波電子儀器廠研制成功CNM-2型超聲研磨機。1982年，上海鋼管廠、中國科學院聲學研究所及上海超聲波儀器廠研制成功超聲拉管設備，為我國超聲加工在金屬塑性加工中的應用填補了空白。1983年10月，機械電子工業(yè)部科技司委托《機

29、械工藝師》雜志編輯部在西安召開了我國第一次“振動切削專題討論會”，會議充分肯定了振動切削在金屬切削中的重要作用，交流了研究和應用成果，促進了這項新技術(shù)在我國的深入研究和推廣應用。1985年，廣西大學、南京電影機械廠和南京刀具廠聯(lián)合開發(fā)了我國第一套“CZQ—250A型”超聲振動切削系統(tǒng)。同年，機械電子工業(yè)部第11研究所研制成功超聲旋轉(zhuǎn)加工機，在玻璃、陶瓷、YAG激光晶體等硬脆材料的鉆孔、套料、端銑、內(nèi)外圓磨削及螺紋加工中，取得了良好的工藝

30、效果。1987年，北京市電加工研究所在國際上首次提出了超聲頻調(diào)制電火花與超聲波復合的研磨、拋光加工技術(shù)，并成功應用于聚晶金剛石拉絲模的研磨和拋光。1989年，我國研制成功超聲珩磨裝置。1991年研制成功變截面細長桿超聲車削裝置。 </p><p>　　20世紀末到本世紀初的十幾年間，我國的超聲加工技術(shù)發(fā)展迅速，在超聲振動系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模具型腔模具研磨拋光、超聲復合加工領域均有較廣泛的研究，尤其是在金剛

31、石、陶瓷、瑪瑙、玉石、淬火鋼、模具鋼、花崗巖、大理石、石英、玻璃和燒結(jié)永磁體等難加工材料領域解決了許多關(guān)鍵性問題，取得了良好的效果。</p><p>　　2.1.1 超聲加工技術(shù)的概況</p><p>　　超聲加工技術(shù)已經(jīng)涉及到許多領域，在各行各業(yè)發(fā)揮了突出的作用，但有關(guān)工藝與設備的相關(guān)技術(shù)有待于進一步研究開發(fā)。</p><p>　　(1)超聲振動切削技術(shù)<

32、/p><p>　　隨著傳統(tǒng)加工技術(shù)和高新技術(shù)的發(fā)展，超聲振動切削技術(shù)的應用日益廣泛，振動切削研究日趨深入，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。</p><p>　?、傺兄坪筒捎眯碌牡毒卟牧稀Ｔ诂F(xiàn)代產(chǎn)品中，難加工材料所占的比例越來越大，對機械零件加工質(zhì)量的要求越來越高。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，在振動切削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)為對刀具材料的開發(fā)與使用上，其中天然金剛石、人造金

33、剛石和超細晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應用為主要方向。</p><p>　　對振動切削機理深入研究。當前和今后一個時期對振動切削機理的研究將主要集中在對振動切削中刀具與工件相互作用的力學分析和振動切削機理的微觀研究及數(shù)學描述兩個方面。</p><p>　　超聲橢圓振動切削的研究與推廣。超聲橢圓振動切削已受到國際學術(shù)界和企業(yè)界的重視。美國、英國、德國和新加坡等國的大學以及國內(nèi)的北京航空航天大學

34、和上海交通大學已開始這方面的研究工作。日本企業(yè)界如日立、多賀和Towa公司等已開始這方面的實用化研究工作。但是，超聲橢圓振動切削在理論和應用方面還有許多工作要做。尤其是對硬脆性材料的超精密切削加工、微細部品和微細模具的超精密切削加工等方面還需要進一步研究。</p><p>　　超聲銑削加工技術(shù)。基于分層去除技術(shù)思想的超聲銑削加工技術(shù)正在被更多的學者所關(guān)注。大連理工大學研制了超聲數(shù)控銑削機床，提出了一種新的利用超聲

35、銑削加工技術(shù)數(shù)控加工工程陶瓷零件的途徑?；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重且不能在線補償?shù)碾y題，使加工帶有尖角和銳邊的復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用提供了有力的技術(shù)支持。</p><p>　　(2)超聲復合加工技術(shù)</p><p>　　目前，超聲電火花機械三元復合加工技術(shù)已經(jīng)得到較快的發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學利用超聲電火

