2462 帶式輸送機設計,輸送,設計 安裝有許多對角裂縫零件的一維縱扭振動轉換器Jiromaru Tsujino*, Tetsugi Ueoka, Kenichi Otoda, Atsushi FujimiFaculty of Engineering, Kanagawa University, Yokohama 221-8686, Japan摘要：為了提高一維縱扭振動轉換器可得到的振動速度，對旨在減少振動節(jié)點部分的最大振動應力水平并且要避免安裝在轉換器的縱向節(jié)點位置的帶有許多裂縫的零件的新型的復雜振動轉換器進行了研究。轉換器的自由端以橢圓或圓形軌跡振動。帶有從橢圓形到圓形或者從長方形到正方形軌跡的復雜振動系統(tǒng)可有效應用于需要大功率的場合，包括金屬或者塑料的超聲波焊接，超聲波焊線的集成電路，大規(guī)模集成電路和裝置和超聲波馬達。安裝有許多帶裂縫部件的轉換器比只安裝一個帶有裂縫零件的轉換器在振動應力水平和品質因數(shù)方面會得到提高。關鍵詞：圓形振動軌跡 復雜的振動 復雜振動超聲波焊接 縱扭振動轉換器 超聲波馬達 超聲波塑料焊接 帶有對角裂縫的振動轉換器1.簡介帶有從橢圓形到圓形或者從長方形到正放形位點的復雜振動系統(tǒng)適用于大功率場合的使用。在縱向振動節(jié)點區(qū)域安裝有一個裂縫零件且由縱向振動系統(tǒng)驅動的一維縱扭振動轉換器適用于大規(guī)模場合的應用，這些場合包括：各種材料的超聲波焊接，超聲波焊線的集成電路，大規(guī)模集成電路和裝置和超聲波馬達。為了提高振動的優(yōu)點和增加轉換器的可獲得振動速度，對帶有許多裂縫零件的新型轉換器做了研究。裂縫零件可以安裝在許多位置，但是要避免安裝在縱向節(jié)點位置處以便減少振動節(jié)點部分的最大應力振動數(shù)值。使用很多裂縫零件可以使最大振動應力和質量因數(shù)增加，同時在相同的驅動電壓下最大振動振幅會明顯增大。這種轉換器由很突出的優(yōu)點，因為和只有一個裂縫零件的轉換器相比，其最大振動應力較小，而且這種振動器的最大振動振幅會明顯增加。沿著轉換器分布的振動軌跡，振動速度和相分布可以通過激光多普勒測振儀進行測量。這種新型的轉換器用于超聲波塑料焊接和超聲波馬達中。這種新型轉換器可獲得的最大振動速度會顯著增加。使用復雜的振動轉換器可以使塑的焊接優(yōu)點得以提高。超聲波馬達聲使用的 15mm 直徑的新型振動器的縱扭振動幅和以前的轉換器相比，在相同的驅動電壓 60v,55kHz 條件下，會從 6um 增加到將近 12um.安裝有多縫隙零件的轉換器在提高振動的優(yōu)點和增加可得到的復雜振動速度方面是很有效的。2 振動轉換器的構造兩個直徑為 20mm，長度為 79mm 的振動轉換器的構造如圖 1 所示，而且這兩種轉換器在除了縱向節(jié)點部分外安裝有裂縫零件。用鋁合金（JISA7075B）制造的圓柱形縱扭轉換器在圓周的縱向振動節(jié)點部分的兩端安裝有兩個裂縫零件。轉換器由縱向振動源驅動。在實驗中使用了具有相同角度和不同角度對角裂縫零件的各種轉換器。振動轉換器有 18 個呈 45°或 135°的對角裂縫，這些 10mm 寬，0.5mm 寬的裂縫是用電火花機床加工出來的。裂縫深度從 1.0mm 到 30.mm 之間變化。轉換器的自由端部分以縱扭的方式振動并且軌跡呈橢圓形。圖 1，安裝有一對裂縫零件的不同的一維縱扭振動轉換器3 帶有兩個裂縫零件的轉換器的振動特點對轉換器的整個振動系統(tǒng)的自由進入循環(huán)進行了測量。