实验名称：纵振型超声振子的设计与有限元分析

　　研究方向：超声振子

　　测试目的：利用压电陶瓷的逆压电效应，依据夹心式压电超声换能器的设计理论，设计了一款可用于旋转超声铣削加工的纵振型超声振子。采用PZFLex仿真软件对影响超声振子谐振频率的因素进行了仿真研究，结果表明：超声振子谐振频率随刀具有效长度和过渡圆柱长度的增加而减小，随预紧螺栓长度和后端盖孔深度的增加而增大。根据仿真结果加工了纵振型超声振子，并对振子进行阻抗分析，测得其谐振频率为17.41kHz，实物测得的谐振频率与仿真模型中预测的误差5.7636%。最后，基于实物测得的谐振频率，在200V电压激励下测得振子输出的纵向振幅为2.016μm，可以满足旋转超声铣削加工的要求，从而验证了模型的有效性，为超声振子的进一步优化设计提供依据。

图：纵振超声振子实物模型

　　在超声振动装置的研制方面，日本超声波工业公司开发了体积小、重量轻、刚度大、可安装在金属切削机床的USSP系列超声波主轴系统；日本金泽工业学院的研究人员研制了加工硬脆材料的超声低频振动组合钻孔系统。东南大学研制了一种新型超声振动切削系统，该系统通过发生器输出电压使级联晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现超声振动，其机电转换效率可达90%。西北工业大学设计了一种可在内圆磨床上加工硬脆性材料的超声振动磨削装置，该装置结构简单、成本低廉，适用于生产加工中。目前，国内外对旋转超声加工的研究主要集中在实验研究，对旋转超声加工装置的设计方面的研究还较少，特别是旋转超声铣削装置设计过程中可以参考的经验也不多，基于此，本文设计一款纵振型超声振子，并对其振动特性进行仿真与实物验证。

　　测试设备：ATA-4052高压功率放大器、阻抗特性分析仪、多普勒激光测振仪、信号发生器、示波器等。

　　实验过程：

　　为了进一步验证仿真实验结果，本次试验采用阻抗特性分析仪对振子进行阻抗测试，测试结果如下图所示，显示振子的谐振频率为17.4113087kHz，与仿真结果误差率为5.7636%；

图：振子阻抗测试结果

　　基于超声振子谐振频率的测试结果，利用多普勒激光测振仪对振子仿真设定参考点的纵向振幅输出进行测量。其中，多普勒激光测振仪位移档设置为200nm/V，设定信号发生器激振频率（通常略小于谐振频率）为17kHz，电压为10V，经ATA-4052高压功率放大器放大20倍即200V电压下进行测量，测量结果由四通道数字示波器输出。

　　实验结果：

　　在刀具有效度小于60mm时，超声振子谐振频率随刀具有效长度增大而减小；随着螺栓长度的增加，振子谐振频率增大；增加过渡圆柱的长度可减小振子的谐振频率；振子谐振频随后端盖沉头孔的深度增加逐渐增大。

　　通过对振子进行阻抗分析得，实物模型的谐振频率与仿真模型中预测的谐振频率误差在允许范围内。

　　根据实物测得的谐振频率，对振子的纵向振幅输出进行测试，测试结果可以满足旋转超声铣削加工的需求，验证了模型的有效性。

　　安泰ATA-4052高压功率放大器：

图：ATA-4052高压功率放大器指标参数

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