旋转超声加工智能超声波发生器的研究
旋转超声加工技术简介
1旋转超声加工技术简介随着科学技术的发展，硬质合金、钛合金、耐热钢、淬硬钢、金刚石、石英以及钨、硅等各种金属和非金属硬脆材料在现代工业中的应用范围越来越广，尤其是在航空航天、兵器装备、汽车制造等领域，硬脆性材料的出现为产品向高速度、耐高温、高压等方向的发展提供了广阔的空间。
例如，近年来陶瓷常被用于制作叶轮、义齿、人造髋关节球、切削刀具和燃料腔体；硬质合金和淬硬钢被广泛用于工模具的制造；玻璃陶瓷可用于制造车用反光镜；碳纤维可用于制作汽车上的刹车片等等。
然而，由于硬脆材料本身的硬度高、脆性大，因此对它们的加工一直非常困难，尤其是当工件形状复杂，精度、表面粗超度要求较高时，传统加工方法很难实现预期的效果，甚至某些工件的加工费用可达到总成本的90％。
直到上世纪六十年代，旋转超声加工(Rotary UltrasonicMachining，RUM)技术才产生并逐渐应用到硬脆材料加工。
作为传统磨削加工和超声加工(Ultrasonic Machining，USM)的结合体，旋转超声磨削集成了二者的优点。
在随机床主轴旋转的同时，刀具还参与了沿主轴轴向的高速振动，这使得刀具中的磨粒(一般为金刚石颗粒)在静载荷、超声振动和主轴旋转的共同作用下不断冲击、滑擦被加工表面，从而将被加工材料粉碎成很多微小的颗粒，促进了加工的进展。
多年来，人们一直致力于改进和完善超声加工技术与设备。
通过不懈的努力，加工效率已经得到了明显提高，适用的加工领域也在不断扩大，但是它仍存在着许多缺陷需要改进。
2 旋转超声加工国内外发展现状到目前为止，英、美、苏、法、日、中等国家己对旋转超声加工方法作了一些研究，包括设备研制和工艺研究[1-4]。
英国Kerry超声公司研制生产了“Sonicmill”落地式旋转超声加工机。
前苏联莫斯科航空工艺研究所在20 世纪60 年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。
法国Extrude Hone 公司生产销售SoneX 型旋转超声加工机。
旋转轴超声导波激励信号发生器的研制
大 连 交 通 大 学 学 报
Ｉ Ａ ＯＴ ＯＮＧ ＵＮ Ｉ ＶＥＲ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ ＯＦ ＤＡＬ Ｉ ＡＮ Ｊ
Ｖ０ １ ． ３ ５ Ｎ ｏ ． １ Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ ４
文章编号 ： １ ６ ７ ３ — ９ ５ ９ ０ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ １ ０ ４ — ０ ４
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因此 ， 当超 声 波角 速 可绘制如 图 １ ． 图
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非 频散 ． 当旋转 轴 的半径 为 １ ２ ２ ． ６ ７ ｍ ｍ， 频 率 低 于
款扭转模态超声导波激励信号发生器．
米 收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ３ — １ ６
作者简介 ： 王道顺 （ １ ９ ５ ９一） ， 男， 教授 ， 学士 ， 主要从事机 电一体化与嵌入式 的研究
旋 转 轴 超声 导 波 激 励信 号 发 生器 的研 制
王道 顺 ， 杨 彦艳 ， 王晓煜 ， 葛志强
（ 大连 交通大学 机械工程 学院， 辽宁 大连 １ １ ６ ０ ２ ８ ） 米
摘
要： 介 绍了一种超声导波激励信号发生器 的设计方 法 ， 选择 扭转模 态的超声 导波 为发生 对象 ， 通过导
超声导波检测机构时， 可以同时检测构件 内部 和 表面的缺陷． 近年来 国内外学者对超声导波进行 关注． Ｇ ａ ｚ ｉ ｓ 求得了简谐波在无限长空心圆柱体中 的传 播通解 ． 英 国帝 国理 工 大学 的 Ｌ ｏ ｗ ｅ ｄ ｌ １ － ２ ］ 等人 开发 出用 于计 算板 和管 道 的频 散 曲线 Ｄ ｉ ｓ ｐ ｅ ｒ ｓ ｅ软
