负载性质及输出功率对声共振频率的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.02.026 北京钢铁学院学报 1982年第2期 负载性质及输出功率对声共振频率的影响 4 李连诗张力行* 摘 要 片 在各种超声波加工中，为了充分利用超声功率，要求激励频率必须与机械传声系统固有 频率重合。最近在有些超声波加工中，已采用了自激频率跟踪发生器〔1)〔2)，它能在有载传 声系统共振频率发生偏移时，自动跟踪之。 在超声波冷拔工艺中：负载性质如何；对传声系统共振频率有何影响，激励状态及功率 对频率有何影响以及频率偏移对效果有何影响？为此，我们对超声冷拔铝管、钢管、紫铜 管、黄铜管、钢丝进行了广泛的实验研究，并获得了一些实际结果。试验得出，在超声振动 外模拉拔工艺条件下，频率偏移很小，可不采用频率自动跟踪系统。 一、负载性质 1,有功负戴 超声波振动拉拔有功负载包括有体积效应、表面效应、旋锻效应等，而表面效应是重要 组成部分。本文仅从表面效应〔4)〔7)研究负载的性质。 若超声振动方向与拔模入口锥母线夹角为p(见图1，图2)，其瞬时速度为Vk,金属 沿母线流动速度为V,这时金属在A点相对于模具壁的运动方向将取决于Vk与V之和。 图】超声振动拔管图示 图2摩擦力换向作用 超声激潜励为正弦波形式，所以Vx按正弦规律变化： Vx=Vm sinot, (1) 式中：Vm一A点超声波速度幅值， ”张力行执笔，参加试验工作的还有韩观昌、钟轼、杨效平、武培红等。 45

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 负载性质及输出功 率对声共振频率的影响 李连诗 张 力行 补 摘 要 在 各种超声 波加工 中 ， 为了充分利 用超声功率 ， 要 求激励频率 必须 与机械传声 系统 固有 频率 重 合 。 最近在 有些超声 波加工 中 ， 巳采 用 了 自激频率 跟踪发生器 〕 〕 ， 它能在有载传 声系统共振频率 发生偏 移 时 ， 自动跟踪 之 。 在超 声 波冷 拔工 艺 中 负载性质 如何， 对传声系 统共振频率 有何影响， 激励状态 及功率 对频率有何影响 以 及频率 偏 移对效果 有何影响 为此 ， 我 们 对 超声 冷拔 铝管 、 钢管 、 紫铜 管 、 黄铜 管 、 钢 丝进行 了广 泛 的实验研究 ， 并获得 了一些实际 结果 。 试 验得 出 ， 在超声振 动 外模 拉拔工 艺 条件下 ， 频率 偏移很小 ， 可 不采 用频率 自动跟踪 系统 。 一 、 负载性 质 有功 负暇 超 声 波振动拉拔有功 负载包括有体积效应 、 表面效 应 、 旋锻效应 等 ， 而表面效应是 重要 组成部分 。 本 文仅 从表 面效 应 、研究 负载的性质 。 若超声振 动方 向 与拔模 入 口 锥母线夹 角为甲 见 图 ， 图 ， 其 瞬 时速度为 ， 金 属 沿母线 流动速度为 ， 这 时金属在 点相对于模具壁 的运 动方 向将取 决于 ‘ 与 之 和 。 图 超声 振 动拔 管图示 ‘ 图 摩擦 力换 向作用 超 声激潜励为正 弦 波形式 ， 所 以 按正弦 规律变化 ‘ ， 式 中 — 点 超声 波速度幅值， 张力行执笔 ， 参加 试验工 作的还 有韩观 昌 、 钟 轼 、 杨效平 、 武培红 等 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1982．02．026

