（机械制造及其自动化专业论文）人造心脏瓣膜架异形盲孔加工系统的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 针对人造心脏瓣膜架的材料特性和加工要求，通过深入了解超声加工的特 点、分析影响人造心脏瓣膜架异形盲孔加工效率和加工精度的因素，本文提出采 用超声加工辅助以磨削修整超声工具端面的方法进行加工。在超声加工系统中， 对影响人造心脏瓣膜架异形盲孔加工效率的静压力和变幅杆进行了研究，对决定 超声加工工具端面的加工精度，进而影响人造心脏瓣膜架异形盲孔加工精度的磨 削系统进行了研究。具体内容如下： l 在超声加工系统中，对工具端面对磨粒悬浮液的作用力进行理论分析和 实验验证：通过研究静压力对人造心脏瓣膜架异形盲孔加工效率的影响，进而求 得加工效率最大的最佳的静压力值。 2 通过有限元方法，对不同轮廓形状的变幅杆振幅放大倍数以及变幅杆应力 分布情况进行了分析研究。对阶梯型变幅杆进行改进，提出一种上端为圆锥形、 下端为圆柱形的接近于阶梯型轮廓的新型变幅杆，通过分析圆锥形部分和圆柱形 部分的长度之比变化对振幅放大倍数以及等效应力的影响，得出了最大应力在材 料许用应力范围内、固有频率为给定的工作频率的振幅放大倍数最大的最佳变幅 杆。 3 对磨削主轴组件进行了二维梁单元建模，优化设计了其跨度值；对磨削主 轴组件进行了较精确的三维动态有限元建模，经a n s y s 分析计算，获得了磨削主 轴组件的模态和谐响应特性；研究了磨削主轴的固有频率、振型和临界转速；对 设计的样机进了动态测试，验证了仿真建模的合理性。 对人造心脏瓣膜架异形盲孔加工系统的研究，不仅对研制我国的人造心脏瓣 膜具有重要的实际意义，而且对其它难加工的非金属材料也具有重要的参考价 值。尤其在本文中提出的有限元优化设计交幅杆的方法，对超声加工的研究与应 用具有参考价值。 关键词：人造心脏瓣膜架；变幅杆；有限元； n s y s ；动态分析 上海大学硕士学位论文 a b s t r a g t b a s e do nt h em a t e r i a lc b a r a c t e r i s t i c sa n dp r o c e s s i n gr e q u i r e m e n to fa r t i f i c i a l h e a r tv a l v ef r a m e w o r k , t h eu l t r a s o n i c i m p a c tm a c h i n i n gs y s t e mw i t hg r i n d i n g m a c h i n i n gu s e dt or e f i n i s ht h es u r f a c eo ft o o li sp r o p o s e dt op r o c e s sxs h a p eb l i n d h o ki nt h ea r t i f i c i a lh e a r tv a l v ef r a m e w o r ka f t e rd e e p l ya n a l y z i n gt h eu l t r a s o n i c i m p a c tm a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c ef a c t o r so np r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n d p r e c i s i o ni nt h i sp a p e r n 圮s t a t i cl o a da n dh e mp r o f i l ei nu l t r a s o n i ci m p a c tm a c h i n i n g s y s t e ma r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e dt oi m p r o v ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c y ，a n dt h e g r i n d i n gm a c h i n i n gu s e dt or e f i n i s ht h es u r f a c eo ft o o li sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e dt o i m p r o v ep r o c e s s i n gp r e c i s i o no fxs h a p eb l i n dh o l ei 1 1t h ea r t i f i c i a lh e a r tv a l v e f r a m e w o r k t h ed e t a i li n f o r m a t i o ni sa sf o l l o w s ： 1 n 圮t h e o r ya n a l y s i so ft h et o o li m p a c tt og r a n u l ei sr e s e a r c h e di nu l t r a s o n i c i m p a c tm a c h i n i n gs y s t e m t h