旋转超声加工振动系统的研究
旋转超声加工振动系统的研究近年来，随着制造业的发展和技术的进步，超声加工作为一种新型的金属加工方法，受到了广泛的关注和研究。
旋转超声加工振动系统作为超声加工的一种变体，具有独特的优势和应用潜力。
本文将对旋转超声加工振动系统的研究进行探讨。
首先，我们需要了解旋转超声加工振动系统的基本原理。
旋转超声加工振动系统是在超声加工的基础上，引入旋转运动来增加加工过程中的能量传递效率。
在该系统中，工件被固定在旋转台上，超声振动器通过旋转台向工件施加旋转和振动力。
这种旋转振动力能够使材料表面产生剪切应力，从而实现高效的金属加工。
旋转超声加工振动系统具有几个显著的优点。
首先，由于旋转振动力的引入，系统能够实现更高的加工速度和更大的加工深度。
其次，旋转振动力能够增加材料表面的塑性变形，改善加工表面的质量和光洁度。
此外，旋转超声加工振动系统还可以有效地改善材料的力学性能和耐磨性，提高材料的综合性能。
在旋转超声加工振动系统的研究中，有几个关键问题需要解决。
首先是振动力的设计和优化。
旋转超声加工振动系统的振动力需要同时满足旋转和振动的要求，而且需要具备足够的能量传递效率。
其次是旋转台的设计和制造。
旋转台需要具备足够的刚性和稳定性，以确保加工过程中的准确性和稳定性。
最后是加工参数的选择和优化。
加工参数的选择将直接影响到加工质量和效率，需要进行合理的优化和控制。
旋转超声加工振动系统具有广泛的应用潜力。
在航空航天、汽车制造、电子设备等领域，旋转超声加工振动系统可以用于加工各种金属材料，如铝合金、钛合金等。
通过优化系统设计和加工参数，旋转超声加工振动系统可以实现更高效、更精确的金属加工，满足不同行业对零件加工质量和效率的要求。
总之，旋转超声加工振动系统作为一种新型的金属加工方法，具有独特的优势和应用潜力。
通过对其基本原理和关键问题的研究，可以进一步推动其在制造业中的应用和发展，为金属加工领域带来更多的创新和进步。
旋转超声加工振动系统的研究
的优势 ， 但工具磨 损大 ， 加工 效 率不 高 。为满 足 日益增 长 的脆 硬材料 加 工 需求 ， 内外 都在 积 极 寻 找新 型加 国
工方 法 ， 这样 ， 转超声加 工就应运 而生 了。 旋 旋转 超声加工 是采用 烧结 或 电镀金 刚石 的中 空工
系统 、 换能 器 、 生 器 的设 计 制 造 和 质量 都 较 差 ， 国 发 美 的研究 工作 曾停顿 了 ｌ 。７ ０年 ０年代 中期 ， 国在超声 美 钻 中心孔 、 光整加 工 、 削 、 磨 拉管 和焊 接 等方 面 ， 已经处 于生产应 用 阶段 ； 声 车 削 、 孔 、 Ｌ 超 钻 镗孑 已经 处 于实 验 性 生产设 备原 型 阶段 ； 用 超 声 振动 切 削 系 统 已供 工 通 业应 用 ， 目前 已形成 部分标 准 。
转换 效率高达 ９ ％左 右 ， 且结 构 简单 、 积 小 ， 于 ０ 而 体 便
电源 、 声波发生 器 的研究 较 多 ， 国 内外 尚没 有形 成 超 而
系统采 用压 电换 能 器 ， 由超 声 波 发 生 器 、 配 电路 、 匹 级 联 压 电晶体 、 谐振 刀杆 、 支承 调节 机构 及刀 具 等部分 组 成 。 当发 生器输 出超 声 电压 时 ， 它将 使 级联 晶体 产 生 超声 机械 伸缩 ， 接 驱 动谐 振 刀 杆 实 现超 声 振 动 。该 直 装 置的特点 是 ： 量传 递 环 节 少 ， 量 泄漏 减 小 ， 电 能 能 机
具， 加工 中工具在产 生纵 向超 声频振 动 的 同时 ， 绕 其 还 轴 线做 高速 旋转 。此 种加工 方 法将 金刚 石 的优 良切 削 性 能与工具 的超 声 频振 动结 合起 来 ， 是加 工 硬 脆 材料 的一种有效 方法 ， 国内外 研究 表 明 ， 旋转 超 声 加工 具有 如下优点 ： 加工 生产率 高 ， 常规 超声加 工 和一 ① 与
关于立式数控铣床旋转超声铣头的研究
１０ ５ 文 章 编 号 ：０ １３ ９ （０ ０ １－ １０ ０ １０ — ９ ７ ２ １ ）１ ０ ５ — ２