具有不同角度裂縫零件（a）和具有相同角度裂縫零件（b）的質量因數(shù)︱Ymo︳，在 890Kpa 的穩(wěn)定壓力條件下焊接，其數(shù)值大致是 600 和30ms。由于縱向振動和扭轉振動的共振頻率很接近，所以轉換器振動系統(tǒng)的進入循環(huán)顯示出單一的圓形。兩個系統(tǒng)的質量因數(shù)是很大的。在轉換器的自由邊沿可以得到橢圓位點。4 復雜振動超聲波塑料焊接4.1 復雜振動轉換器的振動特點圖 2 顯示了驅動頻率和帶有復雜振動系統(tǒng)的振動轉換器的扭轉振動速度之間的關系。驅動電壓穩(wěn)定在 20V。扭轉振動速度在 26.3kHz和 26.4kHz 附近的不同頻率處有最大的數(shù)值。在轉換器的自由邊沿會出現(xiàn)橢圓的軌跡。帶有一對裂縫零件的復雜振動轉換器，在頻率為 26.8kHz 時，其扭轉徑向的振動速度分布如圖 3 所示。扭轉振動速度的節(jié)點部分通常位于左側的裂縫區(qū)域，并且振動速度在自由邊沿達到最大數(shù)值。圖 2，沿著（a)和（b)復雜振動轉換器扭轉徑向振動速度的分布。驅動電壓為 20V。圖 3，帶有復雜振動系統(tǒng)的振動轉換器（A)驅動頻率和縱扭振動速度之間的關系。驅動電壓為 20V。帶有一對裂縫零件的復雜振動轉換器的徑向振動速度分布也可以用圖 3 所示。徑向振動速度最大位置處也即縱向振動節(jié)點位置，并且縱向節(jié)點位置位于兩裂縫零件之間。在徑向節(jié)點位置處轉換器的應力分布有一個最大數(shù)值，然而兩個裂縫區(qū)域并不存在于這個位置。4.2 復雜振動超聲波塑料焊接的焊接特點焊接時間，焊接部分試件的變形厚度和用頻率為 27kHz 帶有復雜振動系統(tǒng)的轉換器（a）和（b）搭接的聚丙烯板的強度之間的關系如圖 4 所示。通過轉換器（a）所得到的焊接強度要大于通過轉換器（b）所得到的強度。由于（a）中振動系統(tǒng)有一個更大的扭轉振動元件，相比之下，其所需的焊接時間要短。在焊接部分試件變形厚度的減少通常和所得的強度是一致的。和帶有縱向振動系統(tǒng)的轉換器相比，帶有復雜振動系統(tǒng)的轉換器焊接工件的時間要短。復雜振動既對金屬材料的焊接有效，又適用于塑料的超聲波焊接。5 帶有扭轉轉換器的超聲波馬達5.1 超聲波馬達的構造圖 4，焊接時間，變形焊接高度和搭接起來的聚丙烯板的焊接強度之間的關系（厚度為 1.0mm)，使用一個頻率為 27kHz 復雜振動系統(tǒng)的轉換器（a)和（b)進行焊接。超聲波馬達和直徑為 15mm 的振動轉換器的構造如圖 5 所示。圖5（a）和（b）分別顯示了安裝有一個裂縫零件的直徑為 15mm 的馬達和安裝有一對裂縫零件的直徑為 15mm 的馬達。拿安裝有一個裂縫零件的轉換器為例，裂縫零件是沿著圓柱形扭轉振動轉換器安裝在縱向振動的節(jié)點位置。相反，安裝有一對裂縫零件的轉換器，其裂縫零件不安裝在縱向振動節(jié)點位置。帶有對角裂縫的轉換器是由兩個直徑為15mm,厚度為 5.0mm 的壓電陶瓷片的縱向振動源驅動的。振動轉換器裂縫零件有 12 個呈 45°或者 135°，0.5mm 寬，10mm 或者 5mm 長的對角裂紋。這些裂紋是沿著鋁合金制的轉換器的圓周用點火花機床加工而成的。直徑為 15mm 轉換器裂紋的深度從 1.5mm 到 3.5mm 之間變化。轉換器的自由邊沿以縱扭的方式振動，且振動軌跡呈橢圓形。PZT 縱向振動傳感器，它是安裝有一個用于支撐馬達的凸緣的縱向振動棒和裂縫圓柱通過螺栓連接而成的。轉換器的驅動部分和轉子部分通過使用彈簧來壓緊。