超音波振蕩共振工具之研制

1、超音波振盪共振工具之研製組員: 鐘文宏、張家榮、陳勃杉、許鈞裕、楊智堯、徐鈺凱德霖技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系日五專0922指導(dǎo)老師: 陳永增 老師、諶其騮 老師 吳山本董事長 (聲寶超音波機(jī)械公司)摘 要本研究係利用頻率28kHz超音波發(fā)振器以設(shè)計(jì)各種共振振盪工具，主要完成超音波洗淨(jìng)振動桿、超音波焊頭及超音波刀而應(yīng)用於工程實(shí)務(wù)用途。致 謝感謝指導(dǎo)老師陳永增教授及聲寶超音波吳山本老闆的協(xié)助與指導(dǎo)，使本專題研究能順利進(jìn)行，並完成具體的成果。此外對於德霖技術(shù)學(xué)院機(jī)械系專題經(jīng)費(fèi)的支援，以及同班同學(xué)精神的鼓勵，在此一併致謝。、前言 超音波在工業(yè)、醫(yī)療、清洗上有許多的用途，但只侷限於知道它的功能，對於原理及設(shè)計(jì)並

2、不熟悉，為了進(jìn)一步了解所以我們選擇了這個題目。本研究在有限的時間、經(jīng)費(fèi)以及人力的情況下，做出一臺發(fā)振機(jī)器再配上多種振盪工具，以達(dá)到各種需求，包含熔接、洗淨(jìng)及切割等。二、理論基礎(chǔ)2.1 超音波理論及應(yīng)用人耳聽得到的聲音頻率是以1,000Hz為代表，頻率更高，人耳就慢慢變?yōu)槁牪坏搅?。例如?0kHz100kHz的頻率範(fàn)圍為例，已屬於人耳所聽不到的頻率範(fàn)圍，利用超音波的傳導(dǎo)、反射，我們可以探測物體或人體深部的構(gòu)造。它就像一面鏡子一樣，忠實(shí)地反射出許多以往未知的秘密，因此博得聲音的魔鏡美譽(yù)。自然界中利用超音波最成功的首推蝙蝠，牠發(fā)出超音波並接收其回音，以做為導(dǎo)航及獵取食物的工具。而人類最先發(fā)明實(shí)用性超

3、音波發(fā)聲裝置，是在第一次世界大戰(zhàn)期間用以探知潛水艇為目的。固體的振動、流體的擾流仍然會發(fā)出聲音，但所發(fā)出的聲音是人耳聽不到的頻率範(fàn)圍，此範(fàn)圍的音頻聲音就是屬於超音波了。與電波比較，超音波在空氣中的傳播速度較慢，大約是340m/ sec，可算出波長是13.6mm，相當(dāng)短。此波長就相當(dāng)於22GHz的電波，可見超音波的傳播方向性非常好。此特性為能應(yīng)用超音波在量測的理由之一。波可分為兩大類，一類是機(jī)械波(mechaniacal wave)，另一類是電磁撥(electromagnetic wave)。機(jī)械波是由介質(zhì)中的擾動原或振動的物體所產(chǎn)生，它通過介質(zhì)中粒子的來回振動而傳播；如:水撥、音波、超音波等。

4、音波是由振動物體所產(chǎn)生的。振動物體把沿聲播傳方向的來回振動，疊加到傳播介質(zhì)粒子的任意運(yùn)動上，便產(chǎn)生了音波。這種振動物體因振動所產(chǎn)生的頻率(frequency)，就是音波的頻率。音波的頻率東常以其振動的頻率和人耳可以聽到的頻率來區(qū)分，一般人耳可聽到的頻率是20Hz 20KHz，超過20KHz以上的頻率人耳聽不到稱為超音波。隨著時代的變遷，超音波的應(yīng)用範(fàn)圍也逐年擴(kuò)大，至今超音波不僅僅侷限於探測魚群，小到牙刷大到國防都需要超音波的加入，可想而知它的重要性。將強(qiáng)力超音波振動發(fā)射於氣體、液體、固定中，使氣體中浮游的粉體凝集沉澱，或如超音波洗淨(jìng)之類在液體中除去附著固體表面的污物、製造乳液、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等，