es t a t i cl o a dv a l u eu n d e rm a x i m a lp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y c o n d i t i o ni sg o t t e nt h r o u g ha n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h er e l a t i o nb e t w e e ns t a t i cl o a d s a n d p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y 2 a f t e ra n a l y z i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ta c o u s t i ch o r np r o f i l e sa n dt h e a m p l i t u d em a g n i f i c a t i o na n dt h es t r e s s e sd i s t r i b u t i o no fa c o u s t i ch o r n s ，an e ws h a p e p r o f i l eo fa c o u s t i ch o r ni sp r o p o s e du s i n ga n s y sp l a t f o r mb yf e m n l ep r o p o s e d h o r np r o f i l ei sc o n i c a la tt h eu p p e re n da n dc y l i n d r i c a la tt h el o w e re n d t h en e wh o r n p r o f i l ei si m p r o v e db a s e do nt r a d i t i o n a ls t e p p e dh o r np r o f i l e u n d e rs a f ew o r k i n g s t r e s s e so ft h eh o mm a m f i mc o n d i t i o n ，t h e o p t i m i z a t i o nh o m 诵t hm a x i m u m m a g n i f i c a t i o na n dr e s o n a n c es t a t e m e n ti sg o t t e n 1 1 1 eo p f i m i z a t i o np r o c e d u r ei sb a s e d o nl e n g t hr a t i oo f t h ec o n i c a lp a r ta n d c y l i n d r i c a lp a r t 3 at w o - d i m e n s i o n a lf e mm o d e lo f t h ea x i sc o m p o n e n ti sb u i l tu p a n dt h es p a n o f b e a r i n gi so p t i m i z e d b a s e do na c c u r a t e3 - df e mm o d e la n da n s y sp l a t f o r m t h e m o d a la n dr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ea x i sa n dt h ep a r t si n s t a l l e dmi ta r ea n a l y z e d 1 1 l en a t u r a lf r e q u e n c i e s v i b r a t i o nm o d e sa n dl i m i t e ds p e e d so ft h ea x i sc o m p o n e n t a r es t u d i e d , a n dad y n a m i ct e s ti sa p p l i e dt oc o n f mt h er a t i o n a l i t yo fs i m u l a t i v e m o d e l ni si m p o r t a n tt oa n a l y z ea n dr e s e a r c hp r o c e s s i n gs y s t e mo f xs h a p eb l i n dh o l e i nt h ea r t i f i c i a lh e a r tv a l v ef r a m e w o r kn o to n l yf o rd e v e l o p i n gi n l a n da r t i f i c i a lh e a r t v a l v e ，b u ta l s of o rp r o c e s s i n go fo t h e rn o n m e t a lm a t e r i a lw i ml l i 曲r i g i d i t ya n d b r i t t l e