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安裝有許多對角裂縫零件的一維縱扭振動轉(zhuǎn)換器 Jiromaru Tsujino*, Tetsugi Ueoka, Kenichi Otoda, Atsushi Fujimi Faculty of Engineering, Kanagawa University, Yokohama 221-8686, Japan 摘要：為了提高一維縱扭振動轉(zhuǎn)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(yīng)力水平并且要避免安裝在轉(zhuǎn)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(fù)雜振動轉(zhuǎn)換器進行了研究。轉(zhuǎn)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(fù)雜振動系統(tǒng)可有效應(yīng)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(zhuǎn)換器比只安裝一個帶有裂縫零件的轉(zhuǎn)換器在振動應(yīng)力水平和品質(zhì)因數(shù)方面會得到提高。 關(guān)鍵詞：圓形振動軌跡 復(fù)雜的振動 復(fù)雜振動超聲波焊接 縱扭振動轉(zhuǎn)換器 超聲波馬達 超聲波塑料焊接 帶有對角裂縫的振動轉(zhuǎn)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(fù)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(qū)動的一維縱扭振動轉(zhuǎn)換器適用于大規(guī)模場合的應(yīng)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(zhuǎn)換器的可獲得振動速度，對帶有許多裂縫零件的新型轉(zhuǎn)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(yīng)力振動數(shù)值。使用很多裂縫零件可以使最大振動應(yīng)力和質(zhì)量因數(shù)增加，同時在相同的驅(qū)動電壓下最大振動振幅會明顯增大。這種轉(zhuǎn)換器由很突出的優(yōu)點，因為和只有一個裂縫零件的轉(zhuǎn)換器相比，其最大振動應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器用于超聲波塑料焊接和超聲波馬達中。 這種新型轉(zhuǎn)換器可獲得的最大振動速度會顯著增加。使用復(fù)雜的振動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器相比，在相同的驅(qū)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(zhuǎn)換器在提高振動的優(yōu)點和增加可得到的復(fù)雜振動速度方面是很有效的。 2振動轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造 兩個直徑為20mm，長度為79mm的振動轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造如圖1所示，而且這兩種轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器由縱向振動源驅(qū)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(zhuǎn)換器。振動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器 3帶有兩個裂縫零件的轉(zhuǎn)換器的振動特點 對轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhuǎn)振動的共振頻率很接近，所以轉(zhuǎn)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(zhì)量因數(shù)是很大的。在轉(zhuǎn)換器的自由邊沿可以得到橢圓位點。 4復(fù)雜振動超聲波塑料焊接 4.1復(fù)雜振動轉(zhuǎn)換器的振動特點 圖2顯示了驅(qū)動頻率和帶有復(fù)雜振動系統(tǒng)的振動轉(zhuǎn)換器的扭轉(zhuǎn)振動速度之間的關(guān)系。驅(qū)動電壓穩(wěn)定在20V。扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)雜振動轉(zhuǎn)換器，在頻率為26.8kHz時，其扭轉(zhuǎn)徑向的振動速度分布如圖3所示。扭轉(zhuǎn)振動速度的節(jié)點部分通常位于左側(cè)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(fù)雜振動轉(zhuǎn)換器扭轉(zhuǎn)徑向振動速度的分布。驅(qū)動電壓為20V。 圖3，帶有復(fù)雜振動系統(tǒng)的振動轉(zhuǎn)換器（A)驅(qū)動頻率和縱扭振動速度之間的關(guān)系。驅(qū)動電壓為20V。 帶有一對裂縫零件的復(fù)雜振動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的應(yīng)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(fù)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(fù)雜振動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器（a）和（b）搭接的聚丙烯板的強度之間的關(guān)系如圖4所示。通過轉(zhuǎn)換器（a）所得到的焊接強度要大于通過轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器相比，帶有復(fù)雜振動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器焊接工件的時間要短。復(fù)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的超聲波馬達 5.1超聲波馬達的構(gòu)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(guān)系（厚度為1.0mm)，使用一個頻率為27kHz復(fù)雜振動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器（a)和（b)進行焊接。 超聲波馬達和直徑為15mm的振動轉(zhuǎn)換器的構(gòu)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(zhuǎn)換器為例，裂縫零件是沿著圓柱形扭轉(zhuǎn)振動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動的。振動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的圓周用點火花機床加工而成的。直徑為15mm轉(zhuǎn)換器裂紋的深度從1.5mm到3.5mm之間變化。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的驅(qū)動部分和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的驅(qū)動表面和轉(zhuǎn)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(qū)動頻率變化的時候，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子的單一和一對裂縫零件的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的振幅相比，帶有一對裂縫零件的轉(zhuǎn)換器的最大振幅是其2-3倍。 5.3轉(zhuǎn)換器驅(qū)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(zhuǎn)換器的直徑為15mm的超聲波馬達的構(gòu)造 在這些例子中，縱向振動部分轉(zhuǎn)化為裂縫零件的扭轉(zhuǎn)振動，且轉(zhuǎn)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。縱扭轉(zhuǎn)換器驅(qū)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(zhuǎn)換器在驅(qū)動頻率為55.1kHz和54.26kHz情況下其驅(qū)動表面的振動位點。當超聲波馬達旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)換器振動表面的振動軌跡振幅會稍微減小。 圖6，帶有轉(zhuǎn)子零件和不帶轉(zhuǎn)子零件在直徑為15mm轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動部分的振動位點 6結(jié)論 為了增加復(fù)雜振動轉(zhuǎn)換器的可獲得振動速度，對安裝有許多裂縫零件的新型轉(zhuǎn)換器進行了研究。 這種轉(zhuǎn)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(yīng)力數(shù)值，裂縫零件要避免安裝在節(jié)點位置。帶有復(fù)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(zhuǎn)換器的直徑為15mm的超聲波馬達得到了檢驗。 縱向振動節(jié)點部分位于轉(zhuǎn)換器兩裂縫零件之間。和只安裝有單一裂縫零件的轉(zhuǎn)換器相比，在相同驅(qū)動電壓下，轉(zhuǎn)換器的驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)速達到300rpm。 安裝有許多裂縫零件的轉(zhuǎn)換器在提高振動的優(yōu)點和增加可獲得復(fù)雜振動速度方面是很有效的。 參考文獻 [1] J. 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