5、或發(fā)射於固體中，利用超音波振動進(jìn)行超音波加工、熔接、切削、研磨、塑性加工等，這是超音波的動力應(yīng)用。超音波在碰到物體的時候，會產(chǎn)生反射與折射的特性，其原理類似於雷達(dá)。 除了醫(yī)療方面的應(yīng)用外，超音波也廣泛的應(yīng)用在民生用途中，超音波洗淨(jìng)技術(shù)。 超音波洗淨(jìng)技術(shù)的原理，是將洗淨(jìng)液先放入洗淨(jìng)槽中，再利用超音波高速振盪(每秒甚至可達(dá)2萬8千次)、疏密有秩的特性，推動介質(zhì)作用，使液體之分子間產(chǎn)生壓力的交替變化，在負(fù)壓的區(qū)域，液體會產(chǎn)生撕裂的力量，形成真空的氣泡；但是當(dāng)聲壓累積到一定程度時，氣泡會持續(xù)擴(kuò)張，並在正壓的區(qū)域受到擠壓與閉合，這種現(xiàn)象成為空穴效應(yīng)(cavitation)。物理學(xué)常以液體中音波的受音波壓

6、開始。有飽和傾向的點(diǎn)為空洞發(fā)生點(diǎn)，強(qiáng)力超音波應(yīng)用上，以發(fā)生肉眼看得到的氣泡時為空洞發(fā)生點(diǎn)，穩(wěn)定發(fā)射超音波時，空洞使音場內(nèi)的氣泡強(qiáng)制振動，此時液體中發(fā)生空洞噪音，此種噪音為氣泡振動，氣泡破壞所致。當(dāng)洗淨(jìng)液中無數(shù)的細(xì)小的真空氣泡，在振盪過程中受壓破裂時，會因?yàn)榧铀俣榷a(chǎn)生強(qiáng)大的衝擊力（局部壓力甚至可達(dá)數(shù)千個大氣壓），即可將愈清洗物品的表面與細(xì)縫死角粘附的髒汙剝離，達(dá)到徹底洗淨(jìng)的效果。由於超音波洗淨(jìng)技術(shù)洗淨(jìng)速度快，清潔效果好、有殺菌效果，更不會接觸或損傷物體表面，相較於其他物理清洗或化學(xué)清洗方法，有無可比擬的優(yōu)越性。我們知道超音波在工業(yè)、醫(yī)療、清洗上有許多用途，但只局限於知道，因此想做更深入的了解，

7、所以我們選擇了這個題目，這就是我們的研究動機(jī)。超音波運(yùn)用在工業(yè)的六大功能:熔接、埋植、鉚接、點(diǎn)焊、成型、切除超音波熔接原理: 超聲波熔接裝置是通過一個電晶體功能設(shè)備將當(dāng)前50/60Hz的電頻轉(zhuǎn)變成20KHz或40KHz的電能高頻電能，供應(yīng)給轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將電能轉(zhuǎn)換成用於超聲波的機(jī)械振動能，調(diào)壓裝置負(fù)責(zé)傳輸轉(zhuǎn)變後的機(jī)械能至超聲波熔接機(jī)的焊頭。 焊頭是將機(jī)械振動能直接傳輸至需壓合產(chǎn)品的一種聲學(xué)裝置。以螺紋將各種形狀的喇叭，固定於錐體前端，再在喇叭前端軟焊接或銀焊接工具，錐體及喇叭的功能是擴(kuò)大振動子端面的振幅，振幅的分佈傾向如圖錐體或喇叭，又稱為振幅放大子。振動通過焊接工作件，傳給粘合面振動磨擦產(chǎn)生