®一超声波的角频率， t一时间。 A点合速度沿入口锥母线指向后方时，摩擦应力τ指向前方（图2中T为正值的情况）， 推动A点金属向出口方向移动，使拔制力P下降。 当摩擦系数f为一定值时〔4)，t的变化情况如图2中虚线所示，即： t=N.f, (2) 式中N为正压力。 实际拔制中由于速度较高（如激励频率20千赫、振幅为10μ时，其速度值可达48m/min), 在高速下摩擦系数将是速度的函数〔8)： f=(a+bV)e-cv+d (3) 式中，V一摩擦表面相对滑动速度， a、b、c、d一与物体性质及压力有关的常数。 在拔制状态下，接触面单位压力较高，由(3)式得出：了值将随V的增加而下降。这 时τ值的变化如图2中双点划线所示。 引入超声波作用系数·，并令： T T “(+--20 一 (4) t:为图2中由t=0至VA=Vs点的时间及由V=Vk点至t=T的时间 很明显，n值越大，拔制力下降越大。 将(4)式变换， 当合速度为零时，则 VA=Vx cosop, (5) VA=Vm sinot cos, (6) :=1 Bin-!VA Vmcosqp (7) 将(7)式代入(4)式，并考虑到ot:很小，则 g·QV./V.cg)*冬·头coag。 n R 1 (8) 为确定整个接触面上的摩擦情况（整个接触面上各点均可依A点方法分析），将V以平 均速度7代替，即， FA=V Hcosa +1 2μco8a, (9) 式中，a一入口锥角影 μ一断面减缩事， V。一拔制速度，见图1。 (8)式即为： n=年.Y28p。 2V号μco8a+1 (10) 当模具入口锥角α及拔制速度V,一定时，忽略μ的影响，V。越大，摩擦力合力变小程度 46

。 — 超声 波的 角频率， — 时间 。 点合逮度沿入 口 锥母线 指 向后方时 ， 摩 擦应 力 指 向前方 图 中 为正值 的情况 ， 推动 点 金属 向出口 方 向移动 ， 使 拔制力 下降 。 当摩擦系数 为一定值 时 〔幻 ， 下 的变化情况 如图 中虚线所示 ， 即 丫 二 一 ， 式 中 为正压力 。 实际拔制 中由于速度较高 如激励频率 千赫 、 振幅为 卜时 ， 其速度值可达 ， 在高速下摩擦系数将是速度的函数 〔 〕 一 式中 — 摩擦表面相对滑动速度， 。 、 、 、 — 与物体性质及压 力有关 的常数 。 在拔制状态 下 ， 接触面单位压 力较高 ， 由 式得 出 值将随 的增加而下降 。 这 时 值 的变化如图 中双点 划线所示 。 引入 超声 波作用系数 ， 并令 ， 、 。 ‘ 、 ， 。 、 二 、 一二了一 不 丫 “ ， 一 、 一二尸一 一 “ ， 乙 乙 为图 中由 至 点 的时 间及 由 人 二 点至 士 的时 间 很 明显 ， 值越大 ， 拔制力下降越大 。 将 式变 换 当合速度为零时 ， 则 咖 甲， 。 址 姗甲， 生 一 ‘ 一 ’ 哪 甲 “ 将 式代入 式 ， 并考虑到叭 很小 ， 则 颐 一 二 哪 兀 澎 一二一 下币 吕 甲 。 乙 为确定整个接触面 上的摩 擦情况 整个接触面上各点均可 依 点方 法分析 ， 将 以 平 均速度 犷 人 代替 ， 即 犷 。 林 。 日 林口拍 式 中 — 入 口 锥 角， 林— 断面减缩率， 。 — 拔制速度 ， 见 图 式 即为 兀 — 二生 ‘ 垫些塑些匕 。 卜 当模具入 口 锥角。 及拨制速度 。 一定时 ， 忽略林的影响 ， ， 越大 ， 摩擦力合力变小程度

