超声波振动机械设备的研究

Ξ超声波振动机械设备的研究

黄德中

(绍兴文理学院　机电系,浙江　绍兴312000)

摘　要:介绍了超声波振动技术在机械工程中利用的现状,提出了功率超声波技术在振动机械设备中的应用前景.

关键词:超声波;振动;机械设备

中图分类号:O347.4 文献标识码:A 文章编号:1008-293X (2004)08-0103-03

振动是一种很普遍的运动形式,所谓机械振动是指物体在平衡位置附近作周期性往复运动,在日常生活中普通存在,如心脏跳动、钟摆的摆动、琴弦的振动、大海的波涛等等.在工程技术中,振动通常认为是有害的,它影响设备的功能,降低设备的精度,缩短机械的寿命,产生噪声,造成事故.但是近几十年来,人类利用机械振动研制了许多机械振动设备,如振动凿岩、振动传输、振动筛选、振动密实、振动抛光、振动沉桩、振动冲击、振动研磨等,为振动利用作出了具大贡献.然而,人类进入21世纪,绿色、环保型设备是机械设备的发展方向,原有振动设备已不能适应现代生产、生活的要求,开发超声波振动设备变得非常必要.

超声波在人类生产与生活中广泛应用,随着科学技术的发展与环境保护要求提高,超声波技术得到新的发展,本文扼要介绍了超声波在机械工程中利用的研究概况,讨论了超声波技术在机械工程中利用的发展远景.

1　超声波振动技术利用的现状

1.1　超声波振动切削工艺

超声波振动切削是近几年来发展较快的一种新技术,取得了许多意想不到的效果.超声波振动切削是超声频率的脉冲切削方式,镗杆水平方向受力由普通切削的切削力F 变为以F 为幅值的高频脉冲切削力.超声波振动切削每一个周期T 内只有t 时间在切削,有(T -t )时间脱离工作,使切削液能充分地进入到切削区,冷却润滑充分,刀具散热条件改善,切削温度大幅度降低,加上超声振动的刀具会带动周围切削液超声振动,切削液对刀具和工件不会发生粘结,由刀具材料和工件材料不同而引起的加工表面粗糙度差异在超声切削时可以减少最多.

1.2　超声波振动塑性加工工艺

和常规塑性加工工艺相比,超声塑性加工具有如下优点:(1)降低成型力;(2)降低流动应力;(3)减少模具与工件间的摩擦;(4)获得较好的制品表面质量和高的尺寸精度.将超声振动用于管材的拉拔效果比较理想.这里不仅有体积疚的作用结果,而且表面疚对于管材内外表面的光洁度更有积极的影响.对于难成形的稀有金属,例如钛、铜镍等合金材料,振动拉拔具有独特的优势.

将超声振动施加于芯棒,对铝管进行了拉拔实验研究.换能器的振幅达12μm ,铝管由直径18mm 、壁厚1.5mm 拉拔至直径16mm 、壁厚1.45～1.0mm ,平均拉拔力大约降低69%.在对内螺旋凸筋管进行的拉拔实验中,拉拔力最多下降17%,凸筋的质量也得到改善.

1.3　超声波清洗机

超声波清洗的效果超过一般的常规清洗方法,特别是工件的表面比较复杂,如一些表面凹凸不平、有盲第24卷第8期2004年6月 绍　兴　文　理　学　院　学　报JOURNA L OF SH AOXI NG UNI VERSITY V ol.24N o.8Jun.2004Ξ收稿日期:2004-04-20

基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(102001)

作者简介:黄德中(1963-),男,浙江绍兴人,硕士,副教授,从事机电控制和振动等研究.

孔的机械零部件,一些特别小而对清洁度有较高要求的产品,如钟表和精密机械的零件、电子元器件、电路板组件等,使用超声波清洗都能过到很理想的效果.超声波清洗的原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号,通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质———清洗溶济中,超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射,使液体流动而产生数以万计的微小气泡.这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长,而在正压区迅速闭合.在这种被称之为“空化”效应的过程中,气泡闭合可形成超过1000大气压的瞬间高压,连续不断地产生的瞬间高压就象一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面,使物件的表面及缝隙中的污垢迅速脱落,从而达到物件表面净化的目的.