8、熱，能使塑膠熔化，振動會在熔融狀態(tài)物質(zhì)，到達(dá)其介面時停止，短暫保持壓力可以使熔化物在，粘合面固化時產(chǎn)生個強(qiáng)分子鍵， 整個週期通常是不到一秒鐘便完成，但是其焊接強(qiáng)度卻接近是一塊連著的材料，對非鐵金屬，異種金屬合金等，以每秒20,000次振動，使熔接面分子搓合，而牢固接合，並沒有熔化，所以沒有高溫退火等問題產(chǎn)生。而同種或異種合金分子的互相攙雜，產(chǎn)生穩(wěn)定恆久的砌合，可在極短時間內(nèi)完成，是工業(yè)應(yīng)用的最新技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：(1).由人機(jī)介面控制，有多種工作模式可選擇，可做定能量時間補(bǔ)償控制，機(jī)械設(shè)計(jì)穩(wěn)定，設(shè)定校調(diào)方便。(2).熔接時間很短，可以少於一秒內(nèi)瞬間熔接完成。(3).對工件上的溫度不超過其退火溫度，故

9、不影響工作物硬度，其熔接強(qiáng)度比其他方式熔接更牢固，熔接口整齊清潔。(4).焊接後其導(dǎo)電性良好，其電阻系數(shù)極低，近達(dá)於零。(5).金屬表面有沾污物或氧化物，不用表面處理，亦可完美焊接。(6).幾乎所有工作物不須預(yù)先處理，不需焊鍚，焊油添加物就能熔接，經(jīng)濟(jì)方便。(7).焊頭，治具均使用耐磨材料製成，耐用性長久。(8).熔接時不產(chǎn)生火花，操作員安全放心，沒有煙味，不會造成空氣污染。超音波科技非常適合熔接非鐵金屬與磁和電鍍的材料。其主要優(yōu)點(diǎn)包括：熔接時間短、異類材料可以互熔、不需充填料、低電阻阻抗值、耐氦氣的熔接效果。超音波埋植：以超音波超高頻率的音波振動，藉著焊頭（HORN）的傳導(dǎo)及適當(dāng)?shù)膲毫Γ查g

10、將金屬零件（如螺母、螺桿）等擠入預(yù)留的塑膠孔內(nèi)，並固定在設(shè)定深度。 完成后無論拉力、扭力均可媲美傳統(tǒng)在模具內(nèi)成型的強(qiáng)度，并可免除射出受損及射出緩慢的缺點(diǎn)。完成後無論拉力、扭力均可媲美傳統(tǒng)在模具內(nèi)成型的強(qiáng)度，並可免除射出受損及射出緩慢的缺點(diǎn)。超音波鉚接：將超音波超高頻率的焊頭（HORN）壓著塑膠品突出的梢頭，使其瞬間發(fā)熱熔融成為鉚釘形狀，使金屬物件被鉚覆而固定。超音波科技非常適合熔接非鐵金屬與磁和電鍍的材料。其主要優(yōu)點(diǎn)包括：熔接時間短、異類材料可以互熔、不需充填料、低電阻阻抗值、耐氦氣的熔接效果。超音波切削：超音波切削的效果如下：減少切削阻力 作用於加工物的平面平均切削阻力減為普通切削的1/51

11、/10。減低轉(zhuǎn)速可簡化工作母機(jī)的主軸構(gòu)造。在作業(yè)上，容易加工細(xì)棒、薄肉管、易破缺的加工物，可切削無突起的端面、孔加工的彎曲少、縮短切削時間、不均度少、加工精度高。例如長200mm而有毛口的壓鑄品進(jìn)行普通切削時，對被切削不良的鋅合金，用進(jìn)刀深度0.2mm，以兩頂心加工成直徑5mm，若用振動數(shù)20kHz、振幅15m的超音波切削，不需穩(wěn)定扶架，可使中央的晃動在0.03mm以內(nèi)。改善切屑的送出 超音波振動面的摩擦係數(shù)為普通面摩擦係數(shù)的1/10(0.020.03)，比起普通切削，因是薄切屑，單位長度的切屑重量小，可用空氣式集塵機(jī)等，簡化切屑集塵作業(yè)。此效果可簡化饡頭的深孔加工等。行成幾何學(xué)加工面粗糙度

