超声切削自动调谐.pdf

2001 年 4 月 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 April 　2001 　 　　 第27 卷 第2 期 Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics Vol. 27 　No 2 超声振动切削中的自动调谐技术研究 周正干　　王春生　　张　波　　张德远 (北京航空航天大学 机械工程及自动化学院) 　　摘 　　　要 : 在超声振动切削中 , 由于系统的发热及加工负载的变化,机械谐振 系统的谐振频率会在较大范围内发生变化. 若超声波电源的工作频率不能自动跟踪 机械系统的谐振频率 ,超声振动切削就无法持续稳定地进行. 为了解决上述问题 ,分 析了超声振动切削系统的组成 ,剖析了系统中超声换能器的电阻抗特性 ,提出了根据 换能器中电压和电流的相位差来调整超声波电源工作频率的自动调谐方法 ,并设计 了相应的自动调谐系统. 试验结果表明 :该自动调谐方法在加工条件变化的情况下能 使切削系统始终工作在谐振状态 ,实现连续稳定的振动切削. 关 　键 　词 : 振动切削 ; 超声波 ; 自动调谐电路; 超声换能器 中图分类号: TG 506. 5 ( ) 文献标识码 : A 　　　　文 章 编 号 : 2001 　　超声技术在工业中的应用开始于本世纪 10 同在于能量的来源:传统切削的能量来自主轴的 ( ) ( ) 到20 年代. 随着超声技术的成熟 ,超声应用的领 旋转 ,通过主轴带动工件 刀具 挤压刀具 工件 , 域越来越广 , 目前已达几十个领域,包括超声清 从而达到切削的目的 ;而超声振动切削的能量主 洗、超声焊接、细胞破裂、超声乳化、冲击粉碎、金 要来自刀具的超声振动 ,主轴的旋转只提供改变 属加工、超声马达、生物医学、超声悬浮和石油开 加工位置的作用 ,不再承受很大的切削力[1 ] . 采等 , 由此衍生出生物超声学、声化学、超声空化 常用的超声振动切削系统的结构如图 1 所 技术和超声地层处理技术等新的交叉学科. 超声 示. 超声波电源输出大功率正弦波电压信号 , 由换 技术在机械加工方面的应用主要有金属切削、研 能器转换成机械振幅 ,再经变幅杆进行振幅放大. 磨、焊接、成形、表面处理、超声电解、电火花复合 一般换能器和变幅杆结合构成振子 ,振子对刀杆 加工及疲劳测试等. 在超声振动切削中 , 由于系统 激振进行振动切削. 在超声振动切削中 ,常规情况 的发热及加工负载的变化 ,机械谐振系统的谐振 下宏观的连续切削变成微观的脉动断续切削 ,常 频率会在较大范围内发生变化. 若超声波电源的 速切削变成变速和变加速切削 ,单向切削变成双 工作频率不能自动跟踪机械系统的谐振频率 ,超 向往复切削,因此 ,它能大幅度提高工件表面质量 声振动切削就无法持续稳定地进行. 然而 ,现有的 和加工精度 ,提高刀具耐用度 ,并能够进行某些难 超声波功率电源只能通过操作者手工调整工作频 加工材料和特种材料的加工[2 ] . 超声振动切削的 率 ,且操作繁琐 ,因而调谐困难 ,所以 ,在加工负载 能量主要来自超声波发生器. 常用大功