Ｍａ ｈ ｎ ｒ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｉｅｙ ｓｇ
＆
Ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｆ ｃｕ ｅ
第 １ 期 １ ２１ ０ ０年 １ １月
关于立式数控铣床 旋转超 声铣 头的研 究 术
袁 小飞 成 全 王 燕 王艳 丽
（ 中北大学 机械工程 与 自动化 学院 ， 太原 ０ ０ ５ ） ３ ０ １
Ｒｅ ｅ ｃ ｆ ｈ ｏ ａ ｙ ｕｔａ ｏ ｉ ｍ ｉｉｇ ｈ ａ ｆｖ ｒｉａ ｓ ａｒ ｈ ｏ ｅ ｒ ｔ ｒ ｌ ｓ ｎｃ ｔ ｒ ｌｎ ｅ ｄ ｏ ｅ ｔ Ｉ ｌ ｃ ＣＮＣ ｌｎ ｃ ｉｅ ｍｉｉｇ ｍａ ｈｎ ｌ
Ｙ Ａ ｉ —ｅ， Ｈ Ｎ ｕｎ ＷＡ Ｇ Ｙ ｎ ＷＡ Ｇ Ｙ ｎ Ｌ Ｕ Ｎ Ｘ ａ ｆｉＣ Ｅ Ｇ Ｑ ａ ， Ｎ ａ ， Ｎ ａ － ｉ ｏ
（ ｏ ｅｅｏ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ＆ ｕｏ ａｉ ｔ ｎＮ ｒ ｎｖｒｉ ｆ ｈｎ ， ａ ｕ ｎ０ ０ ５ ， ｈｎ ） Ｃ ｌ ｇ ｆ ｌ Ｍｅｈ ｎｃ ｇ ｅｉ ａ Ｅ ｎ ｎ Ａ ｔｍ ｔ ａ ｏ ｏｔ Ｕ ｉｅｓｙｏ Ｃ ｉａ Ｔ ｉ ａ ３ ０ Ｃ ｉａ ｚｉ ｈ ｔ ｙ １
促进镁 合金 的应用和发展 。
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关键词 ： 功率旋转超 声 ； 超声铣 ； 设计 装置
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【 ｂｔａｔ ／ ｅｂｓ ｏ ｐｒ ｇｔｅｄｆｒｎｅｂｔｅｎｔｅｔｄｔｎｌ ｌａｏｉ ｍ ｃｉｉ ｎ ｉ Ａ ｓ ｃ】ｎｔ ａｉ ｏ ｍ ａｉ ｉｅｅｃ ｅｗ ｅ ａｉｏａ ｔ ｎｃ ａｈｎｎ ａｄ ｒ ｈ ｃｆｃ ｎ ｈ ｆ ｈ ｒ ｉ ｕｒ ｓ ｇ
旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究
太原理工大学硕士学位论文旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究姓名：杨志斌申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：轧刚20080501太原理jI．．大学硕士研究生学位论文旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究摘要随着科学技术的发展，各种高性能的陶瓷材料不断涌现。
由于陶瓷材料具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能，在机械、电子、航空、汽车等领域上具有广阔的应用前景。
但由于其硬度和脆性高，难以加工，应用受到制造成本的限制。
超声加工己被证明是陶瓷、石英、金刚石、半导体等硬脆性材料加工的有效方法。
传统的磨料悬浮液超声加工工具磨损大，加工精度和加工效率也不高，因此国内外都在寻找新的加工方法并研制相应的新型设备。
研究表明，在传统超声加工的基础上发展的采用金刚石工具的旋转式超声加工是加工硬脆材料的一种有效方法，具有良好的发展前景。
超声加工装置主要由超声波发生器、换能器和变幅杆组成，其中的变幅杆在加工过程中处于极其重要的地位，它的主要作用是在其输出端：睁换能器输入的机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积上。
振幅放大比是变幅杆的重要性能参数，对加工过程中的材料去除率有较大影响。
各种传统形状的变幅杆各有优点，但都不是最理想的。
指数形和圆锥形变幅杆的放大倍数较低，降低了加工效率；阶梯形虽然有比圆锥形和指数形变幅杆大的多的放大倍数，但其直径突变引起过高的工作应力，即使在突变处采用圆锥或圆角过渡可以降低工作应力，也要损失较大的振幅放大比。
随着有限兀理沦的完善和相关应用软件的发展，通过计算机育接进行变幅杆的设计成为可能。
