硅镜超声加工声学系统设计

　　0 前言

　　硅镜是宇宙飞船、卫星、天文观测、通讯、激光武器、核聚变等系统中的关键部件,其外径尺寸通常在Φ150mm~Φ2000mm之间,厚度为8mm~50mm。为了降低硅镜重量,需要在硅镜上制造出大量异形盲孔,且筋越薄越好。超声加工以其独特的优势,使之成为脆硬材料加工的首选,其加工质量的好坏在很大程度上取决于声学系统的设计。本研究通过分析声学系统的工作原理,给出声学系统的设计方法,并对硅镜超声加工声学系统进行设计。

　　1 概述

　　一种硅镜结构图,如图1所示。

　　声学系统通常由超声换能器、超声聚能器和工具等所组成,超声换能器、超声聚能器和工具之间通过螺纹连接,螺纹的中心线与端面之间要求有很高的垂直度。接触表面必须经过研磨加工,以保证很高的平面度和很小的粗糙度Ra值。

　　声学系统结构,如图2所示[1-3]。

　　声学系统一般需要满足的条件是[4]:

　　(1)工具装到超声聚能器上以后,必须能和换能器的振动频率产生共振;

　　(2)工具和超声聚能器之间拆卸方便;

　　(3)振动系统的振动节点位置清晰准确,能在这个位置上把振动系统固定在刀架上,且该系统的振动频率在加工过程中保持不变。

　　声学系统设计的关键是使超声换能器、超声聚能器和工具组成一个机械谐振系统,从而使该工具能产生最大的振幅。

　　2 夹芯式压电换能器设计

　　超声换能器[5]的作用是将高频电振荡转换成机械振动。根据转换原理的不同,超声换能器分为:磁致伸缩式和压电式两种。本研究主要探讨压电式超声换能器。因此从实用性考虑,由于压电换能器中的振动频率往往处在低频的超声范围,同时使之为了降低压电换能器的工作频率,又能获得较高的纵向振动电声效率,在工程技术中常采用一种夹芯式压电换能器结构。夹芯试压电换能器结构示意图,如图3所示。

　　波节点位于O-O.截面上; l0—压电晶堆的厚度; l1—反射罩的长度; l2—声头的长度;曲线U—振幅变化曲线。谐振频率为15kHz的夹芯式压电换能器设计计算如下:

　　(1)谐振频率f=15kHz;

　　(2)压电陶瓷选择PZT-8型,直径60mm,中心孔直径30mm,厚度10mm, 4片;K33=0.64,ρ0=7.6g/cm³,C0=3.1x10⁶mm/s;

　　(3)声头和反射罩的材料均采用铝合金,直径60mm,ρ1=ρ2=2.7g/cm³,C1=C2=5.1x10⁶mm/s;

　　(4)电极选取薄电极片,厚为0.3mm的磷青铜。考虑到压电晶堆较厚,在设计时,利用声传输线原理可得谐振频率方程:

　　把以上各项的数值代入上式,可得k0=3.0x10^-2。l01表示波节面至反射罩端面的距离,其值为: l01=30.9mm;