,也就越大。 超声冷拔中，使拔制力下降的萨擦力以及转变的热能，都是有功负载的表现形式。 2.惯性无功负戴 惯性负载是由质量及加速度所引起的负载。 在实际超声波振动冷拔中，惯性负载一种是表现在棋具系统（主要是外模套(9）)上，另 一种是表现于被拔制金属上〔12)。 下面，从能量观点来分析惯性负载的无功性。 在图1中A点垂直于V,方向取一小微片dx其质量为m,并设无弹性力作用。 若A点振动速度为Vmsin ot,则： EA=2mV2 (11) 式中，Vm一A点速度幅值， EA—能量， ①一一声波角频率。 若dx片有质量增量dm,则有： EA=2(m+d)V, (12) 式中V“为质量(m+dm)下的速度幅值。 由（11)，(12)两式，得： V./=√1+d>l, (13) m Vm>V 而 n'=π， Y。,2μco8a 27,'μco8a+ -c08P, (14) 当V,μ，a,p均相同时， n>n', (15) 式中n为与V:对应的超声作用系数。 可知：当质量取得dm增量时，超声波作用系数值将会下降，总摩擦阻力上升。可见这 种质量引起的惯性力是无功负载。 8.弹性无功负蒙 在拔制过程中，拔制力一方面克服摩擦阻力使金属向前流动，另一方面作用力将传给模 具、模具外套，亦即传给了传声系统，使系统产生了应力、应变，很明显，这是弹性变形及弹 性力。 下面从超声作用系数n值的变化说明弹性 负载的无功性。 取外套上一小微元体dv如图3，在拔制 力P作用下，套产生弹性变形，dv由平衡位 置x。产生一个位移dx,由此引起一指向x。的 弹性饮复力Fr(见图4a)。 图3弹性无功负载 47

也就越大 。 超声冷拔 中 ， 使 拔制 力下降的摩擦力以 及转 变的热能 ， 都是有功 负载的 表现 形式 。 愉性无 功 负峨 惯性 负载是 由质量 及加速度所 引起的 负载 。 在实际超声 波振 动冷拔 中 ， 惯性 负载一种 是表现在 模 具系统 主 要是外模套 幻 上 ， 另 一 种是表现于 被拔制金属 上 〔 。 下面 ， 从能 量观点 来分析惯性 负载的无 功性 。 在图 中 点垂直 于 。 方 向取一 小微片 其质量为 ， 并设 无弹性 力作用 。 “ 若 点振 动速 度为 成 ， 则 。 ， 乙人 百 一 ” 式中 — 点速度幅值 ， 人 — 能里 ， 。 — 声 波 角频率 。 若 片有质量 增量 ， 则 有 一 孟 一 ‘ 二 ， ‘ ’ ， 式 中 二为质量 下的速度幅值 。 由 ， 两式 ， 得 一 一 ‘ 耐 护 且 十 一常 户 ， 夕 孟 ， ， 一 一 卫、 李丝些典 一 甲 卜 仁 日 仅 十 当 ， 林， ， 甲 均相 同时 ，， 式 中 尹为 与 二对应 的超声作 用 系数 。 可 知 当质 量取得 增量 时 ， 超声 波作用 系数 值 将会下降 ， 总摩擦阻 力上升 。 可 见这 种质 引起 的惯性力是无功 负载 。 弹性无 功负峨 在拔制过程 中 ， 拔制 力一方面 克服摩擦阻力使 金属 向前 流动 ， 另一方面 作用 力将传给模 具 、 模 具外套 ， 亦 即传给 了传声 系统 ，使 系统产生 了应 力 、 应变 ， 很 明显 ， 这 是 弹性变形 及弹 性力 。 下面 从超声作用 系数 值 的变化说 明弹性 负载的无功性 。 取外套 上一小微 元体 如 图 ， 在拔制 力 作用下 ， 套产生弹性变形 ， 由平衡位 里 产生一个位移 ， 由此 引起一指 向 。 的 弹性娜算力 见 图 ， 卜 通‘ 护 一尸一 州， ， 一甘士一 ， 丹 图 弹性无 功负载