n e s s e s p e c i a l l y t h em e t h o do fo p t i m i z i n gd e s i g nh e mb yf e m i nt h ep a p e ri s v e r yi m p o r t a n tf o rd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fl l l t r a s o n i ci m p a c tm a c h i n i n g s y s t e m k e y w o r d s ：a r t i f i c i a lh e a r tv a l v ef r a m e w o r k ；h o r n ；f i n i t ee l e m e mm e t h o d ；a n s y s ； d y n a m i ca n a l y s i s i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：垒旦塾日期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 心脏瓣膜“1 病是多发和常见的心脏病，瓣膜病变严重者，单纯应用瓣膜扩 张术和直视修补术，也不能恢复或改善其功能，所以需要把这个心脏零件瓣 膜，进行更换。据统计，我国目前仅患有风湿性心脏瓣膜疾病的就有1 8 0 余万人， 需要做人造心脏瓣膜植入手术的约有2 4 万人。我国自上世纪6 0 年代起，先后研 制出国产第一代球瓣和第二代单叶侧倾碟瓣，但国际上自8 0 年代起推出了更接 近心脏生理的第三代瓣，即双叶形人造心脏瓣膜。虽然我国曾有过这方面的研究， 但始终没有合格的国产双叶瓣面市，因此国外产的双叶瓣几乎垄断了我国目前人 造心脏瓣膜的市场，国家每年要花大量外汇购买。因价格昂贵，限于经济条件， 我国每年仅有两万患者接受人造瓣膜植入手术。针对这一现象。研制出合格的国 产双叶瓣心脏瓣膜成为必然的趋势，然而制造人造瓣膜并不是一件简单的事情， 九十年代以来，国内有五、六家瓣膜生产、研制单位开展了全热解碳双叶瓣膜的 研制，但至今除上海久灵医疗设备有限公司外尚无别家有所突破。上海久灵医疗 设备有限公司研制的全热解碳双叶人造心脏瓣膜是硬脆的非金属材料的薄壁零 件，瓣膜架上盲孔所处位置的特殊性、盲孔的几何精度以及底平面粗糙度的要求， 给人造心脏瓣膜架异形盲孔的加工带来困难。目前在j j n - r 人造心脏瓣膜架异形盲 孔时存在着加工效率低、精度低等现状，本课题正是受他们的委托，对人造心脏 瓣膜架上异形盲孔的加工系统进行的研究。 本文通过对人造心脏瓣膜架异形盲孔加工系统的研究，不仅可以改进我国 人造心脏瓣膜架的加工，促进我国人造心脏瓣膜国产化，同时对其他脆硬材料上 的异形盲孔加工也具有指导意义。 1 2 人造心脏瓣膜架简介 第三代人造心脏全热解碳双叶瓣膜的瓣膜架的结构见图1 一l ，图中瓣膜架 上的异形x 盲孔( 上下共四个) 是用于安装人造心脏瓣片的，人造心脏瓣片转动 轴置于特定的x 形盲孔中( 见图1 - 2 ) ，要求转动灵活，以至于放在人体内不 上海大学硕士学位论文 会形成血流死角，所以对瓣膜架上的x 形盲孔的尺寸、位置和表面都有较高的精 度以及粗糙度要求( 见图l 一3 ) 。根据它的结构图形结合它的材料特性，可知： 对硬度高，脆性大、薄壁的非金属上异形盲孔的高精度加工，采用一般传统的切 削加工方法是难以实现的，必须采用特种加工方法来实现。 图i - - 1 人造心脏瓣膜架图 图i - - 2 装入瓣膜后的人造心脏瓣膜图 0 图i 一3 人造心脏瓣膜架工程图 1 3 人造心脏瓣膜架异形盲孔加工方法 采用传统方法难以加工人造心脏瓣膜架异形盲孔，必须采用特种加工方法。 目前，常用的特种加工方法见表l 一1 ，具体选择人造心脏瓣膜架异形盲孔的加 工，应该根据其材料、几何形状、尺寸、精度、生产率及其经济性等因素，结合 不同特种加工方法进行比较，选择最合适可行的加工方法。 表卜1 常用特种加工方法虮” 加工 可加 设 功平均电 材料去 工材 备 塞 压( v ) 特殊 除率 工具损尺寸 表面粗 方法 投 泊 平均电要求 m m m i n ) 耗睾精度 糙度 主要适用范围 料( 细( 州所) 鼢( ，m ) 资 耗 流( a ) 从数微米的孔、槽到 电火 数米的超大型模具， 花成00 3 工件等妇t 各种类 形加 3 0 一3 dl 一5 di d m 0 4 型的孔，各种类型的 0 0 0 3 模具，还可刻字、表 工 面强化、涂覆、磨削 由由 8 0 5 0 萼加工 任何导 切割各种二维及三 电火电的金 维茸纹面组成的各 花线 属材料 2 0 2 0 0 援小且0 0 2 - 5 n3 2种摸具发零件，也常 切割 如：硬 可补偿0 ，0 0 2 用于半导体材料和 加工 质合金 赍重金属的切割 不锈钢 从微小零件到粗大 电解钛合金 0 1 型工件、模具的加 成形耐热铜高l o o - 1 0 0 不损耗 1 2 5 n 1 6 加工等 防腐0 ，o l工。