36、花磨料三元復合加工技術(shù)對不銹鋼進行加工，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，具有較好的應用前景。</p><p>　　針對現(xiàn)代模具手動光整加工的弊端，華南理工大學采用超聲電解磨粒復合加工技術(shù)對形狀復雜的模具型腔光整加工進行了研究，并利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡對加工表面粗糙度進行了預測，取得了良好的效果。超聲電解磨粒復合加工技術(shù)是一項新的復合加工技術(shù)，能較好地用于形狀復雜的模具型腔光整加工。但包括材料去

37、除機理的許多方面的內(nèi)容有待進一步研究。</p><p>　　近年來，日本東京農(nóng)工大學對氣體介質(zhì)中的電火花脈沖放電加工技術(shù)進行了開創(chuàng)性的研究，為電火花脈沖放電加工技術(shù)開辟了一條新的途徑。但該技術(shù)在加工過程中短路頻繁，山東大學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。但該工藝的加工機理有待于進一步研究。</p><p>　　在微小三維型面的

38、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作用．但是該工藝尚有待于進一步完善以達到實用化。</p><p>　　由于新材料(尤其是難加工材料)的涌現(xiàn)和對產(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

39、現(xiàn)。可以預見，超聲復合加工將日益顯現(xiàn)出其獨特的魅力，并將拓展其更加廣闊的應用領域。</p><p>　　(3)微細超聲加工技術(shù)</p><p>　　隨著以微機械為代表的工業(yè)制品的日益小型化及微細化，特別是隨著晶體硅、光學玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微機械中的廣泛應用，硬脆材料的高精度三維微細加上技術(shù)己成為世界各國制造業(yè)的一個重要研究課題。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

40、工、激光加工、超聲加工等特種加工技術(shù)。超聲加工與電火花加工、電解加工、激光加工等技術(shù)相比，既不依賴于材料的導電性又沒有熱物理作用，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、半導體硅等非金屬硬脆材料加工方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。東京大學生產(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

41、能。</p><p>　　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、微細化發(fā)展，微細超聲加工技術(shù)有望成為微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的有力補充。</p><p>　　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

42、的零件的清洗?？梢灶A測，超聲加工技術(shù)在世界汽車工業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。</p><p>　　綜上所述，超聲加工技術(shù)的發(fā)展及其取得的應用成果是可喜的。一方面，材料加工的客觀需要推動和促進了超聲加工技術(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有力的加工手段，而促進了材料加工的發(fā)展。材料加工中的許多課題需要我們共同去探討。展望未來，超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景是美好的。</p>&l

43、t;p>　　2.1.2超聲加工的特點和用途</p><p>　　1、 超聲加工的特點</p><p>　?、龠m合加工各種硬脆材料，不受材料是否導電的限制。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)或耐熱導電的金屬材料。</p><p>　　②由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬時局

44、部的沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應力、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Ru0.63一0.08mm，尺寸度可達0.03mm，也適于加工薄壁、窄縫、低剛度零件。</p><p>　?、酃ぞ呖捎幂^軟的材料做成較復雜的形狀，且不需要工具和工件作比較復雜的相對運動，便可加工各種復雜的型腔和型面。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。</p><p&

45、gt;　?、芸梢耘c其他多種加工方法結(jié)合應用，如超聲電火花加工和超聲電解加工等。</p><p>　?、?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。</p><p>　?、蘩贸暫附蛹夹g(shù)可以實現(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，沒有殘余應力，對焊件表面的焊接處理要求不高。</p><p><b>　　2、超聲加工的用途

46、</b></p><p>　　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)中獲得了廣泛的應用。超聲加工的應用范圍列于表2—1。隨著超聲加工研究的不斷深入，它的應用范圍還將繼續(xù)擴大。</p><p><b>　　表2-1</b></p><p>　　2.1.3超聲珩磨技術(shù)</p><

47、p>　　普通珩磨時，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，油石極易堵塞，從而導致油石壽命的過早結(jié)束，零件已加工表面質(zhì)量差，加工效率很低。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)生油石嚴重堵塞現(xiàn)象，使其性能不能充分發(fā)揮．會造成嚴重浪費。</p><p>　　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、零件滑動面耐磨性高等許多優(yōu)點，完全能

48、夠解決普通珩磨存在的問題．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的珩磨問題。</p><p>　　超聲技術(shù)用于珩磨是功率超聲應用的新發(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)。

