荊盼盼，鐘相強(qiáng),2，劉彩霞，張本學(xué)

（1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016）

超聲波技術(shù)已廣泛用于生活的方方面面，比如，超聲波可以用于清洗物品、粉碎結(jié)石，也可以用于金屬切削、距離測(cè)量和聲化學(xué)反應(yīng)等等。從醫(yī)學(xué)影像、化學(xué)化工到機(jī)械制造、金屬冶煉，到處都能看到超聲波的身影。超聲波技術(shù)的應(yīng)用已為人類社會(huì)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益［1-5］。

目前，超聲波金屬焊接技術(shù)［6-10］還不夠成熟，為此，人們還在做著各種努力。趙玉津等［11］發(fā)現(xiàn)利用超聲波金屬焊接技術(shù)焊接后常常出現(xiàn)焊接頭不牢的情況，還發(fā)現(xiàn)由于能量過(guò)大導(dǎo)致焊接面出現(xiàn)孔洞的情況?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了金屬箔片超聲點(diǎn)焊裝置，并著重對(duì)換能器、變幅桿和超聲點(diǎn)焊裝置機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1 超聲換能器的設(shè)計(jì)

夾心式換能器［12］的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 夾心式換能器的結(jié)構(gòu)

1.1 換能器參數(shù)的確定

換能器所使用材料的屬性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料的屬性參數(shù)

由于壓電換能器的頻率為20 kHz，輸入功率為3 kW，壓電陶瓷PZT-8的橫向聲速為3 100 m/s，故壓電陶瓷晶片的波長(zhǎng) λ 為155 mm，壓電陶瓷晶片的直徑為 λ 的1/4，即為38.75 mm。

圓柱形的縱向復(fù)合式振子為換能器的推動(dòng)級(jí)，在允許范圍內(nèi)盡可能把晶片直徑取大一些，因此晶片的外徑可以確定為56 mm，孔內(nèi)徑可確定為16 mm，厚度可確定為8 mm。銅電極內(nèi)、外徑的取值和陶瓷片一樣，而厚度可確定為0.3 mm。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)果：

單個(gè)晶片的體積為V =(R2?r2) t =(282mm2?82mm2)×8mm2=18cm，3六個(gè)陶瓷片所允許的輸入功率為W =kf Vn。取1≤k≤ 2時(shí)，2.16 k W≤ W≤4.32 kW，滿足單個(gè)換能器3 k W輸入功率的要求。

換能器中間部分的長(zhǎng)度為L(zhǎng)= 8 mm× 6+ 0 .3 mm× 6=49.8 mm。

前端蓋（輻射塊）和后端蓋（匹配塊）是牌號(hào)為L(zhǎng)Y12的硬鋁，其參數(shù)如下：D1= D2= 5 6 mm,ρ1=2.78 g/cm3, C1= C2= 5 .07× 1 05cm/s。 后 端 蓋 長(zhǎng) 度 為L(zhǎng)1= a rctan(0.823 0.0248) = 27.8 mm,故可確定為28mm;前端蓋長(zhǎng)度63.4 mm,可確定為64 mm。

1.2 變幅桿尺寸的計(jì)算

變幅桿的形狀可設(shè)計(jì)為大圓弧過(guò)渡的階梯形。階梯形變幅桿因其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制造容易，半波諧振長(zhǎng)度最短，放大倍數(shù)最大而被廣泛使用。

下面分析諧振頻率為20 kHz的階梯形變幅桿的結(jié)構(gòu)，其外形如圖2所示。

圖2 階梯形變幅桿的結(jié)構(gòu)

變幅桿的截面滿足以下關(guān)系：當(dāng) 0 ≤x≤λ 4時(shí)，D= D1；當(dāng) λ 4≤x≤λ 2時(shí)， D= D2。

共振長(zhǎng)度 L =λ2，位移節(jié)點(diǎn) X1=λ 4，放大系數(shù)M =N2。

在以上式子中：D1和D2表示變幅桿輸入端和輸出端的直徑 ( mm)；N為面積系數(shù)，且 N2=S1S2,S1和S2分別為變幅桿輸入端和輸出端的面積 ( mm2)；λ 為聲波波長(zhǎng)，且 λ =c f，c為縱波在變幅桿中的傳播速度(m s),f為聲波的振動(dòng)頻率 ( Hz)。

在選擇變幅桿的材料時(shí)，考慮到經(jīng)濟(jì)成本和加工難度，我們選擇 4 5# 鋼 作為變幅桿的材料。 45#鋼的密度是 ρ =7800 kg/m3，彈性模量是 E =210 GPa ,泊松比 μ = 0 .3。超聲波在 45#鋼中的傳播速度是c=5170 m/s。