如型孔，型腔， 蚀装抛光，去毛刺等 大l o 5 置、 硬质台金等难加工 复合 环境材料的麝削，如：硬 电解高 保护0 0 2 1 2 5 - 0 0 4 质合金刀具，量具小 播旃 1 - 1 0 0l - 5 0 仉l孔、深孔，细长工件 磨削 笛，还可超精光整研 磨，珩磨 切割加工各种诸如 超声o 1 0 0 3 -玻璃、石英，金刚石 加工 低小2 2 0 1 2卜卸 o6 细1 6 1 00 0 0 5 等脆硬材料，可穿 孔、套料、研磨 激光大功精密加工微小孔，窄 束加4 5 0 0 2率激o 1缝及成型切割、刻 工 任何 光管 0 0 1 - 1 0 _ 1 2 5 蚀、焊接、热处理 电子 材料 0 ，0 0 1 在各种难加工材料 柬加高小1 6上打微小孔，切缝， 工 1 5 0 0 宜空 刻蚀，掉接等 离子0 0 0 1装置 最高为 精密微细加工零件 柬加很低 不损耗 n0 l 0 0 1表面，抛光，刻蚀、 工“硎)镀覆等 等离 l o o 切割、焊接、热处理、 予弧 钢材， 低小 7 5 0 0 0平均o 31 6 3 2 塑料5 0 0表面强化等 加工 化学 易腐蚀 兰废 薄板，片、型孔、型 金属材低小 处理n 0 1 - n4 1 2 5 腔的加工，还可减 加工环保 1 5 0 0 0 0 l 料重、图形蚀4 等 措箍 在表l l 中，从可加工材料范围来看：电火花成形加工、电火花线切割加 上海大学硕士学位论文 工、电解成形加工和复合电解磨削加工主要适合于导电的金属材料的加工；超声 加工、激光束加工、电子束加工、离子束加工适合于任何材料的加工；等离子弧 加工适合于钢材和塑料的加工；化学加工适用于易腐蚀金属材料的加工。由于人 造心脏瓣膜架的材料属于非金属材料，只有在超声加工、激光束加工、电子束加 工和离子束加工方法中选择。而激光束加工、电子束加工和离子束加工主要适用 于加工微小孔的加工，而且它们的设备投资高，而超声加工具有设备投资低，适 合加工脆性的材料。同时，超声波加工属于非热、非化学和非电的加工方法，避 免了被加工元件材料的物理和化学性能的变化，在加工过程中仅是磨料颗粒与材 料之间相互作用，去除量很小，避免元件表面应力和表面裂纹的产生，具有高的 表面微观质量。因此采用超声加工的方法对人造心脏瓣膜架异形盲孔进行加工。 1 4 人造心脏瓣膜架异形盲孔加工系统组成 采用超声波加工的方法对人造心脏瓣膜架异形盲孔进行加工，超声波加工的 特点使得超声工具端面极易磨损，用磨损的超声工具加工人造心脏瓣膜架异形盲 孔难以得到精度要求，本文提出采用超声加工辅助以磨削修整超声工具端面的方 法进行加工。人造心脏瓣膜架异形盲孔加工系统组成如图1 4 所示。 图1 4 人造心脏瓣膜架异形盲孔加工系统组成框图 i 4 1 超声加工系统 超声加工是超声波发生器将5 0 h z 工频交流电转变成超声频电功率输出到超 声换能器，超声换能器将超声频电信号转换为具有同样频率的机械振动，借助于 传递杆和变幅度杆把超声换能器输出的振动位移和振幅放大，并驱动工具以一定 的振幅振动，此时，磨料悬浮液( 磨料、水或煤油等) 在工具的超声振动和一定 4 上海大学硕士学位论文 压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形， 直至击碎成微粒和粉末，达到加工的目的。 根据人造心脏瓣膜架异形盲孔位置的特殊性、高的精度要求和材料的特性， 结合超声加工的特性，采用超声波加工的方法对人造心脏瓣膜架异形盲孔进行加 工。因此人造心脏瓣膜架异形盲孔加工系统的组成中，超声加工系统是主体。 1 4 2 磨削系统 采用超声加工的方法来对人造心脏瓣膜架异形盲孔进行超声加工。超声加工 的工具端面极易磨损和工具端面的形状和尺寸决定被加工表面的形状和尺寸的 特点，若加工结束后，对超声加工工具端面不进行修整磨削，将大大的影响下一 个工件的质量，达不到加工工件的精度要求，所以采用超声加工辅助以磨削修整 超声工具端面的加工方法。其中超声加工是加工人造心脏瓣膜架异形盲孔的主 体，而磨削加工是用来对磨损的超声加工工具表面的修整，以保证每次超声加工 时，加工工具端面具有高的表面质量。 1 5 本课题研究目的及主要研究内容 本课题主要以提高人造心脏瓣膜架异形盲孔加工效率和加工精度为目的，重 点进行以下方面的研究： 1 在超声n i 系统中，对工具端面对磨粒悬浮液的作用力进行理论分析和 实验验证；通过研究静压力对人造心脏瓣膜架异形盲孔加工效率的影响，进而求 得加工效率最大的最佳的静压力值。 2 在超声加工系统中，通过有限元方法，分析不同轮廓形状的变幅杆对振 幅放大倍数的影响。对最大应力在材料的许用应力范围内、固有频率为给定的工 作频率的振幅放大倍数最大的变幅杆进行分析研究。 3 针对超声加工工具端面极易磨损和工具端面表面质量对人造心脏瓣膜架 异形盲孔底平面精度的影响，本文提出超声加工辅助以磨削修整超声工具端面的 方法进行加工。磨削系统的合理设计和动态特性影响着超声工具端面磨削的精 度，进而影响着人造心脏瓣膜架异形盲孔加工精度，为此在磨削系统中，进行主 轴组件的优化设计和动态特性研究。 上海大学硕士学位论文 第二章超声波加工系统 2 1 超声波加工的原理及特点 2 1 1 超声波及其特性 声波是人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为1 6 - - - 1 6 0 0 0 h z 。当声波的频 率低于1 6 h z 时就叫做次声波，高于1 6 0 0 0 h z 则称为超声波。 超声波具有如下特性“”： 1 超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介 质密度等有关，可用公式表示： c = ( 2 l 1 ) 式中：c - - 超声波传播速度( 删厶) ； 五一波长( m ) ； ，一频率( h z ) 。 