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                            超聲波加工機床的構成

                            2014/11/22 15:10:41點擊:
                            超聲波加工機床的構成

                             

                            超聲加工機床為實現旋轉超聲加工, 一般要由機床本體、超聲波電源、超聲振動系統、主軸旋轉系統、主軸軸向進給系統、軸向力反饋保護系統等組成, 分述如下。
                            1 超聲波發生器
                            超聲波發生器的作用是將 50 Hz 的交流電轉變為一定功率的超聲頻振蕩, 以提供工具作超聲頻振動和切除工件材料所需的能量。目前常用的超聲波發生器功率為 20~ 4 000W。在傳統的超聲波加工系統中, 變幅桿和工具是裝配在一起的, 通過調整其尺寸以達到機械諧振的目的。但現在可用頻率跟蹤發生器自動調整輸出頻率, 使其與變幅桿和工具組合的諧振頻率相匹配, 且能調整因裝配誤差、工具磨損、換能器生熱等因素而造成的較小誤差。在設計超聲波發生器時, 還應考慮安全性能, 例如: 自動切斷電源以防變幅桿破裂、變幅桿工具連接失效等故障。
                            2 超聲波振蕩系統
                            超聲波振蕩系統的作用是將高頻電振蕩電能變為機械振動能, 主要由超聲換能器、變幅桿及工具 3個部分組成。
                            2. 1 超聲波換能器
                            超聲波換能器的作用是將高頻電振蕩轉變為機械振動。實現這種轉變主要采用以下 2 種方法。
                            1) 磁致伸縮法
                            某些鐵磁體或鐵氧化體在變化的磁場中, 由于磁場的變化, 其長度也發生變化(伸長或縮短) 的現象, 稱為磁致伸縮效應(亦稱焦耳效應)。磁致伸縮換能器可分為 2 類: 金屬磁致換能器和鐵氧體磁致換能器。金屬磁致換能器的機械強度高, 工作效能穩定, 單位面積輻射功率大, 電聲轉換效率一般為 30%~ 40% ; 鐵氧體換能器電聲轉換效率高(> 80% ) , 但機械強度不高, 單位面積輻射功率小。磁致伸縮換能器工作時會大量生熱, 產生較大的電能損失, 且使電聲轉換效率降低。因此, 必須用水或空氣進行冷卻, 從而使換能器尺寸增大。
                            2) 壓電效應法
                            用壓電晶片 (材料) 在外電場中隨電場方向的改變而形變發生相反變化的壓電效應原理, 將高頻電振蕩轉變為機械振動的器件稱為壓電換能器。壓電材料一般有壓電單晶、壓電陶瓷和壓電薄膜 3 類。最典型的壓電換能器是由 2 個圓形的鋯鈦酸鉛或是厚度小于總超聲換能器厚度10% 的合成壓電陶瓷構成。壓電換能器電聲轉換效率高(90%~ 96% ) , 不易有熱量損失, 不需要任何冷卻措施, 適應旋轉操作, 生產容易。但要得到 0. 1~ 1 GHz 級的超高頻超聲波換能器需要將壓電晶片做得非常薄, 加工很困難, 所以對超高頻超聲換能器采用濺射成形的氧化鋅薄膜, 但是機電耦合系數低。為此, 日本東北大學中村教授等人提出, 用鈦擴散, 周期地形成自發極化反相區域,同時在表面配置叉指電極作成新型超高頻超聲換能目前所使用的超聲換能器, 絕大多數仍然是壓電晶體材料, 其中鋯鈦酸鉛類壓電陶瓷又居多數。這是因為鋯鈦酸鉛類強電介質材料, 經燒結、極化后所形成的壓電陶瓷, 容易加工, 表征能量轉換效率的縱向機電耦合系數約 70% , 相對其他壓電材料, 其值較大
                            2. 2 變幅桿及工具
                            變幅桿的作用是將來自換能器的超聲振幅由0. 005~ 0. 01 mm 放大至 0. 01~ 0. 1 mm , 以便進行超聲波加工。變幅桿之所以能放大振幅, 是由于通過其任一截面的振動能量是不變的(傳播損耗不計) ,截面小的地方能量密度大, 振動振幅也就越大。在進行大功率的超聲加工及精密加工時, 往往將變幅桿與工具設計制成一個整體; 在進行小功率的超聲加工及加工精度不高時, 則將變幅桿與工具設計制成可拆卸式。變幅桿的基本形式有圓錐型、指數型、階梯型。此外, 還有由 2 種以上單一形狀組成的組合型。在面積系數N 一定時(N =S 1 S 2 = D d, S 1、S 2、D、d分別為變幅桿輸入端及輸出端面積及直徑) , 階梯型變幅桿的放大倍數M p 最大, 圓錐型變幅桿的放大倍數最小。但階梯型變幅桿由于半徑的突然變化會產生壓力集中, 因此變幅桿容易損壞。還可能發生側振, 且對附加于端面的負荷較敏感。目前, 對超聲變幅桿的研究和優化已廣泛應用了 CADCAM 技術和有限元分析技術。如使用AN SYS 軟件對變幅桿進行優化: 首先分析需要的所有數據(材料屬性、頻率范圍等) , 定義結構的幾何形狀; 然后求解, 計算固有頻率、位移、應變和應力;最后是估計分析結果和畫出應力曲線。
                            工具是變幅桿的負載, 其結構尺寸、質量大小以及與變幅桿連接的好壞, 對超聲振動共振頻率和超聲波加工性能均有很大影響。工具可以通過焊接或螺釘固定在變幅桿上; 也可以和變幅桿設計成整體。采用可拆卸式, 雖然能快速更換工具, 但可能出現工具松懈、超聲能量損失、疲勞破壞等問題。采用中空變幅桿和工具在硬脆材料上加工深孔時, 可通過變幅桿和工具的中心孔供給磨料, 磨料供給能力得到增強, 使加工效率得到提高。工具材料應有高的抗磨損性, 好的彈性和高的疲勞強度, 常用的工具材料有硬質合金、蒙乃爾銅2鎳合金等, 其韌性和硬度要具有最佳值。近年來, 多晶鉆石(PCD ) 也被應用于對非常硬的工件材料(如熱等靜壓氮化硅) 的加工。

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