Page 6 - 《应用声学》2023年第4期
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                                                               参数来实现同频共振,但因功率容量有限、制作工艺
             0 引言
                                                               复杂、极化困难等缺点使其在工程应用方面受到了
                 一维纵向超声振动加工技术的提出为碳纤维、                          极大的限制;二是在纵向振动的变幅杆上开斜槽或
             工程陶瓷、复合材料等硬脆、难加工材料的加工提                            者螺旋槽来实现模式转换型纵 -扭复合振动。斜槽
             供了有效的解决方案          [1−3] ,可以在一定程度上提高              结构的主要弊端是能量转换率低,从而导致系统扭
             加工质量,但是由于其振动模式过于单一,常常导致                           转分量过小,难以满足加工所需振幅;而螺旋槽结构
             加工的效率低下且精度较低,相比之下,能够综合纵                           的主要弊端是结构复杂,影响振动输出的结构参数
             向振动和扭转振动优势的纵 -扭复合振动因其较高                           过多,从而导致无法准确控制输出参数,模型建立较
             的加工精度和可靠性而备受青睐               [4−7] 。              为困难    [17−19] 。因此,从结构上对模式转换型纵 -扭
                 文献 [8] 从纵振动和扭转振动的波动方程出发,                      复合振动进行优化,成为亟需解决的关键问题。基
             结合纵振动和扭转振动的等效网络,以一维声传输                            于此,论文设计了一种新型的模式转换型纵-扭复合
             线理论为基础,推导出了复合振动换能器所满足的                            超声振动系统,该系统可以克服斜槽和螺旋槽结构
             纵振动和扭转振动共振频率方程;文献 [9] 利用指                         的缺点,为进一步促进模式转换型纵-扭复合模态超
             数型前盖板、切向及轴向极化的两组压电陶瓷晶堆                            声振动系统的发展提供理论和技术支持。
             设计了纵向和扭转振动模式同频共振的换能器;文
             献 [10] 对斜槽式纵 -扭复合振动模式压电超声换能                       1 基于斜槽结构的模式转换型纵-扭复合模
             器进行了理论及实验研究,推导出换能器的机电等                               态超声振动系统的设计
             效电路,并研究了斜槽的倾角对换能器的谐振频率
                                                                   根据换能器和变幅杆的设计理论,初始设计谐
             的影响规律;文献 [11] 利用螺旋槽实现纵振动与扭
                                                               振频率为 15 kHz 的全波长结构的斜槽型超声振动
             转振动的转化,设计了基于螺旋槽结构的纵-扭复合
             模式换能器;文献 [12] 利用在指数型变截面杆上加                        系统,其中换能器选择纵振夹心式压电陶瓷换能器,
             工的螺旋槽实现纵振动向扭转振动的转化,并分析                            半波长结构,变幅杆选择圆锥和圆柱型复合变幅杆,
             了螺旋槽结构参数对系统的影响规律,找到了最佳                            半波长结构。夹心式纵向振动压电陶瓷换能器由压
             的螺旋槽参数;文献 [13] 利用在喇叭形变幅杆上设                        电陶瓷晶堆、前盖板和后盖板3 部分组成,各组成部
             计的 4 条均匀斜缝,实现了斜缝式纵 -扭超声振动系                        分的材料属性如表1所示。
             统,并分析了斜缝的结构参数对纵-扭共振频率和振                               在仿真软件中建立系统的模型并初步确定各
             幅的影响规律;文献[14]利用非对称的孔实现纵-扭                         部分的尺寸,结果如图 1 所示,其中,斜槽的长
             复合振动,从而研制出一种新型孔式模态转换型超                            度为 10 mm,宽度为 2 mm,深度为 3 mm,倾斜
                                                                        ◦
             声电机;文献 [15] 利用 4 个均匀倾斜的凹槽,实现了                     角度为10 。
             纵振动向纵-扭复合振动的转化,研制出用于拉丝的                               利用有限元仿真软件,对基于斜槽结构的模式
             纵-扭复合超声换能器;文献[16]利用在复合变幅杆                         转换型纵-扭复合超声振动系统进行仿真分析,从仿
             上加工的梳状扇形孔和斜槽实现了纵振动向纵 -扭                           真结果图2可以看出,在斜槽的作用下,当系统的特
             复合振动的转换,设计出扭转分量大的纵-扭复合超                           征频率为12569 Hz、16265 Hz、22793 Hz时,超声振
             声振动系统。                                            动系统以扭振为主。以二阶扭振16265 Hz为例进行
                 分析以上研究成果可以发现,目前,实现纵 -扭                        研究,由图 3 能够看出,该时刻,基于斜槽结构的模
             复合振动的实现主要有两种方法:一是利用纵向和                            式转换型纵 -扭复合超声振动系统正在沿顺时针方
             切向极化的陶瓷元件,通过调整超声变幅杆的结构                            向扭转(图3中的红色箭头为位移方向)。


                                    表 1  斜槽型纵 -扭复合超声振动系统各组成部分的材料属性
                           Table 1 Material properties of components of inclined slot longitudinal
                           torsional composite ultrasonic vibration system

                        组成部件      压电陶瓷            前盖板                后盖板                变幅杆
                         材料        PZT-4     Aluminum 6063-T83  Aluminum 6063-T83  Aluminum 6063-T83
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