實(shí)驗(yàn)名稱：縱振型超聲振子的設(shè)計(jì)與有限元分析

研究方向：超聲振子

測(cè)試目的：利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，依據(jù)夾心式壓電超聲換能器的設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)了一款可用于旋轉(zhuǎn)超聲銑削加工的縱振型超聲振子。采用PZFLex仿真軟件對(duì)影響超聲振子諧振頻率的因素進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明：超聲振子諧振頻率隨刀具有效長(zhǎng)度和過渡圓柱長(zhǎng)度的增加而減小，隨預(yù)緊螺栓長(zhǎng)度和后端蓋孔深度的增加而增大。根據(jù)仿真結(jié)果加工了縱振型超聲振子，并對(duì)振子進(jìn)行阻抗分析，測(cè)得其諧振頻率為17.41kHz，實(shí)物測(cè)得的諧振頻率與仿真模型中預(yù)測(cè)的誤差5.7636%。最后，基于實(shí)物測(cè)得的諧振頻率，在200V電壓激勵(lì)下測(cè)得振子輸出的縱向振幅為2.016μm，可以滿足旋轉(zhuǎn)超聲銑削加工的要求，從而驗(yàn)證了模型的有效性，為超聲振子的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖：縱振超聲振子實(shí)物模型

在超聲振動(dòng)裝置的研制方面，日本超聲波工業(yè)公司開發(fā)了體積小、重量輕、剛度大、可安裝在金屬切削機(jī)床的USSP系列超聲波主軸系統(tǒng)；日本金澤工業(yè)學(xué)院的研究人員研制了加工硬脆材料的超聲低頻振動(dòng)組合鉆孔系統(tǒng)。東南大學(xué)研制了一種新型超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過發(fā)生器輸出電壓使級(jí)聯(lián)晶體產(chǎn)生超聲機(jī)械伸縮，直接驅(qū)動(dòng)諧振刀桿實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)，其機(jī)電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%。西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種可在內(nèi)圓磨床上加工硬脆性材料的超聲振動(dòng)磨削裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，適用于生產(chǎn)加工中。目前，國內(nèi)外對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置的設(shè)計(jì)方面的研究還較少，特別是旋轉(zhuǎn)超聲銑削裝置設(shè)計(jì)過程中可以參考的經(jīng)驗(yàn)也不多，基于此，本文設(shè)計(jì)一款縱振型超聲振子，并對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行仿真與實(shí)物驗(yàn)證。

測(cè)試設(shè)備：ATA-4052高壓功率放大器、阻抗特性分析儀、多普勒激光測(cè)振儀、信號(hào)發(fā)生器、示波器等。

實(shí)驗(yàn)過程：

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本次試驗(yàn)采用阻抗特性分析儀對(duì)振子進(jìn)行阻抗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下圖所示，顯示振子的諧振頻率為17.4113087kHz，與仿真結(jié)果誤差率為5.7636%；

圖：振子阻抗測(cè)試結(jié)果

基于超聲振子諧振頻率的測(cè)試結(jié)果，利用多普勒激光測(cè)振儀對(duì)振子仿真設(shè)定參考點(diǎn)的縱向振幅輸出進(jìn)行測(cè)量。其中，多普勒激光測(cè)振儀位移檔設(shè)置為200nm/V，設(shè)定信號(hào)發(fā)生器激振頻率（通常略小于諧振頻率）為17kHz，電壓為10V，經(jīng)ATA-4052高壓功率放大器放大20倍即200V電壓下進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果由四通道數(shù)字示波器輸出。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

在刀具有效度小于60mm時(shí)，超聲振子諧振頻率隨刀具有效長(zhǎng)度增大而減小；隨著螺栓長(zhǎng)度的增加，振子諧振頻率增大；增加過渡圓柱的長(zhǎng)度可減小振子的諧振頻率；振子諧振頻隨后端蓋沉頭孔的深度增加逐漸增大。

通過對(duì)振子進(jìn)行阻抗分析得，實(shí)物模型的諧振頻率與仿真模型中預(yù)測(cè)的諧振頻率誤差在允許范圍內(nèi)。

根據(jù)實(shí)物測(cè)得的諧振頻率，對(duì)振子的縱向振幅輸出進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果可以滿足旋轉(zhuǎn)超聲銑削加工的需求，驗(yàn)證了模型的有效性。

安泰ATA-4052高壓功率放大器：

本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機(jī)都支持免費(fèi)試用。

審核編輯黃宇