超声波清洗的作用机理主要有以下几个方面:因空化泡破灭时产生强大的冲击波,污垢层的一部分在冲击波作用下被剥离下来,分散、乳化、脱落.因为空化现象产生的气泡,由冲击形成的污垢层与表层间的间隙和空隙渗透,由于这种小气泡和声压同步膨胀、收缩,象剥皮一样的物理力反复作用于污垢层,污垢层一层层被脱开,气泡继续向里渗透,直到污垢层被完全剥离,这是空化二次效应.超声波清洗中清洗液超声振动对污垢的冲击,加速化学清洗剂对污垢的溶解过程,化学力与物理力相结合,加速清洗过程.

2　超声波在振动机械设备中的利用

2.1　超声波凿岩机的工作原理

图1　超声凿岩机原理示意图凿岩机用的超声波频率为16000～25000H z.超声凿岩机的原理是利用

超声波作为动力,推动钻头以极高的速度冲击岩石,岩石在冲击力作用下

破碎.图1为超声凿岩机的原理示意图.凿岩时,超声发生器产生高频交流

电,换能器上产生与通电电流相同频率的机械振动,借助于变幅杆把振幅

放大到0.05～0.1mm 左右,驱动冲击棒作超声振动与冲击,通过钻头使岩

石破碎.由于每秒钟振动次数多达20000次以上,所以能够产生很好的破

碎效果.且无噪声,不对环境引起污染,有很好社会效益.

超声凿岩机主要有超声发生器、换能器、变幅杆、冲击棒、钻头等组成.

超声发生器、换能器技术基本成熟,本文不再介绍,变幅杆的作用是将换能

器获得的超声振动的振幅加以放大,以得到超声凿岩机所需要的振幅.变幅杆能放大振幅,是因为其是一根上粗下细的变截面杆,如图1所

示.通过此杆每一截面的振动能量是不变的(不计传播消耗),截面小的地方能量密度大.因振幅正比于能量密度的平方根,所以截面越小,其能量密度越大,振动的振幅也越大.

表征变幅杆性能的主要参数有:共振频率、位移振幅放大倍数、形状因素、输入阻抗随频率和负载变化特性等.主要要求位移振幅放大倍数要大,输入阻抗随频率和负载的变化要小.变幅杆的材料要求声阻小、疲劳强度高.常用45钢,65Mn ,40Cr 等.

超声波的机械振动经变幅杆的放大后传给冲击棒,使岩石受到一定频率的冲击,冲击棒作为变幅杆的负载,是声学部件的组成部分,其结构尺寸、质量大小及其与变幅杆的连接好坏,对超声振动系统的共振频率和工作性能影响较大.超声凿岩机的钻头与气动与液压凿岩机类似.

2.2　超声波振捣器

建筑施工必须用振捣器对砼进行密实,现行施工中普遍采用偏心式或行星式振捣器,主要存在两个方面的问题:一是噪声污染,严重影响环境;二是频率提高受到轴承寿命的限制,尽管采用各种不同结构,但由于受到振动轴承寿命的限制,有时只有十几小时的工作时间,这严重制约了振捣器的寿命和工作效率的提高.超声振捣器,采用超声发生器产生超声振动,通过变幅杆扩大振幅,对砼振动密实.由于没有转动部件,不用轴承,就没有轴承寿命的问题;且采用超声波振动,没有噪声污染,因此具有广泛的应用前景.

2.3　超声波冲击钻

电动冲击钻广泛应用在建筑装饰等、电讯安装等场合,目前国内外电动冲击钻存在主要问题是频率低、噪声大、灰尘多、生产率低、工作环境差等,与现代化建设不相适应.由于频率低,设计了较大冲击力,在钻脆性材料,如磁砖时会产生破碎现象;钻墙时会产生整块脱落现象,钻孔质量下降,超声波冲击钻,用超声波作

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01 绍兴文理学院学报(自然科学) 第24卷