高壓功率放大器在超聲橢圓振動滾壓裝置設計研究中的應用

　　實驗名稱：振幅測試實驗

　　研究方向：隨著科技的高速發展，航空宇航、國防、海洋工程、交通運輸工程等高科技領域對機械零部件的性能要求更高，不僅要求良好的光潔度以增加配合精度，追求良好的表面耐腐蝕性、耐磨性和抗疲勞強度，還要求較高的表面硬度。但是，機械零部件往往因為表面局部疲勞、磨損及腐蝕等造成過早失效。承受動載荷的重要承力機械部件因磨損、腐蝕和疲勞等影響設備的使用壽命、造成設備損耗高，由此每年都造成巨大的經濟損失。因而研究高效率、低成本、易操作的增強機械零部件的表面耐腐蝕性、耐磨性以及抗疲勞強度的新技術，來確保機械設備的平穩、安全、長久運行，具有重要的經濟價值和社會意義。

　　超聲加工技術逐步應用于實際，其發展形勢越來越好，將超聲加工技術與表面強化技術相結合開發超聲表面強化技術，已成為表面強化技術研究的新領域。超聲表面強化技術有效的緩解機械零部件的磨損、腐蝕和疲勞等難題，在低強剛度零件和細長軸的表面上取得顯著的應用成果。超聲滾壓加工是將傳統滾壓與超聲高頻振動相結合，在宏觀上工件和滾壓刀具是連續的滾壓，而在微觀上是間歇性的滾壓。滾壓過程中，滾壓刀具與工件是周期性的分離和接觸，因而滾壓變形區的摩擦力和塑性變形明顯減少，刀具的滾壓速度、滾壓進給量和滾壓深度等因滾壓刀具與工件的周期性分離和接觸而發生周期性的變化，周期性變化引起滾壓力和滾壓溫度的降低，有效提高了刀具的使用壽命及零件表面加工質量和精度的效果,如增加零部件的疲勞壽命、提高零部件的耐腐蝕性、改善零部件的耐磨性等。近年來，二維超聲振動加工研究受到的重視程度越來越高，已經開發出復合振動加工模態的超聲加工技術。

　　超聲滾壓加工技術在航天航空、國防、車輛、電力等領域的零部件表面強化加工中具有廣闊的前景，該技術可以實現金屬材料的塑性加工，并且可加工難加工成型的材料，操作簡單，基本無切屑及冷卻液，可循環使用，低能耗，迎合綠色可持續發展的要求。因為滾壓加工成本低廉和操作便捷，從而受到加工行業的青睞。但是，傳統滾壓加工在加工及應用中也存在一些缺陷，例如，滾壓會在工件表面產生硬化層，以分層形式存在，所以工件表層容易出現脫落現象；滾壓工藝并不完善，加工過程中易造成廢品。隨著超聲加工技術的發展，把超聲高頻振動引入到滾壓加工中，能有效的克服傳統滾壓加工技術中存在的缺陷，將超聲橢圓振動引入到傳統滾壓加工中，實現對鋁合金棒外圓表面的超聲滾壓加工。

　　實驗目的：對超聲振子的輸出端振幅進行測試，為后續實驗做論證和鋪墊。

　　測試設備：功率放大器、信號發生器、數據采集卡、多普勒激光測振儀、激光頭、電腦、超聲振子

　　實驗過程：超聲加工中，不同形式的加工對輸出端的振幅要求不同，輸出振幅是超聲加工系統的重要參數。本文針對超聲振子的輸出端振幅進行測試，采用KEYSIGHT33500B信號發生器、安泰ATA-40525功率放大器、多普勒激光測振儀。信號發生器可以輸出低壓、頻率從DC到500KHz的信號，產生的信號需經過功率放大器放大后加載到換能器上；功率放大器輸出的頻率范圍為DC～500KHz，輸出最高電壓為310Vpp；多普勒激光測振儀的He-Ne激光波長為0～632nm，檢測距離為0.2～5m，頻率范圍為0.5Hz～2.5MHz。在實驗過程中，信號發生器產生振子頻率19.312KHz、電壓14Vpp的正弦波信號并輸入到發功率放大器中，經功率放大器放大20倍后，輸在頻率19.312KHz、電壓280Vpp（避免滿載運行）的信號加載到超聲振子上，多普勒激光測振儀激光頭發出的激光射到振子的端面并回收激光信號，使用數據采集卡從多普勒激光測振儀中采集數據輸出到電腦顯示器中，如圖1-1所示。

　　圖1-1振幅測試實驗框圖

　　實驗結果：實驗測試所得的變幅桿輸出端橫向振幅如圖1-2所示，變幅桿輸出端的縱向振幅如圖1-3所示。從圖中可以看出，輸出端的縱向振幅約為7.01um，輸出端的橫向位移約為1.32um，縱向和橫向振幅都呈現出穩定的周期性變化，其波形都是良好的正弦形態，說明超聲振子能夠實現良好的超聲橢圓振動，同時產生的超聲振動振幅能滿足超聲滾壓的要求，可以應用于超聲滾壓。

　　實驗測量的縱向和橫向振幅與有限元仿真所獲得的橫向振幅約3um及縱向振幅11.7um存在較大的差異。造成差異的原因有：仿真分析中的材料是理想并且均勻的，而實驗的材料或多或少的存在缺陷；超聲振子在制造過程中存在誤差而仿真分析的模型是理想化的模型；最主要的是仿真過程中的振子部件的端面耦合是理想化的，實際中的端面耦合存在或多或少的缺陷，造成超聲能量在傳遞過程中的損耗。超聲能量在傳遞過程中必然產生損耗，導致振子輸出端的振幅減小。

　　圖：ATA-4052C高壓功率放大器指標參數

　　本文實驗素材由西安安泰電子整理發布，如想了解更多實驗方案，請持續關注安泰。Aigtek是國內專業從事測量儀器研發、生產和銷售的高科技企業，一直專注于高壓放大器、電壓放大器、功率放大模塊、高精度電流源等測試儀器產品的研發與制造。