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超声切割系统构成

不同于传统的加工技术,超声切割技术的基本原理是利用一个电子超声发生器产生一定范围频率的超声波,然后通过置于超声切割头内的超声-机械转换器,将原本振幅和能量都很小的超声振动转换成同频率的机械振动,再通过共振放大,得到足够大的、可以满足切割工件要求的振幅和能量(功率),最后将这部分能量传导至超声切割头顶端的刀具上进行预浸带的切割加工。

超声振幅控制由超声发生器和超声波切刀完成;机械平台主要控制超声切刀的横向运动、绕自身的转动及通过气动控制系统提供切割压力。

超声切割发生器

超声切割发生器即超声波电源,它的作用是将220V或380V的交流电转化为超声频的电振荡信号。一般情况下,超声装置单独使用时效果不错,主要是因为在设计时整体阻抗固定,功率易于匹配。而实际使用时,装置安装在整体设备上,受负载、干扰及温度等诸多因素的影响,常引起谐振频率、等效阻抗等系统参数发生漂移变化,使超声发生器的频率与换能器的频率不匹配,导致输出功率损耗较大,换能器的振幅下降,无法保证切割质量和效率。本系统中的超声发生器具有频率自动跟踪功能,通过软硬件实现频率自动跟踪,使阻抗和频率随时根据现场变化,达到实时匹配,从而使超声振动系统处于最佳工作状态,转换效率最大。

超声切割振动系统

超声切割振动系统主要由超声换能器、超声变幅杆、切割刀片。其中,超声换能器的作用是将电信号转换为声信号;变幅杆是超声加工设备中的一个重要组成部分。它主要有两个作用:

(1)聚能作用—即将机械振动位移或速度振幅放大,或者把能量集中在较小的辐射面上进行聚能;

(2)有效地将声能传递给负载—作为机械阻抗的变换器,在换能器和声负载之间进行阻抗匹配,使超声能量由换能器更有效地向负载传输。

本系统采用的超声变幅杆和切割刀片的组合形式,为了获得较大的振幅放大倍数,采用阶梯形变幅杆;为了改善或减弱截面突变处的应力集中,在截面突变处采用圆弧过渡方式。

切割刀片尺寸的影响

通过变换不同长度与宽度的切割刀片(厚度不变)与换能器进行匹配,在有限元分析下得出随着刀片长度的增加,整体固有频率下降的规律,且下降的规律基本呈线性变化;而刀片宽度变大时,整体固有频率也下降,且下降趋势更大一些。另外,随着刀片长度的增加,超声变幅杆和切割刀片组合后的放大倍数呈上升趋势;随着刀片宽度的降低,放大倍数略有上升。因此可以选取合适的长度与宽度调整整体固有频率和振幅放大系数。

切割刀片材料的影响

切割刀片材料的改变必然对组合体的声学参量产生一定的影响。为了研究材料性质的影响而又不失实用性,选取的刀片材料分别为硬质合金和铝。通过有限元方法分析了刀片材料对整体超声性质的影响,由模拟结果可以得出,选择硬铝为切割刀片材料对组合体的固有频率影响很小;材料为硬质合金时,固有频率变化范围很大。从振幅放大倍数的有限元分析结果来看,材料性质的改变对振幅放大倍数影响不大。

切割刀片的加入使得整体的固有频率下降,为了与超声振子的频率匹配,提高超声变幅杆的固有频率可以减小乃至抵消加入切割刀片引起的频率下降。

超声切割机械装置

超声波切割机械装置包括驱动系统、气动控制选项和机械平台,主要完成切割压力的施加、切割深度的精确定位、切割速度的控制和切割工件的固定等几项功能。超声切割试验中极限切割速度是一个非常重要的指标,是在有限的行程中获得一段匀速切割行程,必须提高机械装置速度控制的动态特性。系统采用步进电机作为驱动部件,THK 精密滚珠丝杠导轨副为传动器,切割速度可达 10m/min。为了满足工艺需求,切割装置安装在五轴龙门式机床的铺带头上,其中五轴联动以满足曲面铺带的基本要求,而切割系统由切割横向进给轴、切刀旋转轴和切刀轴向进给轴组成。切割系统根据切割模式可以随动于龙门定位平台。

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