12、超音波振動得直線刃刀具、前圓刃刀具、原刃刀具所得的車削面、超音波扭取振動振動洗刀洗削面的粗糙度因切削工具的形狀與其切削機(jī)構(gòu)，與幾何學(xué)加工面粗糙度很一致。毛屑少 傳統(tǒng)的普通切削，若不再剪斷面前方多少產(chǎn)塑性域，就無法切削加工，再加工物表面殘留毛屑。超音波切屑時，毛屑發(fā)生量少，尺寸精度的不均度少，可省略滾桶、超音波毛屑除去工程，即使切削時間長些，可減輕成本，使製品安定化。成為家供應(yīng)變少的加工面 超音波切削面的加工應(yīng)變少，成為方向性少而耐磨耗性、耐蝕性優(yōu)秀的加工面。切削油劑發(fā)揮充分的潤滑效果 超音波切削時，工具前斜面，與切屑之間有規(guī)則產(chǎn)生空隙，可對前斜面全面充份給切削油劑。超音波是機(jī)械波的一種，需要介

13、質(zhì)才能將能量傳遞以縱波的形式在生物組織中行進(jìn)傳遞，速度的快慢與組織的密度有關(guān)，固體液體氣體，它的原理大致利用壓電效應(yīng)(piezoelectric effect)來產(chǎn)生聲波壓電效應(yīng)，(piezoelectric effect)利用電壓刺激造成壓電晶體的大小改變、振動進(jìn)而產(chǎn)生超音波傳遞出去。超音波洗淨(jìng):刷洗、擦拭、浸溶劑、噴洗等有時不能高效率完全，除去微細(xì)的附著物。超音波洗淨(jìng)的作用，是 以超過人類聽覺頻以上 的波動在液體中傳導(dǎo)， 當(dāng)音波在洗淨(jìng)劑中傳播 時，由於音波是一種縱 波，縱波推動介質(zhì)的作 用會使液體中壓力變化 而產(chǎn)生無數(shù)微

14、小真空泡 ，稱之為空洞現(xiàn)象 。當(dāng)汽泡受壓爆破時， 會產(chǎn)生強(qiáng)大的衝激能， 可將固著在物件死角內(nèi) 的污垢打散，並增強(qiáng)洗 淨(jìng)的洗淨(jìng)效果。由於超 音波頻率高波長短，穿 透力強(qiáng)，因此對有隱蔽 細(xì)縫或複雜結(jié)構(gòu)的清洗 物，可以達(dá)到完全洗淨(jìng) 的驚人效果。超音波洗淨(jìng)是以每秒兩萬八千次高速振盪在液體中傳導(dǎo)，推動介質(zhì)得作用，使液體之分子產(chǎn)生壓力變化，造成空穴效應(yīng)（cavitation），這種無數(shù)微小的真空汽泡再振盪受壓迫撕裂時，發(fā)生強(qiáng)大衝擊力，將清洗物之表面及隙縫死角之污物剝離，達(dá)到徹底洗淨(jìng)之功能，應(yīng)用範(fàn)圍

15、很廣例如，餐廳餐具的洗淨(jìng)、醫(yī)院、藥廠的醫(yī)藥品的清洗、PH計(jì)的洗淨(jìng)。利用超音波，在各種物品上除去附著的油脂、研磨劑粒子、污垢、銹等有顯著的效果。超音波洗淨(jìng)對洗淨(jìng)物傳達(dá)超音波的方法下列2種:直接洗淨(jìng)法: 直接超音波振動洗淨(jìng)物而洗淨(jìng)的方法間接洗淨(jìng)法: 將超音波振動傳到媒體界媒體振動而洗淨(jìng)的方法以第2種較為實(shí)用，也可依超音波波形的差異而分類如下:連續(xù)波式洗淨(jìng)法:利用超音波周波數(shù)連續(xù)波的洗淨(jìng)法振幅調(diào)變式洗淨(jìng)法:利用振幅調(diào)變波形超音波的洗淨(jìng)法脈衝調(diào)變式洗淨(jìng)法:利用脈衝調(diào)變波形超音波的洗淨(jìng)法周波數(shù)調(diào)變式洗淨(jìng)法:利用周波數(shù)調(diào)變波形超音波的洗淨(jìng)法為第1種最為普及市售大多也屬於此型2.2 鋁合金的基本特性鋁合金質(zhì)