在不考虑惯性力的情况 F=F 0os wt 下，dv上还受一交变超声 振动应力Fz: F2=Fmcosot, 式中：F。一振动应力幅 值。 F,与Fr的合力Fm如图 4b所示，图4c为合力引起 的速度变化。力与速度有 π/2的相差。 与无弹性力情况相比 (b (图4c): t>t1, (17) .n'<n (18) （n为对应于t1的超声 作用系数) (c) 由此可见，弹性力使摩 擦阻力的合作用上升，弹性 图4纯弹性负载 1一拔制速度，2-无弹性负载时的合速度， 力也是一种无功负载。 3-有弹性负载时的合速度 二、负载对传声系统谐频的影响 1.弹性负蒙使禮频上升，惯性负戴使谱频下降〔5) 已有的理论研究表明，弹性负载使传声系统机械谐振频率上升，惯性负载使谐频下降。 这里以经典的机械谐振系统电气等效回路法分析之。得出等效矢量图（见图5)及等效 负载电路图（见图5b)。 惯性力引起的位移滞后于力，弹性力引起的位移超 前于力。将惯性负载力FL等效为感性分量，弹性力 Fc等效为容性分量，见图5a。 若惯性负载力FL上升，则其等效感抗X上升，等 效电感量LR上升。 若弹性负载力Fc上升，则其等效容抗Xc上升，等 效电容量CR下降。 图5b中示出的LR一RR一CR回路谐频为： ,=2，C (19) 图5机械谐振系统的电气等效 回路 a-等效失量(u为振幅) FL+L是+f6 b-负载的电气等效回路图 48

在不考虑惯性力的情况 下 ， 上还受一 交变超声 振动应 力 ， 式 中 — 振 动 应 力幅 值 。 与 的合力 如 图 所示 ， 图 为 合 力引起 的速 度 变化 。 力与 速度有 二 的相 差 。 与无弹 性 力 情况 相 比 图 盆 ， 户 。 ， 了为对应于 二的超声 作用 系数 由此可见 ， 弹性力使摩 攘阻力的合作用 上升 ， 弹性 力也是一种无 功负载 。 幸 了 载 一 拔制速度， 一 无 弹性 负 一 有弹性负载时的合速度 时的合 速度， 咚 再 二 、 负载对传声 系统谐频 的影响 弹性 负旅使 谐 绷 上升 ， 愉性 负旅使 谐 绷 下 降 〔 已有的理论研究表 明 ， 弹性负载使传声 系统机械谐振频率上升 ， 惯性 这 里 以经典的机械谐振 系统 电气等效 回路法分析之 。 得 出等效矢量 图 惯碎负载使谐 频下降 。 见图 及等效 妞 ﹄皿砚 ﹄ 一飞卜气 负载电路图 见图 。 惯性 力引起的位移滞后于 力 ， 弹性 力引起 的位移超 前于 力 。 将惯性负载 力 等效 为感 性分量 ， 弹 性 力 。 等效为容性分里 ， 见 图 。 若惯性负载力 上升 ， 则其 等效感抗 上升 ， 等 效 电感盆 ，上升 。 若弹性负载力 。 上升 ， 则其等效容抗 。 上升 ， 等 效 电容量 ，下降 。 图 中示出的 ，一 一 回路谐频为 。 一二丁一 气产于，专育 乙 兀 犷 几七 王， 盖， 告， 图 机械谐振 系统的 电气等效 回路 一 等效矢 为振 福 一 负载的电气等效 回 峪 图

