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超声波加工机床的构成

超声加工机床为实现旋转超声加工, 一般要由机床本体、超声波电源、超声振动系统、主轴旋转系统、主轴轴向进给系统、轴向力反馈保护系统等组成, 分述如下
1 超声波发生器
超声波发生器的作用是将 50 Hz 的交流电转变为一定功率的超声频振荡, 以提供工具作超声频振动和切除工件材料所需的能量。目前常用的超声波发生器功率为 20~ 4 000W。在传统的超声波加工系统中, 变幅杆和工具是装配在一起的, 通过调整其尺寸以达到机械谐振的目的。但现在可用频率跟踪发生器自动调整输出频率, 使其与变幅杆和工具组合的谐振频率相匹配, 且能调整因装配误差、工具磨损、换能器生热等因素而造成的较小误差。在设计超声波发生器时, 还应考虑安全性能, 例如: 自动切断电源以防变幅杆破裂、变幅杆工具连接失效等故障。
2 超声波振荡系统
超声波振荡系统的作用是将高频电振荡电能变为机械振动能, 主要由超声换能器、变幅杆及工具 3个部分组成。
2. 1 超声波换能器
超声波换能器的作用是将高频电振荡转变为机械振动。实现这种转变主要采用以下 2 种方法。
1) 磁致伸缩法
某些铁磁体或铁氧化体在变化的磁场中, 由于磁场的变化, 其长度也发生变化(伸长或缩短) 的现象, 称为磁致伸缩效应(亦称焦耳效应)。磁致伸缩换能器可分为 2 类: 金属磁致换能器和铁氧体磁致换能器。金属磁致换能器的机械强度高, 工作效能稳定, 单位面积辐射功率大, 电声转换效率一般为 30%~ 40% ; 铁氧体换能器电声转换效率高(> 80% ) , 但机械强度不高, 单位面积辐射功率小。磁致伸缩换能器工作时会大量生热, 产生较大的电能损失, 且使电声转换效率降低。因此, 必须用水或空气进行冷却, 从而使换能器尺寸增大。
2) 压电效应法
用压电晶片 (材料) 在外电场中随电场方向的改变而形变发生相反变化的压电效应原理, 将高频电振荡转变为机械振动的器件称为压电换能器。压电材料一般有压电单晶、压电陶瓷和压电薄膜 3 类。最典型的压电换能器是由 2 个圆形的锆钛酸铅或是厚度小于总超声换能器厚度10% 的合成压电陶瓷构成。压电换能器电声转换效率高(90%~ 96% ) , 不易有热量损失, 不需要任何冷却措施, 适应旋转操作, 生产容易。但要得到 0. 1~ 1 GHz 级的超高频超声波换能器需要将压电晶片做得非常薄, 加工很困难, 所以对超高频超声换能器采用溅射成形的氧化锌薄膜, 但是机电耦合系数低。为此, 日本东北大学中村教授等人提出, 用钛扩散, 周期地形成自发极化反相区域,同时在表面配置叉指电极作成新型超高频超声换能目前所使用的超声换能器, 绝大多数仍然是压电晶体材料, 其中锆钛酸铅类压电陶瓷又居多数。这是因为锆钛酸铅类强电介质材料, 经烧结、极化后所形成的压电陶瓷, 容易加工, 表征能量转换效率的纵向机电耦合系数约 70% , 相对其他压电材料, 其值较大
2. 2 变幅杆及工具
变幅杆的作用是将来自换能器的超声振幅由0. 005~ 0. 01 mm 放大至 0. 01~ 0. 1 mm , 以便进行超声波加工。变幅杆之所以能放大振幅, 是由于通过其任一截面的振动能量是不变的(传播损耗不计) ,截面小的地方能量密度大, 振动振幅也就越大。在进行大功率的超声加工及精密加工时, 往往将变幅杆与工具设计制成一个整体; 在进行小功率的超声加工及加工精度不高时, 则将变幅杆与工具设计制成可拆卸式。变幅杆的基本形式有圆锥型、指数型、阶梯型。此外, 还有由 2 种以上单一形状组成的组合型。在面积系数N 一定时(N =S 1 S 2 = D d, S 1、S 2、D、d分别为变幅杆输入端及输出端面积及直径) , 阶梯型变幅杆的放大倍数M p 最大, 圆锥型变幅杆的放大倍数最小。但阶梯型变幅杆由于半径的突然变化会产生压力集中, 因此变幅杆容易损坏。还可能发生侧振, 且对附加于端面的负荷较敏感。目前, 对超声变幅杆的研究和优化已广泛应用了 CADCAM 技术和有限元分析技术。如使用AN SYS 软件对变幅杆进行优化: 首先分析需要的所有数据(材料属性、频率范围等) , 定义结构的几何形状; 然后求解, 计算固有频率、位移、应变和应力;最后是估计分析结果和画出应力曲线。
工具是变幅杆的负载, 其结构尺寸、质量大小以及与变幅杆连接的好坏, 对超声振动共振频率和超声波加工性能均有很大影响。工具可以通过焊接或螺钉固定在变幅杆上; 也可以和变幅杆设计成整体。采用可拆卸式, 虽然能快速更换工具, 但可能出现工具松懈、超声能量损失、疲劳破坏等问题。采用中空变幅杆和工具在硬脆材料上加工深孔时, 可通过变幅杆和工具的中心孔供给磨料, 磨料供给能力得到增强, 使加工效率得到提高。工具材料应有高的抗磨损性, 好的弹性和高的疲劳强度, 常用的工具材料有硬质合金、蒙乃尔铜2镍合金等, 其韧性和硬度要具有最佳值。近年来, 多晶钻石(PCD ) 也被应用于对非常硬的工件材料(如热等静压氮化硅) 的加工。
 

[来源:原创] [作者:国创电气] [日期:13-07-27]
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