淺析利用超聲波清洗機床冷卻液箱

王振宇

摘 要：文章介紹了利用超聲波對機床冷卻液箱的清洗。并對超聲波的設(shè)計思路以及具體方案、對超聲電源及變幅桿匹配調(diào)試等進行了研究。

關(guān)鍵詞：超聲波；冷卻液箱；防垢除垢

引言

隨著科技生產(chǎn)的發(fā)展數(shù)控機床在工業(yè)應(yīng)用上的廣泛使用，隨之而來的數(shù)控機床冷卻液槽的清洗工作是一項不可忽視的問題，由于機床的冷卻液槽槽壁堆積著大量的油污和切削粉末，采用傳統(tǒng)的手動清掃，不僅勞動強度大、作業(yè)環(huán)境臟、作業(yè)時間長，同時消耗大量的化學(xué)清洗液和輔助材料，造成材料浪費的同時也產(chǎn)生了大量的廢液造成污染。不僅給管理部門和使用部門都帶來了很大的麻煩，同時也嚴重影響數(shù)控機床的高效運行，急需一種專用的清洗設(shè)備來解放大量的勞動力和節(jié)約大量的勞動時間。讓數(shù)控機床高效運行，為生產(chǎn)加工服務(wù)。

1 技術(shù)背景

（1）采用模塊化功能電路設(shè)計，易于安裝和調(diào)試及修理。（2）換能器采用夾心式1/4波長換能器，易于安裝和調(diào)試。（3）倒喇叭型變幅桿，位移節(jié)點設(shè)計在變幅桿1/4處，易于安裝，聲損耗小。（4）整體結(jié)構(gòu)緊湊，依據(jù)現(xiàn)場情況可改變多種安裝形式。（5）振動子法蘭盤設(shè)計，對原設(shè)備改動較小。

2 設(shè)計方案

2.1 超聲波簡介

物體每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。 我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20～20000赫茲。當(dāng)聲波的振動頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能。

2.2 超聲波的空化作用

超聲波在液體介質(zhì)中傳播產(chǎn)生特殊的“空化效應(yīng)”，“空化效應(yīng)”不斷產(chǎn)生無數(shù)內(nèi)部壓力達到上千個大氣壓的微氣穴并不斷“爆破”產(chǎn)生微觀上的強大沖擊波。超聲波聲場的能量密度與空化泡崩潰時的能量密度相比，能量密度被擴大了萬億倍，引起能量的巨大集中；空化泡產(chǎn)生的極端高溫和高壓導(dǎo)致的聲化學(xué)現(xiàn)象和聲致發(fā)光，是聲化學(xué)中特有的能量和物質(zhì)交換形式。超聲波防垢除垢作用就是依據(jù)超聲空化作用來實現(xiàn)的。

2.3 超聲波防垢除垢工作原理

大功率超聲波超聲波防垢除垢系統(tǒng)由超聲波振動部件和超聲波專用驅(qū)動電源兩大部分組成。超聲波振動部件主要包括大功率超聲波換能器、變幅桿、工具頭（發(fā)射頭），用于產(chǎn)生超聲波振動，并將此振動能量向液體中發(fā)射。換能器將輸入的電能轉(zhuǎn)換成機械能，即超聲波。其表現(xiàn)形式是換能器在縱向作來回伸縮運動，振幅一般在幾個微米。這樣的振幅功率密度不夠，是不能直接使用的。變幅桿按設(shè)計需要放大振幅，隔離反應(yīng)溶液和換能器，同時也起到固定整個超聲波振動系統(tǒng)的作用。工具頭與變幅桿相連，變幅桿將超聲波能量振動傳遞給工具頭，再由工具頭將超聲波能量發(fā)射到化學(xué)反應(yīng)液體中。

2.4 超聲波防垢除垢系統(tǒng)主要部件功能

（1）超音波振動源（驅(qū)動電源）：把50-60Hz的市電轉(zhuǎn)化為高功率的高頻率（15kHz-100kHz）電源，提供給換能器。（2）換能器（controller，transducer）：把高頻率電能轉(zhuǎn)化為機械振動能。（3）變幅桿：聯(lián)接并固定換能器與工具頭，將換能器之振幅放大后傳送到工具頭。（4）工具頭（導(dǎo)入桿）：把機械能和壓力傳至工作物，同時也有振幅放大的功能。（5）連接螺栓：將以上各組件緊密地連接。

3 超聲電源的設(shè)計

把50-60Hz的市電轉(zhuǎn)化為高功率的高頻率（15kHz-100kHz）電源，通過輸出變壓器阻抗匹配提供給換能器。起工作過程是AC-DC-AC的轉(zhuǎn)換過程，超聲功率電源也稱為超聲頻率發(fā)生器，它在超聲振動中起到頻率振蕩，調(diào)功、調(diào)頻及條脈寬的功能外，還要達到良好地阻抗匹配和頻率諧振，限于篇幅不在詳細介紹、羅列一些設(shè)計的原理圖及PCB板圖描述設(shè)計過程。

