超声振动系统

出处：按学科分类—工业技术北京工业大学出版社《特种加工手册》第230页（3244字）

超声振动系统的作用是将高频振荡电能变为机械振动能．它主要包括超声换能器、变幅杆及工具3个部分．

4．2．2．1 超声换能器

超声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，目前主要采用压电效应及磁致伸缩两种方法．

(1)压电效应法原理前文已述．这里需要指出的是：石英的逆压电效应较校300V电压才产生小于0．01μm的变形，而钛酸钡(BaTiO₃)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(ZrPbTiO₃)则具有以上两者的优点，故应用较多．较之金属磁致伸缩器，压电材料来源广、价格低，但机械强度、效率低，易老化，故目前多用于中小功率换能器．

(2)磁致伸缩法某些铁磁体或铁氧体在变化的磁场中，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金属(铁磁体，如铁、钴、镍)及铁氧体磁致换能器两类．几种铁磁体材料随磁场强度变化的相对延伸率曲线见图4-5．金属磁致换能器的特点是：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(30%～40%)．金属磁致伸缩换能器中，由于镍磁致伸缩效应较好，且用纯镍片叠成封闭磁路的镍换能器，若事先经处理镍片有氧化绝缘膜可减少高频涡流损耗，镍片焊接性亦好，故通常用于大中功率换能器．

图4-5 几种铁磁体材料的磁致伸缩曲线

1—ω(镍)=75%，ω(Fe)=25%；2—ω(钻)=49%，ω(钒)=2%，ω(铁)=49%；3—ω(镍)=6%，ω(铁)=94%；4—ω(镍)=29%，ω(铁)=71%；5—退火钴；6—镍

铁氧体换能器电声转换效率高(>80%)，但其机械强度不变，单位面积辐射功率校通常用于小功率的换能器．

需要指出的是，磁致伸缩效应与换能器温度有关，一般的规律是：换能器温度升高，则其相对延伸率降低．故在超声加工机床工作过程中，换能器应采取冷却措施．通常是：大功率换能器用水冷，小功率的用风冷或自然冷却．

4．2．2．2 变幅杆

变幅杆的作用是将来自换能器的超声振幅放大至0．01～0．1mm，以便于加工．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要求不太高时，则将变幅杆与工具设计制成可拆卸式．

变幅杆的基本型式有圆锥形、指数形、阶梯形(见图4-6)．此外，还可有两种以上单一形状组成的组合型．

图4-6 3种基本型式的变幅杆

(a)圆锥形；(b)指数形；(c)阶梯形

各种变幅杆在长度上的变化是不一样的，但在不计传播损耗时，杆上每一截面的振动能量是一个恒量．截面越校截面上能量密度越大，振动的幅值就越大，故各种类型变幅杆的放大倍数亦不同．设N为面积系数，＝4/d，这里，S₁、S₂、D、d分别为变幅杆输入端及输出端面积及直径．则在不同N值时，几种常用的单一型变幅杆之振幅放大倍数Mp见表4-2．