本文以提高超声加T装置的效率为J斗J发点，设计并制造了旋转超声加工振动装置；通过对变幅杆的研究，设计出具有大振幅比的新型超声变幅杆。
主要研究内容有：太原理I：人学硕十研究生学位论文1．选购大功率超声波发声器与压电式换能器，设计并制造旋转超声加工机床振动装置。
2．应用解析法对传统的指数形、圆锥形、阶梯形变幅杆进行设计，求出其振幅放大比、节点位置、谐振长度等参数。
《工程陶瓷复频旋转超声加工系统设计及研究》
《工程陶瓷复频旋转超声加工系统设计及研究》篇一一、引言随着现代制造业的快速发展，工程陶瓷作为一种高性能材料，在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域得到了广泛应用。
然而，工程陶瓷的加工难度大、效率低等问题一直困扰着制造业。
为了解决这一问题，本文提出了一种复频旋转超声加工系统设计及研究方案，旨在提高工程陶瓷的加工效率和加工质量。
二、系统设计1. 系统结构本系统主要由复频旋转超声发生器、超声振动系统、加工工具、工作台等部分组成。
其中，复频旋转超声发生器为系统提供稳定的电源和复频旋转信号；超声振动系统通过压电效应将电能转换为机械能，实现对工具的振动；加工工具根据具体加工需求进行选择；工作台则用于固定和移动待加工的工程陶瓷材料。
2. 复频旋转超声发生器设计复频旋转超声发生器是本系统的核心部分，其性能直接影响着整个系统的加工效果。
本设计采用先进的DSP数字信号处理技术，实现复频信号的生成和调制。
同时，采用闭环控制技术，确保复频信号的稳定性和准确性。
3. 超声振动系统设计超声振动系统是实现工具振动的重要部分。
本设计采用压电陶瓷片作为换能器，将电能转换为机械能，实现对工具的振动。
通过合理选择压电陶瓷片参数和结构，实现对振动频率和振幅的控制。
4. 加工工具和工件夹具设计根据具体加工需求，选择合适的加工工具和工件夹具。
对于工具，选择高精度、高刚度的工具头；对于工件夹具，设计具有夹持稳定、定位准确的机构，以确保加工过程中的精度和稳定性。
三、系统研究1. 复频旋转超声加工原理研究本部分主要研究复频旋转超声加工的原理和特点，包括复频信号对工具振动的影响、工具与工件之间的相互作用等。
通过理论分析和实验验证，得出复频旋转超声加工的优势和适用范围。
2. 工艺参数优化研究本部分主要研究工艺参数对工程陶瓷加工效果的影响，包括振动频率、振幅、切削速度等。
通过设计一系列的实验，找出最佳的工艺参数组合，提高工程陶瓷的加工效率和加工质量。
3. 系统性能评估与优化本部分主要对系统性能进行评估和优化。
旋转超声波加工
旋转超声波加工0 前言陶瓷、石材、光学玻璃和硬质合金等材料具备优越的物理、化学和机械性能，在航空、电子、汽车、冶金、生物工程和国防等工业领域正得到越来越广泛的应用，并且其应用还在不断向新的领域发展。
为了实现这些硬脆材料的高效高质加工，依靠高强度刀具对工件材料的传统机械切削加工方式正逐步让位于采用机与电、化学、光、声等能量相结合的特种加工方式，超声加工技术因此应运而生。
超声技术在工业中的应用开始于上个世纪10到20年代，是以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。
超声技术的应用可划分为功率超声和检测超声两大领域。
其中，功率超声是利用超声振动形成的能量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种状态改变加快的一门技术。
功率超声在机械加工方面的应用按其加工工艺特征，大致分为两类：一类是带磨料的超声磨料加工(包括游离磨料和固结磨料)即传统超声波加工，另一类是采用切削工具与其它加工方法相结合形成的超声复合加工即旋转超声波加工。
1传统超声波加工传统超声波加工(Conventional Ultrasonic Machining)是利用磨粒对工件的冲击进行加工。
其加工原理是超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，再通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动。