49、因此．研制超聲珩磨裝置，開展超聲珩磨工藝及其應用的研究，是非常必要的。</p><p>　　2.2總體方案確定及其超聲珩磨裝置</p><p>　　2.2.1總體方案確定</p><p>　　超聲能量是利用超聲珩磨裝置傳輸?shù)界衲ゼ庸^(qū)的。根據(jù)油石的振動方向，超聲珩磨裝置可分為縱向振動超聲珩磨裝置和彎曲振動超聲珩磨裝置兩種類型。圖2—1是縱向振動超聲珩磨裝置。<

50、/p><p>　　超聲珩磨裝置由珩磨頭體、珩磨桿、浮動機構(gòu)、油石脹開機構(gòu)、超聲振動系統(tǒng)等五個部分構(gòu)成，它是超聲珩磨工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。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。超聲振動系統(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轉(zhuǎn)換為超聲頻機械振動，變幅桿將換能器的縱向振動放大后傳給彎曲振動圓盤，撓性桿再將彎曲振動圓盤的彎曲振動變成縱向振動后傳給油石

51、座，油石座帶動與連接在一起的油石進行縱向振功。</p><p>　　圖 2-1 縱向振動超聲珩磨裝置</p><p>　　1、2、3珩磨油石；4-撓性桿；</p><p>　　5-彎曲振動圓盤；6-變幅桿；7-換能器；</p><p>　　8-珩磨桿；9-彈簧；10-油石座；11-珩磨頭體；</p><p>　

52、　A-油石振動方向；BC-往復運動和回轉(zhuǎn)運動方向。</p><p>　　在圖2—1中，件1、2、3表示在位移節(jié)點附近斷開、與油石座連接在一起的珩磨油石，件7是縱向振動換能器，件4是撓性桿，它的一端連接在彎曲振動圓盤5的振動腹上，另一端同油石座10相連。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。彎的振動圓盤5通過撓性桿4把縱向振動換能器的振動能量分配到各個油石座上，而油石沿著箭頭A所指的方向進行縱向振動，并

53、于箭頭C、B所指的回轉(zhuǎn)運功及直線往復運動疊加在一起進行超聲珩磨加工。</p><p>　　2.2.2超聲珩磨裝置</p><p><b>　　超聲波發(fā)生器</b></p><p>　　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。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。模擬電路超聲

54、波發(fā)生器又分為振蕩—放大型和逆變型兩種。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。在這里我們只討論前者，后者在實際應用中很少遇到。</p><p>　　1、模擬電路超聲波發(fā)生器</p><p>　　圖2—2為振蕩—放大型超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)方框圖。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。但由于超聲波發(fā)生器驅(qū)動

55、的是換能器這一特殊負載，所以它在結(jié)構(gòu)上又有自己的特點。下面逐一介紹超聲波發(fā)生器的各個部分。</p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　1.1 超聲波振蕩器</p><p>　　超聲波振蕩器的作用是產(chǎn)生一個一定頻率的信號，用以推動后面的放大部分。它可以是一個獨立的振蕩器，也可以是一個反饋網(wǎng)絡。習慣上，把前一種稱為它激式超

56、聲波發(fā)生器，后一種則稱為自激式超聲波發(fā)生器。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)。自激式超聲波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)比較簡單，且有利于實現(xiàn)頻率的自動跟蹤。</p><p>　　1.2 超聲波放大器</p><p>　　超聲波放大器的作用是將振蕩信號放大至所需電平。放大部分可以是單級的，也可以是多級的，主要看輸出功率的需要。早期的超聲波發(fā)生器是用電子管做放大器件，現(xiàn)在

57、則普遍采用晶體管(三極管、場效應管和IGBT器件)。近年來越來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。</p><p>　　(1)晶體管超聲波放大器</p><p>　　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。與電子管發(fā)生器相比，晶體管發(fā)生器的優(yōu)點在于體積小、重量輕、效率高。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

58、常一對晶體管的最大輸出功率只能達到百瓦級。要提高晶體管發(fā)生器納輸出能力，除了有賴于高性能器件的開發(fā)外，還必須采用高效率的電路。</p><p>　　(2)絕緣柵雙極型晶體管(1GBT)放大器</p><p>　　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。IGBT是一種MOS管與雙極型晶體管結(jié)合的產(chǎn)物，既有MOS管開關(guān)頻率高(40---50kHz)，

59、驅(qū)動簡單等優(yōu)點，又有雙極型晶體管導通壓降小、耐壓高、抗沖擊能力強等優(yōu)點。最大功率輸出可以達到5KW，是理想的超聲波放大器件。</p><p>　　1.3 匹配電路和頻率自動跟蹤</p><p>　　超聲波發(fā)生器與一般放大器的一個重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。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

