高效压电陶瓷加工原理探讨

　　波导是用金属管做成的微波传输线，波导管内壁的加工精度、表面粗糙度和矩形波导圆角半径对波导的电气性能如频率、带宽、插损、品质因数等影响很大。超声推挤方法具有切削力小、切削温度低、加工精度高、表面粗糙度低、圆角半径很小、表面纹路与电流方向平行等特点，可以降低波导传输功率损耗，提高雷达产品的性能。

　　1 超声推挤原理

　　超声推挤方法是在推挤过程中将超声能量施加到推刀上来实现的。超声推挤系统由超声波发生器、超声推挤声学系统和工艺装置等零部件构成。超声推挤声学系统由换能器、变幅杆和推刀构成。超声波发生器的作用是将 220V(380V)、50Hz的交流电信号转换为超声频电振荡信号(18kHz以上)，换能器将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机械振动，变幅杆将换能器的振动放大后传给推刀。超声推挤声学系统通过变幅杆节点固定在工艺装置或者机床上。为了充分发挥超声推挤的作用，推刀节点处不设刀齿。该系统示意图见图1。

　　2 压电陶瓷换能器设计原理及理论分析

　　作为换能器的材料有两大类: 磁致伸缩金属与压电陶瓷。本文研究的目的是设计用于大功率机械超声加工的换能器，因此仅讨论压电陶瓷换能器。换能器作为能量传输网络，存在能量转换效率问题。转换效率与换能器材料、振动形式、机械振动系统的结构(包括支撑机构)以及工作频率的选择有关。因此在设计超声换能器时要考虑到声波阻抗、频率响应、阻抗匹配、声学结构、振动模式和换能材料等各种因素，以及如何设计和协调这些因素使得电声转化能达到最佳值。

　　由于锆钛酸铅具有高的声波阻抗率(33.7～36.5×10⁶Pa.s/m) 和机电偶合系数(k=0.75)，能够满足大功率超声换能器的要求，本设计选择锆钛酸铅(PZT-4至PTZ-8)作为压电陶瓷换能器材料。夹心式压电陶瓷换能器是由金属前后盖板和压电陶瓷晶堆组成，如图3a所示。根据边界条件，得到其机电等效电路如图2所示。

　　图中元件的参数为: 陶瓷片两端的端电压:

　　压电陶瓷片的一维截止电容，阻抗，，Z3p。当压电陶瓷晶堆中每一片的厚度远小于声波长度时，等效声速近似为

　　Zfl、Zbl分别是换能器前后辐射面的负载阻抗。设计时一般情况下把换能器看成是空载的。换能器的频率方程决定了换能器的材料、形状、几何尺寸以及频率之间的依赖关系。为了确定换能器的共振频率，必须首先得出换能器的频率方程。理论上可以通过换能器的机电等效电路来得到频率方程，然而这种解法非常复杂。为了简化分析，可以采用另一种方法推导换能器的频率方程。功率超声夹心式复合换能器基本上都是半波振子。当半波振子振动时，在换能器内部存在节点。假设整个换能器被节点分成两个四分之一波长的振子，那么只要求出这两个振子各自的频率方程，就可以得出整个换能器的频率方程。