此时振幅比较小，再通过变幅杆，使固定在变幅杆端部的工具振幅扩大到加工所需的振动，如图1所示。
将含有磨粒(通常为立方氮化硼或碳化硅)的磨料悬浮液输入到工具和工件表面之间，工具以约20 kHz的频率振动，磨粒在工具的振动下高速冲击工件表面，导致工件表面被冲击处的微小体积材料碎裂脱落，这样就得到了与工具表面相反的工件表面外形。
它的缺陷在于：随着加工深度的增加磨料悬浮液要进入到工具与工件表面之间变得越来越困难，加工效率随之降低；另外，随着磨料悬浮液的流动，孔径变太，孔加工精度降低。
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戴向国, 等: 旋转超声加工智能超声波发生器的研究
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在振动系统中具体实现时, 由于控制变量仅仅 是超声发生器频率 f 和输入电流 I 之间的关系, 因 此, 设 I 是要寻找的目标, f 是影响因素, 首先将 f 在允许的范围内分成若干等份, 以作为控制 f 过程 的推进量 ∃ f 。假设初始状态在 f 1 , 通过测量得到 对应的 I 1 , 然后 f 向前推进至 f 2 , 又可得到 I 2 , 比 较 I 1 与 I 2 的大小。 若 I 2 > I 1 , 即 I 增加, 则沿原推进 方向进一步至 I 3 , 如此不断进行, 直至频率进入锁 相电路自动频率跟踪的捕获带内; 若 I 2 < I 1 , 此时 的 I 值下降, 说明控制超过极值点, 推进方向应改 变, 这样只要减小搜索步长, 就可以得到任意精度 的 I m。 根据功能要求, 粗频率跟踪软件可分成如下几 个模块: 1) 系统初始化模块; 2 ) 信号采集与比较 模块; 3) 频率递增模块; 4) 频率递减模块。
收稿日期: 2000211229 基金项目: 清华大学机械学院基础研究基金 作者简介: 戴向国 (19682) , 男 ( 汉) , 山东, 博士研究生。
( 1. D epartm en t of Prec ision In strum en ts and M echnology, Tsinghua Un iversity, Be ij ing 100084, Ch ina; 2. Section of M anufactur ing Process, Tsinghua Un iversity, Be ij ing 100084, Ch ina ) Abstract: A sm art u ltrason ic generato r w as investigated fo r ro tary u ltrason ic m ach in ing of hard, fragile m aterial . A new f requency track ing m ethod is p resen ted, w h ich is analogou s to num erical con t ro led in terpo lation. circu it. Con stan t T h is m ethod includes tw o step s: rough analyzed. P relim inary track ing by softw are and refined track ing by a p hase2locked loop am p litude w as also experim en t s show that the sm art u lt rason ic generato r based on the new m ethod can qu ick ly and accu rately frequency track, and can w o rk w ell w ith con stan t am p litude con tro l . Key words: ro tary u ltrason ic m ach in ing; rough and refine
Z 参数方程: U 1 = Z 11 I 1 U 2 = Z 21 I 1 Z 12 I 2 , Z 22 I 2.