2 超声波在各种介质中传播，其运动轨迹都按余弦函数规律变化，其位移为： x = a c o s ( w t + 咖 ( 2 1 2 ) 式中：x 一质点运动的位移( m ) ； a 一振幅( m ) ； 国一圆频率( r a d f ) ； t - - 时间( j ) ； 口一振动的相位角( r a d ) 。 3 超声波可传递很强的能量，其能量强度可用垂直于波的传播方向单位面积 的能量来表示，超声加工中的能量强度高达几百瓦平方厘米，j t 9 0 作用于工 件表面。 4 超声波会产生反射、干涉和共振现象。出现波的叠加作用，使弹性杆中某 处质点始终不动，而某处质点的振幅则大大增加，从而获得更大的超声加工能量。 这是因为，超声波在同一弹性杆的一端向另端传播时，在不同介质的介面上会 6 上海大学硕士学位论文 产生一次或多次波的反射，结果在有限长弹性杆中，将存在若干个周期相同、振 幅相等、传播方向相同或相反的波。于是在弹性杆中传播的波，会出现波叠加， 致使某处振动始终加强，或某处振动始终减弱，产生波的干涉现象。 5 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，强 化了加工过程的进行。因超声波通过悬浮磨粒的液体介质时，会使液体介质连续 地产生压缩和稀疏区域，由于压力差而形成气体的空腔，并随着稀疏区的扩展而 增大，内部压力下降，与此同时，受周围液体压力及磨粒传递的冲击力作用，又 使气体空腔压缩而提高压力，于是，转入压缩区状态时，迫使其破裂产生冲击波。 由于进行的时间极短，因此，会产生更大的冲击力作用于工件表面，从而加速磨 粒的切削过程。 2 1 2 超声加工的基本原理 卜工具2 一工件 4 、5 一变幅杆6 一换能器 3 一磨料悬浮液 7 一超声发生器 图2 - 1 超声加工原理图 超声加工时m t ”_ ，超声波发生器将5 0 h z 工频交流电转变成超声频电功率输 出到超声换能器( 参见图2 1 ) ，超声换能器将超声频电信号转换为具有同样 频率的机械振动，借助于传递杆和变幅度杆把超声换能器输出的振动位移和振幅 放大，并驱动工具以一定的振幅振动，此时，磨料悬浮液( 磨料、水或煤油等) 在工具的超声振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加 上海大学硕士学位论文 工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和粉末。同时，由于磨料悬浮液的不断 搅动，促使磨料高速抛磨工件表面，又由于超声振动产生的空化现象，在工件表 面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强 烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区磨料悬浮液的 均匀搅拌和加工产物的排除。随着磨科悬浮液不断地循环，磨粒的不断更新，加 工产物的不断排除，实现了超声加工的目的。总之，超声加工是磨料悬浮液中的 磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综合作用的结果。其中，以磨粒不 断冲击为主。由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超 声加工。 2 1 3 超声加工的特点 1 适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨 等不导电的非金属材料。也可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或 耐热导电的金属材料，但加工效率较低。 2 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观 切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低， 可达r a o 。6 3 一o 0 8 埘l ，尺寸精度可达o o l m m ，也适于加工薄壁、窄缝、低刚 ， 度零件争埘。 3 工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复 杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。一般，超声加工机床的结构比 较简单，操作、维修也比较方便。 4 超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产率较低。 2 2 超声波加工系统设备组成部分 超声加工设备的功率和结构有所不同，但其基本组成相同。一般包括超声 发生器、超声振动系统、磨料悬浮液循环系统和机床。其主要组成如图2 2 所 示。 8 上海大学硕士学位论文 超声加工设备 超声发生器 超声振动系统 2 2 1 超声波发生器 机床本体卜_ h 加压机构及工作进给机构 工作台及其位置调整机构 作液及循环系统和换能器冷却系统 图2 2 超声加工系统组成框图 磨料悬浮循环系统 换能器冷却系统 超声波发生器( 又叫超声频发生器或超声波电源) 的作用是将工频交流电转 换为具有一定功率的超声频振荡，以供给工具端面往复振动和去除工件材料的能 量1 ”。 