60、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。只有在同時進行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個系統(tǒng)才算是達到了匹配，換能器才能正常地工作。</p><p>　　2 數(shù)字電路超聲波發(fā)生器</p><p>　　2.1 數(shù)字電路起聲波發(fā)生器的基本原理</p><p>　　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)

61、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。此外，還可以實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的自動儲存和故障自功診斷，有助于實現(xiàn)超聲波發(fā)生器的智能化。</p><p><b>　　超聲換能器</b></p><p>　　超聲換能器是超聲振動系統(tǒng)的核心部件。超聲加工處理設備利用超聲換能器的作用將超聲波發(fā)生器產(chǎn)

62、生的超聲頻電能轉(zhuǎn)換成超聲振動的機械能，并通過變幅桿進行振幅放大和聚能后再傳輸?shù)焦ぞ哳^，進而實現(xiàn)對工件的超聲加工處理。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。</p><p>　　1、磁致伸縮換能器的工作原理</p><p>　　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圈面成，如圖2—3

63、所示。當線圈中通以—定直流電流產(chǎn)生最佳偏磁場后，再通以交變電流I使其產(chǎn)生交變磁場，位移作用于之上，由此鐵芯中的磁場將在水平上變化。在交變磁場的作用下，由于材料的磁致伸縮效應(焦耳效應)，換能器兩端面產(chǎn)生與交流電頻率相同的交變伸縮，當交變電流的頻率與換能器的共振頻率一致時，換能器短部振動最強烈，由此從換能器兩端面向介質(zhì)輻射出超聲波。</p><p>　　圖2—3 磁致伸縮換能器</p><p&

64、gt;　　1.1 磁致伸縮換能器的材料</p><p>　　對用于磁致伸縮換能器材料的基本要求：</p><p>　　磁致伸縮應力常數(shù)要盡可能大；</p><p>　　磁滯及渦流損耗要盡可能?。?lt;/p><p>　　對高強度輻射換能器所用的材料，飽和磁致伸縮值要大；</p><p><b>　　材料疲勞強度

65、要高；</b></p><p>　　對于金屬磁致伸縮材料，要易于軋制成薄片及加工成型。</p><p>　　常用磁致伸縮材料可分為兩大類，一類是金屬磁致伸縮材料，如鎳、鐵鈷合金、鋁鐵合金等；另—類是鐵氧體磁致伸縮材料。常用的鐵氧體磁致伸縮材料有鎳銅系和鎳鋅系鐵氧體。</p><p><b>　　2、壓電換能器</b></p&g

66、t;<p>　　2．1 晶體的壓電效應及壓電換能器的工作原理</p><p>　　(1)晶體的壓電效應</p><p>　　具有壓電性能的晶體統(tǒng)稱為壓電晶體。對這種晶體在適當?shù)姆较蛏鲜┘幼饔昧r，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。相反，若在壓電晶體上加一

67、外電場，在此電場作用下，壓電晶體內(nèi)部電極化狀態(tài)會發(fā)生相應的變化，產(chǎn)生與外加電場強度成正比的應變現(xiàn)象、這一現(xiàn)象叫做逆壓電效應。壓電晶體通過逆壓電效應可以將電能轉(zhuǎn)換成機械能。其他壓電材料(包括壓電陶瓷等材料)也具有上述特性。</p><p>　　有兩種壓電效應是很常用的，一種是形變的方向與電場的方向相重合，這種壓電效應如圖2-4所示，稱之為縱向壓電效應；另一種是形變的方向與電場的方向相垂直，這種壓電效應如圖2—5所示

68、，稱之為橫向壓電效應。</p><p>　　圖 2—4 縱向壓電效應 圖 2—5 橫向壓電效應</p><p>　　(2)壓電換能器的工作原理</p><p>　　壓電換能器是利用壓電材料在電場作用下產(chǎn)生形變的特性，即上述壓電晶體的逆壓電效應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，并進行極化處

69、理，在該壓電片兩電極間加上電場?？赡艹霈F(xiàn)兩種情況：</p><p>　　圖2—6 壓電換能器的工作原理</p><p>　　外加電場與壓電片極化方向相同。外加電場起到了使壓電片的極化</p><p>　　度增大的作用。極化強度的增大，使壓電片沿極化方向產(chǎn)生伸長的形變。</p><p>　　外加電場與極化方向相反。反向電場將削弱壓電片的極化強