取過(guò)渡圓弧的半徑 R =10 mm，變幅桿輸入端連接換能器，其直徑等于換能器直徑 D1，輸出端直徑為D2= 36 mm。則有：

面積系數(shù)為 N = D1D2=1.56，波長(zhǎng)為0.024 3 ，諧振長(zhǎng)度為 L =λ2 =129.29 mm,位移節(jié)點(diǎn)X0=λ4 = 64.625 mm，放大系數(shù)為Mp= N2= 2.43。由以上數(shù)據(jù)確定的超聲點(diǎn)焊振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 超聲點(diǎn)焊振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 金屬箔片超聲點(diǎn)焊系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)

金屬箔片超聲點(diǎn)焊系統(tǒng)裝置［13-14］的整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。從圖4可以看出，上蓋板是由兩塊蓋板卡在一起的，通過(guò)圓柱銷定位，利用圓柱頭內(nèi)六角螺釘與機(jī)架固定。機(jī)架通過(guò)圓柱銷定位，通過(guò)圓柱頭內(nèi)六角螺釘固定在底板上。氣缸通過(guò)圓柱頭內(nèi)六角螺釘固定在蓋板上，氣缸與蓋板之間裝有減震墊片。工作臺(tái)組件通過(guò)圓柱頭內(nèi)六角螺釘固定于底板上，其中工作臺(tái)組件采用層疊結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行焊接工作時(shí)，可以有效增加系統(tǒng)阻尼。前支撐與變幅桿輔助支撐可滑動(dòng)配合，并且通過(guò)圓柱頭內(nèi)六角螺釘固定于滑動(dòng)副的滑塊組上。同樣，換能器外殼也通過(guò)圓柱頭內(nèi)六角螺釘固定于滑動(dòng)副的滑塊組上，氣缸連接板上部通過(guò)氣缸螺釘與推桿連接，其下部通過(guò)圓柱頭內(nèi)六角螺釘固定于變幅桿輔助支撐與換能器外殼上。

金屬箔片超聲點(diǎn)焊系統(tǒng)裝置在工作時(shí)，進(jìn)行上下移動(dòng)，并且會(huì)受傾覆力的作用，因此本裝置采用四個(gè)直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副，以平衡傾覆力。并且通過(guò)UGNX對(duì)裝置進(jìn)行重心分析后，以連接板的上圓面為原點(diǎn)，重心大概在原點(diǎn)靠后一點(diǎn)，這樣可以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中得到一個(gè)較好的傾角，防止在止點(diǎn)卡死，使運(yùn)動(dòng)過(guò)渡平穩(wěn)。

圖4 金屬箔片超聲點(diǎn)焊系統(tǒng)裝置

3 換能器的有限元分析

3.1 模態(tài)分析

圖5是自由狀態(tài)下?lián)Q能器部分的10階模態(tài)總變形分析結(jié)果。從圖5可以看出，換能器達(dá)到了預(yù)期的振動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)振型為縱波，振動(dòng)頻率為19 306 Hz，與諧振20 000 Hz相差694 Hz，誤差為3%，在5%的誤差范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 換能器模態(tài)分析

3.2 諧響應(yīng)分析

換能器的諧響應(yīng)幅值頻譜如圖6所示。由圖6可知：當(dāng)頻率為20 000 Hz時(shí)，出現(xiàn)位移峰值，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 換能器的諧響應(yīng)結(jié)果

4 金屬箔片超聲點(diǎn)焊振動(dòng)系統(tǒng)的有限元分析

4.1 模態(tài)分析

圖7為自由狀態(tài)下超聲點(diǎn)焊振動(dòng)系統(tǒng)的19階模態(tài)分析結(jié)果。從圖7可以看出，超聲點(diǎn)焊振動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的振動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)振型為縱波，振動(dòng)頻率為19 526 Hz，與諧振20 000 Hz相差694 Hz，誤差為2.37%，在5%的誤差范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 模態(tài)分析結(jié)果

4.2 諧響應(yīng)分析

超聲點(diǎn)焊振動(dòng)系統(tǒng)的諧響應(yīng)幅值頻譜如圖8所示。從圖8可以看出，當(dāng)頻率為20 000 Hz時(shí)，出現(xiàn)位移峰值，這說(shuō)明該結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 諧響應(yīng)結(jié)果

5 結(jié)論

在本文中，我們確定了換能器的幾何參數(shù)，設(shè)計(jì)了變幅桿的尺寸和金屬超聲點(diǎn)焊系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)，并借助ANSYS軟件和有限元方法進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。結(jié)果表明，換能器和超聲點(diǎn)焊振動(dòng)系統(tǒng)均滿足設(shè)計(jì)要求，這為金屬箔片超聲點(diǎn)焊系統(tǒng)裝置的研制奠定了基礎(chǔ)。