超音波振動系統

由於超音波塑性加工時，振動頻率越高，超音波振動產生的效 果較佳。且其所需之超音波振動能量相當高，為了獲得較高超音波

能量，須選用高頻率、高功率的超音波振動系統。超音波振動系 統包括超音波頻率產生器、換能器、聚能器和超音波工具等元件所組 成。超音波系統之固定，乃以聚能器振動節點的凸緣為支撐。超 音波振動系統中換能器、聚能器及放大器等元件，其共振頻率特 性須與頻率產生器之頻率相配合，否則將導致振動系統特性與振 動模態改變，影響超音波振動能量傳遞，造成共振頻率偏移、振 幅放大率降低、偏振與扭曲模態的出現，振幅分佈不均等現象，

甚至整個系統無法振動。所以換能器、聚能器與放大器之設計，

將決定整個振動系統之振動特性與效能。

3.4.1. 超音波頻率產生器

超音波頻率產生器主要將輸入之低頻低電壓，利用超音波振盪 器、信號放大器與變壓器產生高頻高電壓的電能，經由壓電陶瓷換能 器轉變為機械振動能。由於目前國內高功率的超音波振動系統，最高 頻率只有 20 kHz，而更高頻率的系統，其功率相當低，不適用於 超 音 波 成 形 。 因 此 本 研 究 所 採 用 超 音 波 頻 率 產 生 器 ， 型 號 為 KWS2020 頻率產生器，如圖 3-4 所示。最大功率為 2kW，產生 振動頻率為 20 kHz，此頻率產生器具有自動追蹤系統頻率（Auto Tuning）功能，使超音波加工時，產生的頻率能自動調整到系統 共振頻率，其自動調整頻率的範圍為 19.8 kHz 到 20.4 kHz。其中

超音波啟動分為手動與電控兩種方式，本研究乃利用可程式控制 器（PLC）控制實驗過程中超音波之啟動與停止時間。當負載過 大或系統之共振頻率偏移超出自動追頻範圍，功率過負載指示燈 會亮起，且頻率產生器同時會自動停止。

3.4.2. 超音波換能器

超 音 波 振 動 子 主 要 功 能 將 高 頻 電 能 轉 換 為 超 音 波 的 機 械 振 動，依振動原理可分為磁伸縮換能器與壓電陶瓷換能器(PZT)兩 種：

1. 磁伸縮換能器

其振動原理為利用磁致伸縮效應產生超音波振動，磁致伸縮效 應乃磁性材料置於變化的磁場，其長度會隨磁場變化而改變的現象。

且振動頻率與磁場變化之頻率一致。常用材料有氧化鎳、氧化銅與氧 化鐵等。由於磁致伸縮換能器均需有繞組線圈，且產生之渦流損失隨 頻率與溫度增加而增加，所以本研究不採用此種換能器。

2. 壓電陶瓷換能器

其振動原理為利用壓電效應產生超音波振動，壓電效應乃石英 或鹽類的晶體其特定方向切塊的兩相對應面承受一電壓時，晶體 會產生應變的現象。當施加高頻交流電壓時，晶體因伸縮產生振 動，其振動頻率與電壓頻率一致。本研究乃採用此類型的螺栓鎖

緊的藍杰文（Langevin）形換能器，其主要結構為以金屬塊將壓 電 陶 瓷 （ PZT） 之 圓 板 夾 成 三 明 治 型 ， 金 屬 塊 分 別 為 鋁 合 金 與 SUS304 不銹鋼，其中每塊壓電陶瓷板兩面均附加 0.2mm 厚之銅 片作為電極，最後利用螺栓將所有元件組合鎖緊完成。如圖 3-5 所示。其振動模態為縱向振動，諧振頻率為 20kHz。

3.4.3. 換能器與聚能器之模擬設計

超音波振動系統中聚能器及放大器均為振幅放大器，振幅放大器 主要目的在於將超音波的振幅放大。由於換能器所轉換之超音波振 幅相當小，為使超音波加工時能得到所需加工振幅，所以振幅放大 器之設計，均以最大振幅放大率（M）為設計考量。

超音波於振幅放大器內之振動，乃藉由材料的彈性特性，以應力 波的方式傳遞。目前聚能器與放大器之設計製作方法，均憑藉理論近 似解與經驗公式進行設計製作，最後利用實驗試誤法，以反覆切削、

量測方式，修改各種喇叭之幾何形狀尺寸，使其能達到所需共振模態。

研究中，藉由第二章之理論推導與經驗公式，搭配有限元素 模擬分析進行換能器、聚能器與放大器之設計。在數值模擬程式 方面，，則採用商用套裝分析軟體 ABAQUS/Standard 為分析工具，