70、度，使</p><p>　　壓電片沿極化方向產(chǎn)生縮短的形變。 </p><p>　　利用這兩種現(xiàn)象，將外加電場換為交變電場時，壓電片就會產(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。</p><p>　　2．2 壓電換能器的結(jié)構(gòu)形式。</p><p&g

71、t;　　超聲加工處理設備中常用的壓電換能器結(jié)構(gòu)形式有以下幾類：</p><p><b>　　①薄長片形換能器；</b></p><p><b>　?、趫A環(huán)形換能器；</b></p><p>　?、郾A片形換能器，又分薄圓片換能器和薄圓片加透聲板的復合換能器；</p><p>　?、軍A心式換能器，又分

72、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。</p><p>　　圖2-7薄長片形換能器 圖2-8圓環(huán)形換能器</p><p><b>　　變幅桿</b></p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　超聲變幅桿，又稱超聲變速桿、

73、超聲聚能器，其外形通常為變截面桿，是超聲加工處理設備中超聲振動系統(tǒng)的重要組成部分之一。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

74、較小的面積上，產(chǎn)生聚能作用。超聲變幅桿還可以作為機械阻抗變換器，在換能器和負載之間架起橋梁，進行阻抗匹配，使超聲能量更有效地從換能器向負載傳輸。此外，在超聲加工處理設備的結(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)固裝在超聲設備上。在向高溫介質(zhì)或腐蝕介質(zhì)輻射超聲能量時，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。</p&g

75、t;<p>　　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。其中縱向振動變幅桿可分為簡單形、復合形。簡單形又可分為；指數(shù)形、圓錐形、懸鏈形、階梯形。而復合形是由各種簡單形變幅桿根據(jù)實際需要組合而成的。</p><p>　　縱向振動變幅桿—單一變幅桿</p><p>　　(1)單一變幅桿的特件參數(shù)</p><p>　　超聲變幅桿的性能主要

76、是由變幅桿的共振長度，放大系數(shù)，形狀因數(shù)，位移節(jié)點，輸入力阻抗和彎曲勁度等參數(shù)加以描述的。其中放大系數(shù)是指變幅桿工作在共振頻率時，輸出端與輸入端的質(zhì)點位移或速度的比值；形狀因數(shù)是衡量變幅桿所能達到最大振動速度的指標之一，它僅與變幅桿的幾何形狀有關(guān)，值越大，通過變幅桿所能達到的最大振動速度也越大。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；輸入力阻抗定義為輸入端策動力與質(zhì)點振動速度的復數(shù)比值。在實際

77、應用中常常要求輸入力阻抗隨頻率及負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，在許多實際應用中這是需要避免的。</p><p><b>　　彎曲振動圓盤</b></p><p>　　彎曲振動圓盤位于變幅桿和珩磨桿之間。它是超聲所磨裝置遞振的重要零件，該零件的設計、制造質(zhì)量的好壞，直接影響到變幅桿的

78、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。因此，彎曲振動圓盤設計時必須滿足如下條件：</p><p>　?、僦C振頻率接近理想值；</p><p>　?、趫A盤波腹振幅大于一定數(shù)值；</p><p>　?、蹨蚀_地確定圓周節(jié)線位置；</p><p>　?、苁箞A盤圓周節(jié)線附近的振動傳遞到珩磨桿上的振幅達到最小，最好是零；</p&g

79、t;<p>　?、輬A盤有足夠的剛度和強度。</p><p>　　圖2-9 彎曲振動圓盤</p><p>　　(2)撓性桿--油石座振動子系統(tǒng) 圖 2-10</p><p>　　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</p><p>　　式中，、為撓性桿和油石座聲速；、

80、為撓性桿和油石座長</p><p>　　圖 2-10 撓性桿--油石座振動子系統(tǒng)</p><p>　　度；、為撓性桿和油石座截面積；、為撓性桿和油石座材料密度；為角頻率。</p><p><b>　　油石</b></p><p>　　超聲珩磨油石是超聲珩磨裝置的磨具。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)。

81、超聲珩磨油石性能的優(yōu)劣，直接影響到超聲珩磨的工藝效果。如何保證超聲能量可靠地傳輸?shù)接褪?，油石在超聲能量作用下的工況如何，超聲珩磨油石的磨料如何選擇，一直是從事設計、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。</p><p>　　油石和油石座的連接方法</p><p>　　在很高的瞬時最大加速度的作用下，為了保證超聲能可靠、高效的傳輸，為了保證油石不會從油石座上脫落下來．油石和

