基于ANSYS的超声拉丝换能器研究

　　1 换能器材料的选择

　　对于加工用大功率发射型或大振幅超声波换能器, 首先要求材料的强场介电损耗正切值tgδ尽可能降到最小, 并要求材料的机械品质因数Qm大, 为了提高换能器的效率, 要求材料的压电常数d31或d33和机电耦合系数K31或KP值高, 介电常数值低一点为好[1]。目前作为高强度大功率输出振动器, 钛锆酸铅(PZT)压电陶瓷片具有最优良性能, 查有关表格[2], 根据各项参数要求, 认为PZT-8最为适合, 选择两片厚T=6mm, 内径d=20mm, 外径D=48.5mm的PZT-8材料作为超声波换能器的振动元件, 后端盖材料选用软钢。

　　对于用于超声加工的变幅杆, 材料选择要求是材料的疲劳强度高, 声阻抗小, 承受功率大, 能获得最大频带宽度, 机加工性能好。常用的有钛合金和铝合金材料, 但前者价格昂贵, 所以本文设计选用铝合金材料, 且其形式采用阶梯形变幅杆, 以获取较大的放大倍数, 以满足超声拉丝加工对振动系统输出振幅的要求。

　　2 换能器的结构设计

　　在许多超声技术系统中, 半波纵向复合式振子与超声半波聚能器之间的阻抗匹配设计是最为麻烦的棘手事, 但由于1/4波长变幅杆具有放大系数和输入力阻抗数值都较大的特点, 当把换能器振子与聚能器的设计分别考虑为四分之一波长振动系统后, 设计问题就变得简单了[3]。因此, 采用四分之一波长压电陶瓷换能器的设计方法。

　　由于超声拉丝需要较高的振动频率, 频率范围一般在16kHz以上, 输出振幅要求在十几或几十μm以上。考虑到与超声驱动器的匹配, 将设计谐振频率为16.5kHz的换能器, 换能器大体由1/4波长换能器振子(压电陶瓷和后盖板)和1/4波长阶梯形变幅杆组成, 其结构简图如图1所示, 1为后端盖, 2为压电陶瓷, 3, 4为复合变幅杆, 用下角标n表示各部分, n=1, 2, 3, 4,各部分振速方程为[4]:

　　其通解为:

　　式中:

　　K—波数,K=ω/c=2πf/c;

　　Zn=Δncnsn—各部分的特性声阻抗;

　　sn—截面积;

　　ω—周期数;

　　Δ—材料密度;

　　c—声速;

　　Y—杨氏模量;

　　f—换能器的谐振频率。

　　根据图(1)可以得到换能器振子节面左侧的谐振频率方程(推导略)为:

　　同理, 可得到节面右侧变幅杆的谐振频率方程为:

　　查相关参数得ρ1=7.5×10³kg/m³, ρ2=7.8×10³kg/m³, ρ4=2.7×10³kg/m³, c1=3100m/s, c2=5050m/s, c4=5150m/s 并取l3=8mm, l1为两片压电陶瓷厚度, 将已经条件代入式( 4)( 5) 式得l2≈48.8mm,l4≈64mm。