当换能器谐振时, 系统呈纯阻性, 容抗部分为零[ 5 ] , 即机械阻抗的虚分量等于零, 所以:
U1 X 12X 21 = 2 2 R H. I1 R H + X 22
( 9)
换能器的输入电功率为:
图 1 换能器的四端网络
为简化分析, 假设换能器的损耗阻可以忽略, 此 时换能器可看成是一个电容器件, 此时的 Z 参数为 纯容抗性参数, 四端网络方程可改为: ( 6) U 1 = jX 11 I 1 - jX 12 I 2 ,
U 2 = jX U1 = j X I1
21 1
I -
jX
22 2
frequency track ing; con stan t am p litude con tro l
随着科学技术的发展, 硬脆材料及各种复合材 料发展迅速, 加工问题不断提出。 国内外的研究表 明: 采用金刚石工具的旋转超声加工是加工硬脆材 料的一种有效方法, 具有良好的发展前景[ 1, 2 ]。 超声 加工, 要稳定顺利进行, 必须保证超声振动系统始终 处于良好的谐振状态, 而在实际加工过程中, 由于负
戴向国1 , 傅水根2 , 王先逵1 , 卢达溶2 , 洪 亮2
(1. 清华大学 精密仪器与机械学系, 北京 100084; 2. 清华大学 金属工艺学教研室, 北京 100084)
摘 要: 为进行硬脆材料的旋转超声加工, 研制了智能超声 波发生器。 类比于数控插补原理, 提出了粗精频率跟踪的自 动控制方案, 即: 频率粗调由软件实现, 频率精调由锁相环 电路实现。对振动系统恒定振幅控制进行了理论分析。实验 结果表明, 研制的智能超声波发生器频率跟踪迅速准确, 并 能实现振动系统的恒定振幅控制, 可以实现振动系统的自动 运行。 关键词: 旋转超声加工; 粗精频率自动跟踪; 恒定振幅控制 中图分类号: TB 51+ 7; TH 161+ . 1 文章编号: 100020054 ( 2002) 0220182203
载变化、 工具磨损、 换能器发热等因素的影响, 换能 器的机械共振频率将发生漂移, 从而使振动系统失 谐, 导致工具端面的振幅减小, 而振幅的减小或消 失, 会使系统降低甚至丧失超声加工的能力, 因而为 了保证超声加工的顺利进行, 必须研制能适应负载 变化的具有频率自动跟踪和稳定振幅输出的智能超 声波发生器。
无超声
26. 8 29. 6 34
有超声
10. 7 10. 7 15. 4
实验条件: 输出功率 250 W , 振幅 15 Λ m , 谐振频率 20. 8 kH z, 工具直径 10 mm , 主轴转速 2 000 r m in
5 结 论
本文提出了一种粗精频率跟踪的控制方案, 并 对旋转超声加工中的恒定振幅控制进行了理论分 析, 在此基础上设计制作了智能超声波发生器。 空载 与带负载实验表明: 该系统能可靠地对频率进行跟 踪, 跟踪准确, 波动小, 并且整机工作状态与功率的 大小可随负载的改变而变化, 实现了系统自动运行 的目的。 参考文献 ( References)
2 2 2
( 12)
在纵向振动换能器里, 一般有 X 22 µ R H , 所以:
I1 X 22 . 2 = X 12X 21 I2
2 2
( 13)
在式 ( 13) 中, 等式右边可以看作常数, 因而只要流经 换能器的电流 I 1 恒定, 即可保证换能器的振速恒 定, 此时由式 ( 11 ) 可知, 输出功率与负载成正比, 电 流恒定也实现了超声波发生器 输 出 功 率 的 自 动 调节。