82、油石座的連接方法研究成功了四種連接方法。</p><p><b>　　1.粘接法</b></p><p>　　粘接劑的性能應該滿足抗拉強度大、耐高溫（150℃）、傳聲效率高、壽命長的要求。粘接前，應將油石和油石座的被粘接面用砂布打糙，然后使用丙酮或汽油將油石座的被粘接面清洗干凈．涂敷粘接劑后，在10～60℃條件下給油石和油石座施加3000Pa的壓力，保持6～8h。撤除

83、壓力后．待2～3d即可使用。需要注意的是，為廠保證粘接可靠，必須保證油石和油石座的被粘接面的平面度誤差＜0.05mm。</p><p><b>　　2.熱壓成形法</b></p><p>　　超聲對磨油石可以采用熱壓法直接在油石座上成形。熱壓法成形是借助液壓機、模具和其他工具，將混合好的成形料置于模具內(nèi)攪拌均勻．將成形料刮平后，裝好模具，放入液壓機平臺上。先將模具和成

84、形料加熱至140 ℃左右，最后施加一定的壓力(例如0.5MPa)并保壓30min壓制而成。成形后的磨具坯體有一定密度、—定形狀和規(guī)格。為了保證油石和油石座的連接強度，熱壓成形前，應將油石座被連被面銑出若干條縱橫交錯的溝槽(寬15mm，深1mm)。</p><p>　　熱壓成形法，可使油石和油石座的連接強度高、傳聲效率高，使用方便，適用于樹脂結(jié)合劑的油石，這種方法需要根據(jù)油石尺寸的大小、設計、制造一套與油石尺寸相適

85、應的成形模具。</p><p><b>　　3.銀焊法</b></p><p>　　為了保證聲能的高效傳輸，可以采用銀焊法。例如，使用銀焊料Bag45CuZn，銀焊溫度為677～743℃。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。</p><p>　　銀焊法并不能適用于各種結(jié)合劑的油石。樹脂結(jié)合劑的油石不能采用銀焊法，只能采用粘接法

86、或熱壓成形法；青銅結(jié)合劑的油石可以采用銀焊法，當然也可以來用粘接法或熱壓成形法。</p><p>　　銀焊法的另一缺點是價格昂貴，銀焊費用基本上等于超硬磨料油石的費用。一船情況下，不宜使用銀焊法。</p><p><b>　　4.錫焊法</b></p><p>　　將油石應加熱至150～200℃，先后把錫焊膏、焊錫均勻涂敷在焊接面上，再將預熱后

87、的油石放在焊錫上，輕壓、移動，然后放置自然冷卻。</p><p>　　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。這種方法連接可靠．傳聲效率高，適于超聲珩磨使用。</p><p><b>　　冷卻液</b></p><p>　　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。即使如此，溫度的變化仍不可忽

88、視。溫度對孔徑的影響為0.01mm／15℃，所以在冬天或夏天，都有必要調(diào)整珩磨尺寸精度。</p><p>　　在選擇冷卻液時應注意以下幾點：</p><p>　　(1)冷卻液流量要大，以滿足散熱要求。對孔徑為100mm的工件，需有1.32～2.11L／min流量的冷卻液。</p><p>　　(2)能有效沖洗掉磨屑、磨粒及其他微粒，冷卻液應經(jīng)過良好的過濾，排除運動受

89、阻，保證動作協(xié)調(diào)。雜質(zhì)劃傷加工表面的可能性必須排除。</p><p>　　(3)一般來說，冷卻液應是油性的?？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。</p><p>　　第三章 超聲珩磨聲學系統(tǒng)設計</p><p>　　超聲加工系統(tǒng)，由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、振動傳遞系統(tǒng)、工具、工藝裝置等構(gòu)成。超聲加工系統(tǒng)首先由超聲波發(fā)生器將50Hz的

90、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。</p><p>　　3.1超聲波發(fā)生器和換能器的選用</p><p>　　3.1.1超聲波發(fā)生器的選用</p><p>　　超聲波發(fā)生器又稱超聲頻發(fā)生器，是供給超聲換能器超聲電能的能源，其作用是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l電功率輸

91、出，以提供工具往復運動并去除被加工材料的能量。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。就超聲波激勵方式而言有兩種:自激式和他激式。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。他激式超聲波發(fā)生器由振蕩器、驅(qū)動放大、功率放大器組成。通過輸出變壓器偶合，把超聲能量加到壓電換能

