数控特种加工技术(第二版)整本书课件完整版电子教案(最新).ppt

二、超声振动系统 超声振动系统的作用是将超声发生器提供的超声频电信号转变为工具端面的高频小振幅振动进行加工。它主要包括换能器、变幅杆及工具三个部分。 1．换能器 换能器的功用是将超声发生器提供的高频电能转变为高频率的机械振荡（超声波）。目前实现这种转换的常用方法是利用压电效应和磁致伸缩效应。 （1）压电效应换能器 某些晶体在受到机械压缩或拉伸变形时，在其两对面上将产生电压，这种现象称为压电效应，具有压电效应的晶体称为压电晶体。常见的压电晶体有石英（SiO2）、钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）和锆钛酸铅（PbZrTiO3）等。若在压电晶体上沿电轴方向加交变电场，则晶体会沿一定方向变形（伸长或缩短），这种现象叫逆压电效应，也叫电致伸缩现象。压电效应换能器利用了晶体的逆压电效应。 如图6-3所示，晶片两面镀银作电极，接上脉冲超声频交变电压，则晶片将发生超声频伸缩变形，使周围的介质作超声振动。 图6-3 压电效应 1—压电晶体 2—镀银层 在常用的压电晶体中，石英晶体的逆压电效应较弱，3000V电压才产生小于0.0l 的变形；钛酸钡的逆压电效应（伸缩量）为石英的20～30倍，但其效率及机械强度太差；锆钛酸铅则具有以上两者的优点，故应用较多。与磁致伸缩效应换能器相比，压电材料来源广、价格低，但机械强度低、输出功率小（≤2.0kW），效率低、易老化，故目前多用于超声清洗、探测和小功率超声加工换能器。 （2）磁致伸缩效应换能器 除电场外，磁场也会导致物体尺寸的变化。铁磁性物质的长度能随着所处的磁场强度变化而产生伸长或缩短，去掉外磁场后又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩效应。磁致伸缩效应换能器利用了铁磁性物质的磁致伸缩效应。如图6-4所示，为了减少高频涡流损耗，磁致伸缩效应换能器常用由纯镍片叠成封闭磁路的镍棒换能器，在两芯柱上同向绕以线圈，通入高频交流电源产生高频交变磁场使之伸缩变形。 磁致伸缩效应换能器具有较高机械强度和较大输出功率（6～25kW），常用于中、大功率的超声波加工。其缺点是镍片的涡流发热损失较大，能量转换效率较低，故加工过程中需用风或水冷却。 图6-4 磁致伸缩效应换能器 根据超声波特性理论，为了获得最大的振幅，应使发生器的振动源处于共振状态。对压电效应换能器，应使压电晶体片厚度等于超声波半波长或其整数倍；对磁致伸缩效应换能器，则应使镍棒的长度等于超声波半波长或其整数倍。 2．变幅杆 超声加工需要的振幅为0.01～0.1mm，而由换能器产生的机械振荡的振幅是很小的，即使在共振条件下，一般也不超过0.005～0.01 mm，不能直接用于加工。因此，必须将振幅进一步放大，这就要使用变幅杆（也称为振幅扩大棒）。变幅杆一般呈上粗下细的变截面形状，如图6-5所示，其粗端与换能器相连，细端连接加工工具。 图6-5 变幅杆 （a）圆锥形 （b）指数曲线形 （c）阶梯形 （1）变幅杆的变幅原理 变幅杆扩大振幅的原理是：由于通过它每一截面的振动能量是不变的（略去传播损耗），截面小的地方能量密度变大，而能量密度正比于振幅的平方。因此，截面面积越小，能量密度就越大，振动振幅也就越大。 为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外激振动频率相等，处于共振状态。为此，在设计、制造变幅杆时，应使其长度等于超声振动波的半波长或其整倍数。 （2）变幅杆的类型 变幅杆可以制成单一形状的，如圆锥形（图6-5a）、指数曲线形（图6-5b）、阶梯形（图6-5c）、悬链形；还可以制成复合形状，如圆柱形复合、圆锥形复合、高斯形变幅杆、傅里叶形变幅杆等。 圆锥形变幅杆的振幅扩大比为5～10倍，其制造方便；指数曲线形变幅杆的振幅扩大比为10～20倍，制造较困难；阶梯形变幅杆的振幅扩大比为20倍以上，易于制造，但当它受负载阻力时振幅衰减严重，而且在其台阶处容易因应力集中而产生疲劳断裂。 必须注意，和低频或工频振动的概念完全不同，超声加工时并不是整个变幅杆和工具都在作上下高频振动，超声波在金属棒（杆）内主要以纵波形式传播，引起杆内各点沿波的前进方向一般按正弦规律在原地作往复振动，并以声速传导到工具端面，使工具端面作超声波振动。 3．工具 超声波的机械振动经变幅杆放大后传递给工具，使磨料和工作液以一定的能量冲击工件，加工出需要的尺寸和形状。 工具的形状和尺寸取决于被加工表面的形状和尺寸，它们相差一个“加工间隙”（稍大于磨粒的平均直径）。当加工表面面积较小或生产数量较少时，工具和扩大棒做成一个整体，否则可将工具用焊接或螺纹联接等方法固定在扩大棒下端。当工具较轻时，可以忽略工具对振动的影响。但当工具较重时，会降低超声振动的共振频率。工具较长时，应对扩大棒进行修正，使其满足半个波长的共振条件。 换能器、变幅杆、工具三者应衔接紧密，否则超声波