目前超声波加工设备的超声波电源的输出功率在0 0 4 4 k w 范围内。 就超声波激励方式而言有它激式和自激式。自激式超声波发生器把振荡、功 放、输出变压器及换能器作为一个整体，形成个闭合回路，使之满足幅度、相 位反馈的自激振荡，组成谐振于换能器的机械共振频率上的振荡器。它激式超声 波发生器由振荡器、驱动放大、功率放大器组成。通过输出变压器耦合，把超声 能量加到压电换能器上，当出于某种原因，如更换工具或工具头磨损、部件受热 或压力变化等，会引起超声波振动系统共振频率的变化，可通过“声反馈”或“电 反馈”使超声波发生器的工作频率能自动跟踪变化，保证超声波振动系统始终处 于良好的谐振状态，为此，一般要求超声波发生器应满足如下条件“”： ( 1 ) 输出阻抗与相应的超声波振动系统输入阻抗匹配； ( 2 ) 频率调节范围应与超声波振动系统频率变化范围相适应，并连续可调； ( 3 ) 输出功率尽可能具有较大的连续可调范围，以适应不同工件的加工； ( 4 ) 结构简单、工作可靠、效率高，便于操作和维修。 9 竖 羞罴 上海大学硕士学位论文 根据功率大小不同，有电子管式、晶体管式和电子管一晶体管复合式等，并 且结构形状也大不同。超声波发生器的组成框图如图2 - 3 。电路可分为振荡级、 电压放大级、功率放大级及电源 超声 加工 换能器 图2 3 超声波发生器组成框图 振荡级由电子管或三极晶体管接成电感反馈振荡电路，调节电容量可改变 振荡频率，即可调节输出的超声频率。振荡级的输出经耦合至电压放大级进行放 大后，利用变压器倒相输送到末级功率放大管，功率放大管有时用多管并联推挽 输出，经输出变压器输至换能器。 本加工系统中选用上海杰恩普超声设备有限公司生产的j u 一6 1 1 2 型它激 式的超声波发生器。此超声发生器的特点是：其功率范围：5 0 0 w 一6 0 0 w ，频率范 围为：1 7 - 2 3 k h z ，工作电压为2 2 0 v ，具有频率自动跟踪的功能；同时，它包含有 输出变压器，以便和换能器进行匹配。超声波发生器与换能器匹配包括两个方面， 一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最 佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变 换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因， 造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的 最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的 抗。使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。 2 2 2 声学部件 声学部件的作用是把高频电能转变为机械能，使工具端面作高频率小振幅的 振动以进行加工。它是超声波加工机床中很重要的部件。声学部件由换能器、变 1 0 上海大学硕士学位论文 幅杆及工具组成。 超声波换能器的作用是将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超 声频机械振动。它是超声波加工设备的关键部件之一。超声波加工设备使用的换 能器主要有磁致伸缩换能器、压电换能器两种“。 ( 1 ) 压电陶瓷换能器石英晶体、钦酸钡( b a t i o ，) 等物质在受至n 杌械压缩或 拉伸时，在它们两端表面间将产生一定的电势差：反之，在它们的两端表面加一 定的电压，则将产生一定的机械变形，这一现象称为“压电效应”。如果两面加 上1 6 k h z 以上的交变电压，则该物质将产生高频的伸缩变形，使周围的介质作超 声振动。为了获得最大的超声波强度，应使晶体处于共振状态，故晶体片厚度应 为超声波半波长的整数倍。 压电换能器有如下特点：结构尺寸小，瞬时输出功率达3 5 4 0 w c m 2 ：电声转换 效率高达8 8 ；抗拉强度低，设计、装配和工作不当时易损坏；振动系统的设计、 制造和调整精度要求较高；频率范围窄；换能器与变幅杆之间采用螺栓连接：价 格便宜：冷却方便。 本加工系统中的换能器为复合式的夹心压电陶瓷换能器。 ( 2 ) 磁致伸缩换能器将铁、钻、镍及其合金等铁磁材料置于变化的磁场 中时，在磁场力的作用下，将沿磁场方向发生变形；在一定的极化条件下，若给 此种材料施加某种外力，使其变形，则材料内部会出现一种附加磁场。这种现象 称为磁致伸缩效应，前者称为正向磁致伸缩效应，后者称为反向磁致伸缩效应。 磁致伸缩换能器就是利用这种磁致伸缩物质所具有的这种效应来工作的。 磁致伸缩换能器具有以下特点：可以在工作条件变化很大的情况下使用，切 削力的变动及振动系统本身的一些变动对工具振动形式的影响比较小；机械强度 高，振动系统使用安全可靠，换能器寿命长；频率范围广，工具在磨损范围较大 的情况下，仍能找到谐振频率点；镍片价格昂贵；电声转换效率低，一般情况下 只有3 0 左右，发热较多；镍片换能器与变幅杆之间一般采用钎焊连接。 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。故在超声加工机工作中，换能器应采取冷却措施。 通常是：大功率换能器用水冷，小功率换能器用风冷或自然冷却。