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声学堆栈连接面接头磨损问题

接头是超声波堆叠的相邻组件之间的界面(接触区域)。接头的目的是为了有效地传递超声波能量,并为组装的堆栈提供轴向和横向的刚度。典型的接头包括换能器变幅杆接头和变幅杆工具头接头。

工业超声波堆栈的接头

接头通常由螺纹螺柱固定,便于组装和拆卸。然而,有时也使用其他固定方式(例如焊接或粘合剂)。超声波接头(尤其是高振幅接头)的微动磨损是一个常见问题,这种微动需要定期的进行接头维护。

工业超声波堆栈组件

连接位置

对于轴向模式振动,谐振器设计为以半波增量振动,其中每一端都是波腹。 因此,波腹端是相邻谐振器之间的自然连接点。这些波腹接头处的超声波(惯性)力很低,因此只需要相对较小的静态力来充分固定这些接头。然而,在某些情况下,接头远离波腹(例如,工具头尖端)。压电换能器中许多部件的接头远离波腹位置。

谐振器之间的接触通常发生在谐振器的标称尺寸上。例如,假设一个增压器的额定输出直径为Ø40毫米,以达到所需的增益。例如,假设变幅杆的标称输出直径为40 mm,以实现所需的增益。然后通常将其连接到直径为40 mm的工具头上。然而,这可能不是最佳选择,事实上,在一些情况下,减少接触直径可以提高性能。这种减小的接触直径是通过在变幅杆的输出表面或工具头的输入表面上加工一个短凸台来实现的。由于凸台高度很小(例如 0.5 毫米),相关谐振器的频率和增益相对不受影响。

接合处退化

这会导致接头处的摩擦发热和微动碎屑(然后导致进一步恶化)。最终,接头可能恶化到引起啸叫的程度;这种不稳定性会损坏换能器。在极端的情况下,接头可能真的被熔化,以至于不能被拆卸。微动损伤是累积的;微动持续的时间越长,情况就越糟,特别是钛的抗微动磨损性较差。

如果两个配合接合面之间存在相对(摩擦)运动,则会导致微动磨损。这种相对运动只有在接合面受到驱动力时才会发生。如果接头位于纵向波腹处,则理论上不应存在力。然而,这仅适用于接头直径较小且接头两侧的材料相同的情况。如果这些条件不成立,则接头处的振幅均匀性或径向振幅可能存在不相容性。这种不相容性可能会产生导致微动磨损的力。

注意:只有当喇叭在空气中运行(无功率传输)时,波腹处的零力(应力)条件才严格成立。当功率传输到负载时,行波沿着堆叠并通过接头。这种行波具有相应的应力,这也可能导致微动产生。

远离波腹的接头怎么办(例如,工具头尖端),尽管这些接头会承受惯性力,但这些力是与谐振器轴线对齐的,而不是与接头表面在同一平面上,因此,此类接头不一定会出现磨损。

微动的可能性随着接头振幅的增加而增加。例如,在具有低振幅(例如,在20kHz处的峰值为10微米)的换能器变幅杆接头处,微动不会成为问题。然而,当使用 2.5:1 的助推器时,变幅杆与工具头接头处的磨损可能很严重。

钛合金

在其自然状态下,钛是相对惰性的。这是由于氧化膜会在任何原始钛上快速形成。然而,在没有这种氧化膜的情况下,原料钛非常活泼。因此,如果氧化膜被磨损,那么暴露的钛将倾向于与邻接的金属反应。如果相邻金属也是钛,则尤其如此。这种钛-钛微动磨损是矫形关节置换的一个特殊问题,已被广泛研究。

螺柱的作用

螺柱会扭曲整个接头的振幅。失真取决于螺柱相对于谐振器的模量。例如,考虑两个直径为40 mm的接头,一个由Ti-6Al-4V制成,另一个由Al 7075-T6制成。下表显示了这些谐振器的相对轴向振幅均匀性。

表面光洁度

在以 25 Hz 的频率对螺栓连接的不锈钢界面进行 108 万次循环的切向加载时,发现平均表面光洁度 (Ra) 从 1 μm 增加到 4 μm。

接头夹紧力分布

在典型的谐振器中,容纳螺柱的螺纹从靠近界面表面开始(通常螺纹入口处的沉头孔除外)。那么,当两个这样的谐振器被拧紧在一起时,螺柱对接头的夹紧力就集中在离螺柱最近的接头处。在远离螺柱的连接处径向移动,夹紧力下降,在接头边缘下降到最小值。这种不均匀的夹紧力分布会导致摩擦,尤其是朝向夹紧力较低的接头外围。

通过一种设计,可以改善夹紧力分布并减少微动磨损,在这种设计中,螺柱仅与远离接头的谐振器螺纹接合。这可以通过移除螺柱螺纹的中心部分以便将这些螺纹移动至所需深度来实现。

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