使用 1500-2000 的網(wǎng)拋光粉可以把轉換器的驅動表面和轉子研磨得光滑平整。5.2 直徑為 15mm 的超聲波馬達的振動特點當驅動頻率變化的時候，轉換器自由邊沿的縱扭振動振幅可以由兩臺激光多普勒測振儀進行測量。這些轉換器有和圖 2 相近的縱扭共振頻率。在頻率為 50-55kHz 之間不帶有轉子的單一和一對裂縫零件的轉換器的最大縱向振動振幅大約為 6um 和 12um。在頻率接近 55kHz時，帶有轉子轉換器的最大縱向振動振幅大致為 3um 和 9um。和只帶有一個裂縫零件轉換器的振幅相比，帶有一對裂縫零件的轉換器的最大振幅是其 2-3 倍。5.3 轉換器驅動表面的振動位點圖 5，使用安裝有單一裂縫零件（a)和一對裂縫零件（ b)的縱扭振動轉換器的直徑為 15mm 的超聲波馬達的構造在這些例子中，縱向振動部分轉化為裂縫零件的扭轉振動，且轉換器的圓柱部分縱扭地振動。自由邊沿的振動軌跡是由不同的振動階段決定的?？v扭轉換器驅動表面的振動位點是由兩臺獨立工作的激光多普勒測振儀測得的。振動軌跡會在數(shù)字記憶示波器屏幕上顯示李薩如圖形。圖六顯示了帶有一對深為 3.3mm，長為 5mm 的裂縫零件的超聲波馬達轉換器在驅動頻率為 55.1kHz 和 54.26kHz 情況下其驅動表面的振動位點。當超聲波馬達旋轉時，轉換器振動表面的振動軌跡振幅會稍微減小。圖 6，帶有轉子零件和不帶轉子零件在直徑為 15mm 轉換器的驅動部分的振動位點6 結論為了增加復雜振動轉換器的可獲得振動速度，對安裝有許多裂縫零件的新型轉換器進行了研究。這種轉換器在許多位置上安裝有很多裂縫零件，為了減小震動節(jié)點部分最大振動應力數(shù)值，裂縫零件要避免安裝在節(jié)點位置。帶有復雜振動的超聲波塑料的焊接特點得到了研究，并且安裝有一對裂縫零件的轉換器的直徑為 15mm 的超聲波馬達得到了檢驗?？v向振動節(jié)點部分位于轉換器兩裂縫零件之間。和只安裝有單一裂縫零件的轉換器相比，在相同驅動電壓下，轉換器的驅動表面和帶有一對裂縫零件的超聲波馬達的振動速度。安裝有一對裂縫零件的轉換器明顯的提高了塑料的超聲波焊接優(yōu)點。直徑為 15mm 的超聲波馬達和安裝有一對裂縫零件的轉換器的轉速達到 300rpm。安裝有許多裂縫零件的轉換器在提高振動的優(yōu)點和增加可獲得復雜振動速度方面是很有效的。參考文獻[1] J. Tsujino, T. Ueoka, T. Shiraki, K. Hasegawa, R. Suzuki, M.parts were tested. Takeuchi, Proc. Int. Congress on Acoustics (1995) 447–450..[2] J. Tsujino, Proc. IEEE 1995 Ultrasonics Symp., IEEE, New York, The longitudinal vibration nodal part was located 1996, pp. 1051–1060.[3] J. Tsujino, T. Uchida, K. Yamano, T. Iwamoto, T. Ueoka, Proc.[4] J. Tsujino, T. Uchida, K. Yamano, T. Iwamoto, T. Ueoka, Proc.[5] J. Tsujino, T. Ueoka, Proc. IEEE 1999 Ultrasonics Symp., IEEE, New York, 1999, pp. 723–728