ISSN 100020054 清华大学学报 ( 自然科学版) 2002 年 第 42 卷 第 2 期 CN 1122223 N . 42, N o. 2 J T singhua U n iv ( Sci & T ech ) , 2002, V o l
12 37 1822184
旋转超声加工智能超声波发生器的研究
P 1 = I1
2
X 12X 21 2 2 R H, R H + X 22
2
( 10)
换能器输出的机械功率为:
P M = I 2R H ,
( 11)
根据能量守恒定律, P I = P M , 将式 ( 10) , ( 11 ) 代入 解得:
I1 R H + X 22 . 2 = X 12X 21 I2
[1] Pei Z J , Khanna N. Ro tary u ltrason ic m ach in ing of structu ral ceram ics — A review [J ]. C eram ic E ng and S ci P roc, 1995, 16 (1) : 259 [2] 278.
( 4) ( 5)
184
清 华 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
2002, 42 ( 2)
步的旋转超声打孔实验, 实验结果如表 1 所示, 系统 的自动频率跟踪性能和恒定振幅控制性能越好, 轴 向力越小。
表 1 硬脆材料加工实验对比 材 料 普通玻璃 光学玻璃 铁氧体
v F N
1
mm m in 15 10 5
I.
( 7)
把 U 2 = R H I 2 代入方程 ( 7) , 联立方程 ( 6) , 解得:
11
-
X 12X 21X 22 X 12X 21 ( 8) + 2 2 2 2 R H. R H + X 22 R H + X 22
2 稳定振幅输出的理论分析
旋转超声加工振动系统由超声发生器、 换能器、 变幅杆、 工具杆组成。 旋转超声加工时, 超声波在变 幅杆和工具杆内主要以纵波形式传播, 杆内各点沿 波的前进方向一般按正弦规律在原地作往复运动, 工具端面超声频振动参数为: ( 1) 瞬时位移量 S = A sin Ξt, ( 2) 瞬时速度 v = Ξ A co s Ξt, ( 3) 最大速度 vm ax = Ξ A = 2Π fA , 式中 A , Ξ, f 分别为工具端面超声频振动的振幅、 角频率、 频率。 超声加工中, 通常要求振动系统振速 稳定, 由式 ( 3) 可知, 影响振速的因素有两个: A 和 f , f 随负载的变化可由上述的频率自动跟踪方案 加以解决。 在系统良好谐振时, A 值最大, 但 A 受加 工负载变化的影响, 负载增大时, A 值将减小。振幅 的大小在一定程度上反映了超声加工能力的强弱, 因而如何稳定工具端面振幅也是超声加工中必须解 决的一个问题。 由于整个振动系统是一个级联系统, 所以研究 换能器输出端的振动情况等效于工具端面的振动情 况。 根据机电类比, 超声换能器可等效于一个四端网 络[ 6 ] , 如图 1 所示。 在图中, U 1 为加在换能器两端的 电压, I 1 为流过换能器的电流, U 2 为机械端声压, I 2 为振速, R H 为机械负载。由四端网络可得如下的