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 变幅杆无论是压电陶瓷还是磁致伸缩换能器，其伸缩变形量都很小。 即使在共振条件下，其振幅也不过在0 0 0 5 - 0 0 1 m 范围内，不能直接用于加工。 超声波加工需要0 0 1 - 0 1 衄的振幅，因此，必须通过一个上粗下细的杆子将 振幅加以放大，此杆称为变幅杆或振幅扩大棒。在进行大功率的超声加工及精密 加工时，往往将变幅秆与工具设计制成一体；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。变幅杆作用有二：一是 振幅放大作用。变幅杆之所以能放大振幅，是由于通过它的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变大。由于能量密度岛正比 于振幅a 的平方，即：反= 三也彳 4 = 厝 ( 2 2 1 ) k 。一系数，髟= p c o j 2 ；p 一弹性介质的密度 由上式可见，截面小的地方，能量密度大。振幅也就得到了放大。为了获得 较大的振幅，应使变幅杆的共振频率( 即谐振频率) 和外激振动频率相等，使之处 于共振状态。为此，在设计变幅杆时，应使其长度等于超声波振动的半波长或其 整数倍。 变幅杆的另一个作用是：有效地向负载传输超声波能量，即作为机械阻抗的 变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量由超声换能器更有效 地向负载传输。 为能较好的起到上述两种作用，对变幅杆材料的要求是：材料的疲劳强度高， 声阻抗小，以获得较大的振动速度和位移振幅；易于机械加工；抗腐蚀性好；变 幅杆材料应锻造，纤维方向应与传播方向一致，以提高变幅杆的抗疲劳性及声学 性能。 变幅杆按截面变化规律不同可分为单一型和复合型两大类。单一型变幅杆包 括：阶梯型，圆锥型、指数型和悬链型。复合型指带有锥型、指数过度的阶梯型， 及锥型、指数型、悬链型等一端带有圆柱杆的复合型。 上海大学硕士学位论文 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。截面越小截面上的能量密度越大，振动的幅值就越大， 故各种类型变幅杆的放大倍数亦不同，这个将在后面第四章中详细的研究。 设计变幅杆主要考虑的因素如下： 1 ) 确定变幅杆类型。 2 ) 变幅杆与换能器应处于共振状态，目的是为获得较大的振幅放大倍数。 3 ) 制造简单。 4 ) 材料：变幅杆的材料要求声阻小、疲劳强度高。一般选用4 5 钢、6 5 m n ， 4 0 c r 等。 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，它和低频或工频 振动的概念完全不一样。超声波在金属棒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， 使工具端面作超声振动。 工具端面的： 瞬时位移量 s = a s i n e ) t 最大位移量s 一= a 瞬时速度y = o ) a c o s o ) t 最大速度y 。= 纰t 瞬时加速度a = 一2 a s i n c a t 最大加速度口一= - o ) 2 4 式中a 一位移的振幅；c o 一超声波的角频率；t 一时间 ( 4 ) 工具超声波的机械振动经变幅杆放大后即传给工具，使磨料和工作液 以一定的能量冲击工件，并加工出一定的尺寸和形状。 工具的形状和尺寸决定于被加工表面的形状和尺寸，它们相差一个“加工间 隙”当加工表面积较小时，工具和扩大棒做成一个整体，否则可将工具用焊接或 螺纹联结等方法固定在扩大棒下端。当工具不大时，可以忽略工具对振动的影响， 但当工具较重时，会减低声学头的共振频率，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。 上海大学硕士学位论文 整个声学头的连接部分应接触紧密，否则超声波传递过程中将损失很大能 量。在螺纹联结处应涂以凡士林油，决不可以存在空气间隙，因为超声波通过空 气时衰减很快。换能器、扩大棒或整个声学头应选择在振幅为零的“驻波节点”， 夹固支撑在机床上。 2 2 3 机床 超声波机床一般比较简单，包括支撑声学部件的机架及工作台，使工具以一 定压力作用在工件的进给机构，以及床体等部分。声学部件安装在一根能上下移 动的导轨上，导轨由上下两组滚动导轮定位，使导轨能灵活精密地上下移动，工 具的向下进给及对工件施加压力靠声学部件自重，为了能调节压力大小，在机床 后部有可加减的平衡重锤，也有采用弹簧或其它办法加压的。 2 2 4 磨料工作液及循环系统 简单的超声波加工装置，其磨料是靠人工输送和更换的，即在加工前将悬浮 磨料的工作液浇注堆积在n i 区，加工过程中定时抬起工具并补充磨料，亦可利 用小型离心泵使磨料悬浮液搅拌后注入加工间隙去。若用泵供给则能令磨料悬浮 液在加工区良好循环。若工具及变幅杆较大，则可在工具与变幅杆中间开孔，从 孔中输送悬浮液，以提高加工质量。对于较深的加工表面，应将工具定时抬起以 利磨料得更换和补充。效果较好而又最常用的工作液是水，为了提高表面质量， 有时也用煤油或机油作工作液。磨料常用碳化硼，碳化硅或氧化铝等，其粒度大 小是根据加工生产率和精度等要求选定的。颗粒大的生产率高，但加工精度及表 面粗糙度则较差。 