廖運炫臺灣大學：機械工程學研究所范忠達2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61522本文的目的為設計一電壓控制器，能使超音波鑽削加工前，自動調整超音波發振機，以對刀具本身的條件，調校出其所對應的諧振狀態；並且，在加工過程中，隨時偵測超音波輸出電壓值，並進行控制，以保持諧振狀態。 文中推導了一估測方程式，能以刀具的材料性質(E和ρ)，及超音波發振機的頻率可變範圍，估測出刀具達諧振條件時，從筒夾中伸出的長度範圍。實驗中，以能自動調整諧振頻率的電壓控制器進行相關實驗，結果証實可經由本文設計之控制器，讓發振機自動調整至諧振狀態，同時亦驗証了估測方程式的預測結果，誤差約為6 %。在超音波鑽削實驗中，比較電壓控制前後的結果，發現電壓控制器確實能有效解決電壓值不正常變化的現象，以鑽削難切削材Inconel 718合金為例，鑽削完之工件表面粗糙度為由2.9μm降至2.3μm，刀具壽命由35孔增加至40孔。誌謝 一 摘要 二 英文摘要 三 目錄 四 圖目錄 六 表目錄 八 符號說明 九 第壹章 導 論 1 1-1 研究動機 1 1-2 研究目的 5 1-3 本文內容 6 第貳章 相關原理 7 2-1 超音波加工原理 7 2-1-1 超音波振動子 7 2-1-1-1 磁伸縮振動子 8 2-1-1-2 壓電振動子 10 2-1-2 振幅放大喇叭之設計 11 2-2 振動理論 13 2-2-1 振動方程式 13 2-2-2 超音波諧振刀具伸出長度估測 16 2-3 控制系統 19 2-3-1 諧振自動調整系統 19 2-3-2 電壓穩定系統 20 第參章 實驗設備與方法 21 3-1 實驗設備 21 3-2 電壓控制器 27 3-3 實驗方法 29 3-3-1 諧振自動調整系統 29 3-3-2 超音波電壓控制加工 30 第肆章 實驗結果與討論 32 4-1 超音波諧振自動調整實驗結果 32 4-2 超音波回控制實驗結果 39 4-2-1 現象觀察 39 4-2-2 加工實驗 43 第伍章 結論與未來展望 50 參考文獻 51 圖目錄 圖2.1 超音波加工基本原件【13】 7 圖2.2 磁伸縮金屬的靜磁伸縮特性【14】 9 圖2.3 各種振動子【14】 10 圖2.4 各種形狀的喇叭【14】 11 圖2.5 具阻尼單自由度系統的力振動 13 圖2.6 超音波振動子附加於鑽頭示意圖【16】 15 圖2.7 共振狀態下的圓棒之位移、應力分布 17 圖2.8 諧振自動調整系統架構圖 19 圖2.9 超音波電壓穩定系統架構圖 20 圖3.1 綜合切削加工機配置示意圖 22 圖3.2 發振機操作面版 22 圖3.3 CNC加工機與動力計配置 23 圖3.4 超音波換能器配置 24 圖3.5電壓控制器硬體示意圖 28 圖3.6諧振自動控制工作流程圖 30 圖3.7振幅控制工作流程圖 31 圖4.1振動量觸位置示意圖 33 圖4.2伸出長度7.0cm的諧振電壓波形 37 圖4.3未加超音波振動與加入超音波振動之鑽削加工切削力與壽命關 係圖 39 圖4.4未提刀超音波加工切削力比較 41 圖4.5未提刀超音波加工切削力比較 42 圖4.6 電壓控制前後單一孔受力訊號變化趨勢 43 圖4.7控制前後鑽削力與壽命關係圖 44 圖4.8 鑽削末期長屑佔有比例 45 圖4.9 控制前後孔粗糙度輪廓圖 47 圖4.10 17個孔加工後加工後電壓輸出 48 表目錄 表2.1 超音波發生方法 8 表4.1 各式鑽頭 34 表4.2 碳化鎢鑽頭(ψ10.5mm)自動追蹤諧振結果 36 表4.3高速鋼材質自動追蹤諧振結果(伸出長度6.0cm) 38 表4.4未提刀超音波加工實驗結果 41 表4.5控制前後切屑型態、厚度比較 45en-US超音波電壓控制器諧振UltrasonicResonanceVoltage controllerthesis