實驗名稱：縱振型超聲振子的設計與有限元分析

研究方向：超聲振子

測試目的：利用壓電陶瓷的逆壓電效應，依據夾心式壓電超聲換能器的設計理論，設計了一款可用于旋轉超聲銑削加工的縱振型超聲振子。采用PZFLex仿真軟件對影響超聲振子諧振頻率的因素進行了仿真研究，結果表明：超聲振子諧振頻率隨刀具有效長度和過渡圓柱長度的增加而減小，隨預緊螺栓長度和后端蓋孔深度的增加而增大。根據仿真結果加工了縱振型超聲振子，并對振子進行阻抗分析，測得其諧振頻率為17.41kHz，實物測得的諧振頻率與仿真模型中預測的誤差5.7636%。最后，基于實物測得的諧振頻率，在200V電壓激勵下測得振子輸出的縱向振幅為2.016μm，可以滿足旋轉超聲銑削加工的要求，從而驗證了模型的有效性，為超聲振子的進一步優化設計提供依據。

圖：縱振超聲振子實物模型

在超聲振動裝置的研制方面，日本超聲波工業公司開發了體積小、重量輕、剛度大、可安裝在金屬切削機床的USSP系列超聲波主軸系統；日本金澤工業學院的研究人員研制了加工硬脆材料的超聲低頻振動組合鉆孔系統。東南大學研制了一種新型超聲振動切削系統，該系統通過發生器輸出電壓使級聯晶體產生超聲機械伸縮，直接驅動諧振刀桿實現超聲振動，其機電轉換效率可達90%。西北工業大學設計了一種可在內圓磨床上加工硬脆性材料的超聲振動磨削裝置，該裝置結構簡單、成本低廉，適用于生產加工中。目前，國內外對旋轉超聲加工的研究主要集中在實驗研究，對旋轉超聲加工裝置的設計方面的研究還較少，特別是旋轉超聲銑削裝置設計過程中可以參考的經驗也不多，基于此，本文設計一款縱振型超聲振子，并對其振動特性進行仿真與實物驗證。

測試設備：ATA-4052高壓功率放大器、阻抗特性分析儀、多普勒激光測振儀、信號發生器、示波器等。

實驗過程：

為了進一步驗證仿真實驗結果，本次試驗采用阻抗特性分析儀對振子進行阻抗測試，測試結果如下圖所示，顯示振子的諧振頻率為17.4113087kHz，與仿真結果誤差率為5.7636%；

圖：振子阻抗測試結果

基于超聲振子諧振頻率的測試結果，利用多普勒激光測振儀對振子仿真設定參考點的縱向振幅輸出進行測量。其中，多普勒激光測振儀位移檔設置為200nm/V，設定信號發生器激振頻率（通常略小于諧振頻率）為17kHz，電壓為10V，經ATA-4052高壓功率放大器放大20倍即200V電壓下進行測量，測量結果由四通道數字示波器輸出。

實驗結果：

在刀具有效度小于60mm時，超聲振子諧振頻率隨刀具有效長度增大而減小；隨著螺栓長度的增加，振子諧振頻率增大；增加過渡圓柱的長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。

通過對振子進行阻抗分析得，實物模型的諧振頻率與仿真模型中預測的諧振頻率誤差在允許范圍內。

根據實物測得的諧振頻率，對振子的縱向振幅輸出進行測試，測試結果可以滿足旋轉超聲銑削加工的需求，驗證了模型的有效性。

安泰ATA-4052高壓功率放大器：

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審核編輯黃宇