2 3 超声波加工速度及其影响因素 2 3 1 工具振动的振幅和频率的影响 一般的规律是：加工速度随工具振动振幅增加而线形增加。提高换能器加工 工具端振幅的办法有以下三种： ( 1 ) 在换能器振子的前表面加接超声变幅杆。超声变幅杆，又称超声变速杆、 上海大学硕士学位论文 超声变幅杆。在超声技术中，特别在高声强设备的振动系统中是很重要的。它的 主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小的面 积上，即聚能作用。 ( 2 ) 增大输入电功率。在压电陶瓷材料的线性工作范围内，提高超声换能器 的工作电压，即增大输入电功率，也可以增大换能器的输出振速或位移振幅。但 是，增大输入电功率以后，在换能器输出顶端的振速振幅获得提高的同时，换能 器尾端振速振幅也得到几乎相同比例的提高，整个振动系统的前后振速比没有得 到根本改善。此外大功率，长时间持续工作会使换能器发热，温度升高，带来一 系列的不良后果，所以增大输入电功率时就要充分注意这些问题。 ( 3 ) 提高整个系统的效率。系统的效率，包括使超声发生器与换能器的阻抗 匹配，换能器振子与超声变幅杆之间的阻抗匹配，以及换能器振子本身的效率。 对于超声发生器与换能器之间的匹配，一般利用匹配变压器和匹配电感线圈。前 者使超声发生器输出阻抗与换能器的输入阻抗部分匹配，后者是因为一般压电换 能器为容抗分量，将电感线圈并联或串联接入，使其在工作频率上形成回路谐振， 以消除无功损失。 如果采用第二种方法，即加大输入电功率，则振子尾端振动速度的振幅以同 样的倍率增大，这一部分能量不能用于超声加工，只能白白损耗掉。且更严重的 后果是造成振子发热，恶性循环，使振子效率进一步下降，严重的会导致损坏功 率超声系统。在第三种方法中，大振幅超声换能器机械品质因数q 三比较高，在 谐振频率上大功率驱动时，阻抗发生变化，频率漂移，应当在设计超声发生器时 考虑设置频率跟踪系统。因此，用超声变幅杆连接换能器端，是功率超声系统的 最佳选择方案。 频率提高也会提高超声加工的效率，但是随着频率的提高，变幅杆和工具会 承受较大的交变应力，从而会降低它们的疲劳强度，令寿命缩短。故在超声加工 中，频率为1 6 2 5 k h z 之间。 综上所述，本课题将对给定工作频率1 9 k h z 下，对变幅杆进行主要研究，优 化设计出具有谐振状态的最佳的变幅杆。 上海大学硕士学位论文 2 3 2 静压力的影响 一般的规律是：工具对工件存在一个最佳压力值。在此压力下，可得到最大 加工速度。其原因是：若压力过小，工具末端与工件加工面间隙大，令磨粒对工 件撞击力及打击深度降低，加工速度亦交小；若压力过大，则工具末端与工件加 工面间隙变小，磨料及悬浮液不能顺利更新，加工速度也变小。对于不同材料， 不同的加工形状，不同的加工面积，其静压力值对加工效率的影响是不同的。 2 3 3 磨料的种类和粒度的影响 磨料的种类、硬度、粒度，磨料和液体的比例及悬浮液本身的粘度等，对超 声加工速度均有影响。不同材质工件选用不同磨料，如表2 - i 所示。在一定范围 内，磨粒硬而粗，加工速度快。就一般而言，磨料粒度与加工速度问为非线形关 系。因此，为获得高的加工速度，应根据振幅大小来确定磨料粒度大小，磨料的 粒度及基本尺寸见表2 2 。般来说，振幅小，磨粒细( 即磨料编号大) 。如当振 幅为0 0 5 r a m 时，选磨粒尺寸1 6 0 1 2 5 删( 1 0 0 # ) ：当振幅为0 0 0 5 - 0 0 0 7 m m 时， 选磨粒尺寸为8 0 6 3g l n ( 1 8 0 # ) 。 表2 1 磨料的选用 工件磨料工作液 硬质合金、淬火钢 碳化硼、碳化硅 水、煤油、汽油、酒精、 金刚石、宝石金刚石磨料机油、甘油等，磨粒对水 玻璃、石英、半导体材料电刚玉( a 1 1 0 3 ) 的质量比一般为0 8 - 1 表2 2 磨料粒度及基本尺寸 磨料粒度号 1 2 0 #1 5 0 # 1 8 0 #2 4 0 辑2 8 0 # 基本颗粒尺寸埘，1 2 5 - 1 0 0i 0 0 8 08 0 - 6 36 0 - 5 05 0 - 4 0 磨料粒度号 w 4 0w 2 8霄2 0胃1 4w i ow 7 基本颗粒尺寸朋4 0 - - 2 82 8 2 02 0 一1 41 4 - 1 0l o 一7 7 5 上海大学硬士学位论文 2 3 4 磨料悬浮液的浓度的影响 悬浮液中的料液比( 磨料质量或体积与液体质量或体积的比) 对加工速度亦 有影响。一般的规律是：当体积料液比为0 - 3 0 时，加工速度增大：当体积料液比 为3 0 _ 5 0 时，加工速度增大变慢：当体积料液比超过5 0 - 6 0 后，加工速度没有 变化，因为此时磨粒太多，相互间碰撞多，消耗了能量。悬浮液的液体类型对加 工速度的影响见表2 3 。 表2 - 3 几种悬浮液的液体相对生产率 液体相对生产率 液体相对生产率 水 l 机器油0 3 汽油、煤油0 7 亚麻仁油和变压器油 o 2 8 酒精 o 5 7 甘油 o 0 3 由表2 3 可见，水的相对生产率最高。其原因是水的粘度小，湿润性高且 有冷却性，对超声加工有利。 2 3 5 被加工材料的材质 超声加工适于加工脆性高得材料。材料越脆，承受冲击载荷能力越差，在超 声强击下越易粉碎去除。材料脆度与超声可加工性见表2 4 。 表2 4 材料脆度与超声加工的可加工性 类别材料名称脆度( t 。)可加工性 玻璃、石英、陶瓷、锗、硅、 i 2易