92、器上。為了保證超聲波發(fā)生器的頻率穩(wěn)定，發(fā)生器和換能器的匹配，以便發(fā)生器效率最高，變幅桿振幅最大，超聲波發(fā)生器必須滿足下列要求:輸出功率應達到技術(shù)指標;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);發(fā)生器的輸出阻抗應與換能器阻抗相匹配。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。</p><p>　　由于國內(nèi)現(xiàn)有的超聲波發(fā)生器不具有頻率和振幅振動跟蹤和顯示功能，因此，在超聲復合加工中

93、存在著當負載、溫度切削條件等變化時振速不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這樣在磨削過程中，振速的不穩(wěn)定將會導致超聲加工中的諧振頻率漂移、振動振幅降低、加工效率降低、加工質(zhì)量不穩(wěn)定等一系列問題，針對這種情況我所自行研制了頻率自動跟蹤與振幅自動顯示的新型超聲發(fā)生器，實踐證明，這種超聲發(fā)生器性能穩(wěn)定，能滿足使用。</p><p>　　晶體管與電子管混合兼顧二者的優(yōu)點，具有體積小、功率大等特點。采用實驗室研制的頻率自動跟蹤與振幅自動顯示的新

94、型超聲波發(fā)生器，其型號為H66MC，電源電壓220，頻率50HZ，輸出功率大于250W，頻率可調(diào)范圍為18KHz--22 KHz。</p><p>　　3.1.2超聲波換能器的選用</p><p>　　換能器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</p><p>　　超聲頻機械振動，它是超聲設備的關(guān)鍵部件之一。為了研究和利用超聲，人們己經(jīng)設計和研制成功了

95、多種換能器。超聲加工中使用的換能器主要有磁致伸縮換能器、壓電換能器和電——磁換能器三種，由于電——磁換能器使用得很少，所以在這里主要討論磁致?lián)Q能器和壓電換能器。磁致伸縮換能器在五、六十年代得到了廣泛應用，它是利用某些鐵磁體在變化磁場中所產(chǎn)生的磁致伸縮效應而制成的。</p><p>　　所謂磁致伸縮效應是指將鐵磁體置于變化的磁場內(nèi)，由于磁場的變化導致鐵磁體產(chǎn)生長度變化的現(xiàn)象，也稱焦爾效應。這種換能器有以下特點:可以

96、在工作條件變化很大的情況下使用，切削力的變動及振動系統(tǒng)本身的一些變化對工具振動形態(tài)的影響比較小;機械強度高，振動系統(tǒng)使用安全可靠，換能器壽命長;頻率范圍寬，因此即使工具在磨損范圍較大的情況下，仍能找到諧振頻率點:它的缺點是轉(zhuǎn)換效率低，一般情況下為30%左右;此外由于其對溫度的敏感性，在使用時需加水套進行冷卻，工藝比較復雜。壓電換能器尺寸小，冷卻散熱條件要求低，是利用材料在電場作用下的壓電效應而制成的。所謂壓電效應是指在石英等物質(zhì)的兩界面

97、上加上一定的電壓后，材料將產(chǎn)生一定的機械伸縮效應，這種加交變電壓使材料產(chǎn)生伸縮的現(xiàn)象稱為壓電效應。壓電換能器與磁致伸縮換能器比較，優(yōu)點是尺寸小，體積小，價格便宜，聲電轉(zhuǎn)換效率高，能夠長時間地連續(xù)工作，瞬時輸出功率達35^-40w/cm'，當然在連續(xù)振動時只能達到它的1/5左右，并且由于發(fā)熱會使它的特性明顯下降;采用這種換能器的工具振動系統(tǒng)，如果與換能器固有頻率不是完全一致，利用局部共振原理，也能設計、制造出性能優(yōu)良、易于找到諧&

98、lt;/p><p>　　換能器是中間轉(zhuǎn)換元件，前端與發(fā)生器相連，后端與變幅桿相連根據(jù)本課題組多年的試驗研究，換能器與變幅桿之間采用螺栓連連接介面上涂硅油。換能器與超聲波發(fā)生器連接，需考慮到二者配，二者的匹配包括兩方面的內(nèi)容:一是發(fā)生器的輸出阻抗與換的動態(tài)阻抗一致:二是在額定輸入電功率條件下，換能器輸出的率最大。</p><p>　　換能器與發(fā)生器的匹配方法是，首先準確測量換能器的動態(tài)阻抗及其變