3.1 夾心換能器設(shè)計

現(xiàn)在用的超聲波換能器，除了磁致伸縮結(jié)構(gòu)以外就是常用的用前后蓋板夾緊壓電陶瓷的“朗之萬”換能器，超聲波就是通過換能器將高頻電能轉(zhuǎn)換為機械振動。換能器的特性取決與選材和制作工藝，同樣尺寸外形的換能器的性能和使用壽命是千差萬別的。依據(jù)超聲波換能器設(shè)計理論，采用4片PZT壓電陶瓷設(shè)計制作成1/4波長夾心式，它有反射罩傳到體壓電陶瓷，電極片及鎖緊螺釘組成

3.2 超聲變幅桿設(shè)計

換能器將高頻電能轉(zhuǎn)換為機械振動，它是電聲轉(zhuǎn)換器件，其輸出的機械振幅較小，還不能滿足實際生產(chǎn)加工需求，還需將該機械振動進行放大，變幅桿就是用來接收換能器的機械振動并將之放大的關(guān)鍵器件。鑒于加工及安裝方便，采用流行的倒喇叭型變幅桿，將位移節(jié)點設(shè)計在變幅桿的前1/4處，通過鎖緊螺釘將它與換能器按要求鎖緊，并測試靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

3.3 超聲電源箱鈑金設(shè)計

電源機箱不僅是超聲電源各部件的載體，還要滿足超聲電源個電子器件的熱、磁等參數(shù)要求，同時還要美觀方便使用，通過電氣原理圖及制版圖的設(shè)計，及超聲電源關(guān)鍵部件的設(shè)計后，綜合以上關(guān)鍵數(shù)據(jù)，采用CATIA的鈑金模塊設(shè)計超聲電源機箱實體圖。

4 超聲電源及變幅桿匹配調(diào)試

4.1 電源調(diào)試

超聲電源的調(diào)試較為關(guān)鍵，首先調(diào)試功率直流電源模塊，將功率電源帶上假負載，經(jīng)測試沒有短路和斷路情況下，接通市電AC220V，經(jīng)環(huán)牛變壓器降壓為AC110送入可控硅交流調(diào)壓部分，經(jīng)全橋整流和電容穩(wěn)壓，功率直流電源應(yīng)有DC90V～DC150V直流輸出。接上半橋功率驅(qū)動，關(guān)閉前置振蕩板的振蕩信號，半橋驅(qū)動板的功率放大管的Vce應(yīng)等于直流功率電源的一般電壓，說明半橋驅(qū)動工作正常，關(guān)閉前置放大的振蕩信號，測量輸出變壓器應(yīng)有交流振蕩信號輸出，調(diào)整選頻網(wǎng)絡(luò)，輸出變壓器的輸出信號應(yīng)有相應(yīng)的頻率信號輸出。以上超聲電源基本調(diào)試完成，需進一步匹配調(diào)試。

4.2 匹配調(diào)試

匹配調(diào)試的目的是將超聲電源輸出頻率同振動子固有振蕩頻率匹配。這需要兩個關(guān)鍵步驟。

4.2.1 頻率調(diào)整

將振動子接到超聲電源上，調(diào)節(jié)選頻網(wǎng)絡(luò)，通過測量變幅桿輸出，直到變幅桿端面有明顯的微量振動，通過調(diào)節(jié)輸出變壓器副邊跳線繞組和匹配電容結(jié)合調(diào)整選頻網(wǎng)絡(luò)，是變幅桿振動位移為最大，通過頻率表測量變壓器輸出頻率，如果較低，可通過改變換能器和變幅桿外觀尺寸來改變振動子的固有諧振頻率，是變幅桿輸出位移振幅為最大。

4.2.2 阻抗匹配

匹配的含義是超聲電源輸出的阻抗和振動子的動態(tài)阻抗和容抗相匹配，是本身為容抗負載的換能器通過電容和電感的匹配轉(zhuǎn)換成純阻抗型負載。

5 結(jié)束語

采用模塊化設(shè)計超聲電源，安裝調(diào)試方便快捷，易于維修和更換。采用配對進口原裝大功率晶體管整列，功率大使用壽命高。夾心式換能器設(shè)計，聲功率強，效率高。采用不銹鋼功率頭，可產(chǎn)生大功率空化效應(yīng)，對機床冷卻液生化學(xué)處理，阻止冷卻液氧化凝結(jié)，高效防污除垢能力。