利用程式中 FREQUENCY 配合 EIGENSOLVER 的指令來解系統特徵 向量與特徵值。首先建立所需之模擬模型，其中換能器分別由陶瓷

片、銅片、鋁合金與 SUS304 不銹鋼所組成，其材料性質，如表 3-2 所示。而聚能器與放大器之材質分別採用 SUJ2 調質鋼與 SUS304 不 銹鋼，其材料性質，如表 3-3 所示。其振動特性均以第一振動模態，

共振頻率在 20 kHz 設計，聚能器之振幅放大率（M）則以 M=1.3 設計製作，研究中以三維軸對稱之有限元素模型模擬分析，圖 3-6 為本研究中所使用之有限元素網格模型，模擬元素採用 C3D4 四面 體之 3D 元素，其各元件接觸部分以 Tie 指令限制，進而模擬分析，

由模擬分析結果尋找系統所需之諧振模態，求出共振頻率、振幅放 大率及其振幅分佈情形。

由模擬結果中所得之諧振模態中，選取超音波加工所應用的振動 模態，其諧振頻率為 20kHz 之縱向振動模態，如圖 3-7 示，為縱向振 動模態振幅向量分佈圖。圖中軸向位移為零的點，即為振動系統之振 動節點，一般振動系統固定之法蘭均設計於振動節點位置。振幅放大 器內部之應力分析，如圖 3-8 所示，為模擬分析之振動應力分佈圖，

由圖中可知在振動節點位置其振幅應力最大，而振幅為最大時，其振 動應力為零，因此設計振幅放大器時，於振動節點位置必須避免應力 集中現象發生。振幅放大器之端面軸向振幅分析，如圖 3-9 所示，為 模擬分析之端面軸向振幅分佈圖，由圖可知聚能器端面之軸向振幅非 均勻分佈，中心位置的振幅最大，且由中心向外方向成拋物曲線遞

減，最大與最小振幅相差約 3 %。

由模擬結果進行製作，如圖 3-10 所示。為驗證模擬分析之可 靠性，研究中將進行振動頻率與振幅的量測，並將實驗量測值與模 擬結果作比較驗證，首先設計一夾持裝置將振動系統固定後，利用 MTI1000 FOTONIC SENSOR 之 光 纖 位 移 感 測 器 與 IWATSU DS-8606C 之示波器進行振動頻率與振幅之量測，如圖 3-11 所示。

由於光纖位移感測器將位移變動量轉換成類比訊號，經示波器將其 電壓之波形顯示，在由此電壓波形可得其端面之振動頻率與振幅。

其實驗所量測之共振頻率與振幅值與模擬結果相接近，證實所 建有限元素分析模擬模型能有效預測共振頻率與振幅分佈。

3.4.4. 振幅放大器之模擬設計

由於需克服實驗中超音波振動系統於高溫環境下溫度上升問 題與熱輻射傳導加熱速度較冷卻速度慢溫度補償問題。因此振幅 放大器之設計除了需考慮冷卻與隔熱裝置之設計，同時還需考慮將 輔助加熱裝置設計於放大器上。但將這些冷卻、隔熱與輔助加熱 裝置設計於振幅放大器上會影響其諧振頻率，且使振幅放大器 變為較複雜與特殊的形狀，這將造成超音波振動系統設計困難。

若藉由理論近似解與經驗公式進行設計製作，將相當困難且設計製 作時間會很長，因此利用以有限元素模擬分析法進行振幅放大器設

計實有其必要性。研究中振幅放大器材質採用 SUS304 不銹鋼，振 幅放大率（M）則以 M=1 設計製作，初步設計於放大器中心位 置鑽孔加裝加熱裝置，其有限元素模擬分析方法如同聚能器之 模擬，由模擬結果進行製作，如圖 3-12 所示。經實驗測試，雖 然 其 振 動 模 態 之 頻 率 和 振 幅 與 模 擬 相 近 ， 但 加 熱 時 間 需 相 當 長。為獲得有效加熱效率，研究中最後採用多孔放大器設計，其模 擬 分 析 方 法 如 同 之 前 模 擬 方 法 ， 由模擬結果可得其諧振頻率為 20kHz 之縱向振動模態，如圖 3-13 所示，為縱向振動模態振幅向量 分佈圖。振幅放大器內部之應力分析，如圖 3-14 所示，為模擬分析 之振動應力分佈圖。由模擬結果進行製作，如圖 3-15 所示。其輔 助加熱裝置之加熱功率達 800W，且加熱方式為接觸式加熱，經實驗 測試，振 動 模 態 之 頻 率 和 振 幅 與 模 擬 相 近 ， 且 加熱溫度可達 500 C^o 。研究中確實完成超音波振動壓縮試驗裝置之設計製作，並建 立完成超音波振動加熱裝置與冷卻系統。