99、化范圍，然后合理選擇發(fā)生器輸出阻抗和匹配回路的元件值，用逐步逼近的方法，通過反復調(diào)試，即可實現(xiàn)發(fā)生器與換能器之間的匹配。</p><p>　　根據(jù)以上特點，本次設計采用壓電換能器YP-5020-2L，固有頻率為20KHz，其輸出振幅為4μm -5μm。直徑50mm，總長120mm。</p><p>　　3.2、超聲變幅桿的設計</p><p>　　3.2.1 變幅桿

100、的作用</p><p>　　變幅桿的主要作用和功能如下:</p><p>　　(1) 用作放大位移振幅(或振速)，或者把能量集中到較小的面積上即聚能作用。超聲換能器輻射面的位移振幅在加kHz時只有幾4-IOμm。而超聲加工對振幅的要求往往需要達到幾十甚至幾百微米級，這就必須借助于變幅桿將換能器的振幅放大。變幅桿之所以能放大振幅，是由于通過它的任一截面的振動能量是不變的(傳播損耗不計)，截面

101、小的地方能量密度變大。由于能量密度Pr正比于振幅a的平方，截面小的地方，能量密度大，振幅也就得到了放大。</p><p>　　(2)變幅桿可作為機械阻抗變換器，使換能器更好地與負載匹配偶合聲能;</p><p>　　(3)變幅桿也是為了用來固定整個機械(在波節(jié)處固定)從而盡可能地減少機械能量的損耗;</p><p>　　(4)變幅桿使換能器和工作介質(zhì)之間獲得熱學和化

102、學上的隔絕。</p><p>　　3.2.2 變幅桿的性能參數(shù)</p><p>　　超聲變幅桿的性能可以用許多參量來描述。在實際應用中最常用的是:共振頻率(共振長度)，放大系數(shù)，形狀因數(shù)，輸入力阻抗和彎曲勁度等等。放大系數(shù)MP是指變幅桿工作在共振頻率時輸出端與輸入端的質(zhì)點位移或速度振幅的比值:形狀因數(shù)勢時衡量變幅桿所能達到的最大振動速度的指標之一，它僅與變幅桿的幾何形狀有關(guān)，p值越大，所能

103、達到的最大振動速度也越大;輸入力阻抗21定義為輸入端策動力與質(zhì)點振動速度的復數(shù)比值。在實際應用中常常要求輸入力阻抗隨頻率及負荷的變化要小;彎曲勁度是彎曲柔順性的倒數(shù)。變幅桿越長，彎曲柔順性越大，在許多實際應用中這是需要避免的。彎曲勁度也與變幅桿的幾何形狀有關(guān).</p><p>　　3.2.3 變幅桿材料的選擇</p><p>　　變幅桿一方面是在時變載荷作用下工作，另一方面在傳遞和放大超聲

104、波的振動能量的同時會產(chǎn)生溫升。因此，要求變幅桿材料應該滿足以下要求:</p><p>　　(1) 在工作頻率范圍內(nèi)材料的損耗小:</p><p>　　(2) 材料的疲勞強度高，而聲阻抗率小;</p><p>　　(3) 易于機械加工，當負載為液體時還要求變幅桿的輻射面所用的材料耐腐蝕，抗酸性。目前常用的變幅桿材料為鋁合金和鐵合金。</p><p&

105、gt;　　3.2.4 變幅桿的類型與選擇</p><p>　　在功率超聲的應用中，人們根據(jù)實際需要研究出各種類型的變幅桿。較常用的簡單變幅桿有:指數(shù)形、懸鏈線形、階梯形和圓錐形變幅桿。這類變幅桿稱為單一變幅桿。此外，為改善變幅桿的某些性能，如提高形狀因數(shù)，增加放大系數(shù)等，還研究出各種組合型變幅桿，這類變幅桿由兩種以上不同形狀的桿組合而成。在實際應用中還出現(xiàn)一些由多個單一變幅桿級聯(lián)工作的組合系統(tǒng)，這是另一類問題。在

106、高聲強超聲處理應用中，例如超聲切鉆硬脆材料、超聲焊接、超聲乳化等等，變幅桿主要起放大聚能作用。在這些應用中對變幅桿的要求主要是有盡可能大的放大系數(shù)。其次，根據(jù)不同的負載情況來選擇變幅桿的其它參量，如輸入阻抗特性、彎曲勁度等等。</p><p>　　當變幅桿的負載是液體或液體與固體粒子的混合液時(如乳化、破碎固體粒子或細胞)，在超聲處理過程中負載變化較小，而且不需要外加靜壓力。此時對變幅桿的輸入阻抗特性及彎曲勁度要