16、輕，鋁之比重僅為鋼鐵之三分之一，在運(yùn)輸工具之輕量化上扮演重要之角色，此方面之應(yīng)用如巴士車體、自行車、捷運(yùn)系統(tǒng)車廂等。其特性如下:耐蝕性鋁在自然環(huán)境中表面形成薄層之氧化膜可阻絕空氣之氧氣進(jìn)一步氧化，具有優(yōu)良耐蝕性，鋁表面如再經(jīng)各種不同之表面處理，其耐蝕性更佳，可適合室外及較惡劣之環(huán)境中使用。強(qiáng)度利用合金之添加及軋延、熱處理製程可生產(chǎn)強(qiáng)度2kg/mm260kg/mm2不同強(qiáng)度等級之產(chǎn)品，以適用於各種不同強(qiáng)度要求之產(chǎn)品上。加工性鋁之導(dǎo)熱性極佳，故在家庭五金、冷氣機(jī)散熱片、熱交換器之應(yīng)用方面極為廣泛。熔接性純鋁及鋁鎂合金之熔接性佳，在結(jié)構(gòu)及船舶之應(yīng)用方面佔(zhàn)有重要之地位。無低溫脆性鋁在超低溫之狀態(tài)下，無

17、一般碳鋼之低溫脆性問題，可適用於低溫設(shè)備、船舶等。綜合以上幾點(diǎn)，鋁合金為最適合超音波的原料。SiFeCuMnMgCrZn其他元素合計(jì)0.50.53.8 - 4.90.30 - 0.91.2 - 1.80.100.250.050.15-鋁合金2024元素成分表-三、研究目的本研究係利用頻率28kHz超音波發(fā)振器以設(shè)計(jì)各種共振振盪工具，主要完成超音波洗淨(jìng)振動桿、超音波焊頭及超音波刀而應(yīng)用於工程實(shí)務(wù)用途。四、研究方法 超音波洗淨(jìng)振盪桿: 首先算出鋁合金2024的/2，利用車床，依其所要尺寸將鋁合金車出D:14mm、L:95 mm。接下來再將車好的振盪桿，攻牙尺寸是M8×1完成後，將振盪頭安

18、裝在發(fā)振機(jī)器上並且，也將測頻器與發(fā)振器做連接後，開始擊發(fā)，頻率統(tǒng)一目標(biāo)達(dá)到28±0.5Khz才算合格。超音波切割刀: 首先將中碳鋼去做熱處理850、恆溫1，小時、空冷。在算出中碳鋼的/2，利用車床，依其所要尺寸，將中碳鋼車出D1:20mm、D2:10mm、L1:46mm、L2:46 mm，接下來再將車好的超音波刀，攻牙尺寸是M8×1完成後，將振盪頭安裝在發(fā)振機(jī)器上並且，也將測頻器與發(fā)振器做連接後，開始擊發(fā)，頻率統(tǒng)一目標(biāo)達(dá)到28±0.5Khz才算合格。但是因?yàn)椴馁|(zhì)與鋁合金不同，所以需要反覆的測試，尺寸只是大約方向。超音波焊頭:除了需要熱處理的條件，與尺寸D1:25mm、D2:10mm、L1:42mm、L2:37 mm有些許差異大致與超音波刀製程相同。在車削結(jié)果尺寸，與技術(shù)指導(dǎo)支援老師，所提供意見整理出，經(jīng)驗(yàn)式可將總長設(shè)定於110mm，頻率過低則修短，若頻率過高則加長1mm大約上升100hz此經(jīng)驗(yàn)式有助於減少實(shí)驗(yàn)所花費(fèi)之時間。五、結(jié)果與討論 超音波系統(tǒng)包含發(fā)振器、壓電換能器及喇叭，如圖1所示。本研究設(shè)計(jì)出洗凈振動桿、超音波刀及超音波焊頭等三個半波長的組合構(gòu)件，將它們連接於喇叭的螺紋孔中進(jìn)行各項(xiàng)超音波振盪試驗(yàn)。圖1 超音波振盪裝置本研究完成之超音波焊頭頻率28.3KHz，符合±0.5KHz的標(biāo)準(zhǔn)