F+Cif。 模拟的大弹性变形量试验结果见图6。 空载时在外套〔9)上增加惯性质量的实验结果见图7。 这二者均与经典理论吻合。 Af f kc ke 22 1.5 21 1.0 20 0.5 19 50 100150200250300 350 Ft kg 0 12 34%kg 图6弹性负载Fr对谐频f的影响 图7惯性负载F。对谐频í的影响 2.使用模具外套情况下的谐频偏移 为了工艺上的方便，我们设计了模具外套〔9〕，研究这种实际冷拔状态时的弹性、惯性 负载的影响，得到以下结果。 (1)弹性无功负载使谐频略有上升 我们对铝管、黄铜管、紫铜管、钢管、钢丝进行了18组弹性负载试验。参数范围如表1 所示。 表1 弹性负载试验参数 材种 屈服点的力 外径范围 壁厚范围 变形率μ，试睑组数 弹性力性质 管 320~2500(kg) φ1025.8(mm) 1~2(mm)20~35% 15 压缩性拉伸性 丝 640~660(kg) φ6(mm) 17% 3 压缩性 ft(ke) f kc) 19.n 18.8 18.6 18.6 18.5 18.4 18,4 18.z 0.2040.60.81.01.21.41.61.8F则· 012·3456789Mx 图8使用外套时弹性负载及惯性负载对谐频影响 图中：惯性负载M与对应谐频fw一1-铝管，2-铜管 弹性负载F与对应谐频「，——3-钢丝，4-钢管 49

各， 孟一 。 模 拟的大弹性变形量 试 验 结果 见 图 。 空 载时在外套 〕上增加惯性质量 的实验 结果 见 图 。 这二者 均与经典理论吻 合 。 汾卜 。 盈户‘ ‘ ﹄一 配 ，笠 印 图 工 团 的 凡 凡 弹性负载 ， 对谐 频 的影 响 使 用模其 外套情况下的谐 频偏移 图 惯性负载 。 对谐 频 的影响 为了工 艺上的方便 ， 我们设计 了模具外套 〔 〕 ， 研究这种实 · 际冷拔状 态 时 的弹性 、 惯性 负载的影响 ， 得到 以下结果 。 弹性无功负载使谐频略有上升 我们对铝管 、 黄铜管 、 紫铜管 、 钢管 、 钢 丝进行 了 组 弹性负载试验 。 参数范围如表 所示 。 表 弓单性负载试验参数 屈 服点 的力 外径 范围 壁厚范 围 变形率 试脸组数 小 一 一 … 弹性力性质 压缩性拉伸性 小 压缩性 一材一打管窄丝鉴一种，全 一 一 一 一 一 一 一 口 一 一 伙 气 一 ， ， · 一 ‘ 产 一 一 一。 一 二 。 ， 一 肠 ， 加 一 ‘ 一一一— 臼目冲 目口 灯 。 二 、 舀 图 图 中 使 用 外套 时弹性负载及 惯性负载对谐 频影响 惯性负载 与对应 谐 频 弹性负载 与对应 谐 频 一 铝 管， 一 铜管 一 钢丝， 一 钥替

试验结果表明：在使用外套传振系统情况下，谐频随弹性无功负载的增长而略有增加， 总的偏移很小。 试验结果的典型曲线见图8中的3、4曲线。 在使用外套时，谐振频率偏移不大，是因为：其一外套截面积较大，相对弹性应力较 小，其二施弹性力点与死点（固定点）距离较短，相对弹性变形量小。 (2)惯性无功负载使谐频下降 我们认为惯性负载是由于质量及波动的加速度引起的，因此在波没有传到的部位或不与 系统某点一起做加速运动的部分，是不会产生惯性负载的。 为研究拔制金属的总质量对频偏的影响，我们首先研究了声波在金属上传播的情况。 声波经变形区向被加工金属上传播，由于变形区是一金属的塑性流动区，声波传插受到 很大阻得〔10)，但仍有一部分传到变形区外的金属上。其衰减情况如图9所示。其中振幅A 为一相对值。 2.0 1.5 1.0 0.5 6 0.2 0.3 0.4 0.5(m) 图9声波在故找制金属上的衰减 随着金属离变形区的距离1的增加，A值衰减，由图中可见，离变形区300~100mm处 振幅值相对于接近变形区处已大大衰减。这时被加工金属的质量，拔制小车的质量均不能称 其为超声波振动的惯性负载了。 在变形区附近加于被加工金属上的质量，使系统的谐频略有下降，这种质量是对管材质 量的模拟。 我们对钢丝、铝管、紫铜管、黄铜管进行了16组这种类型的惯性负载试验。试验又分别 为有弹性力试验6组及无弹性力试验10组。参数范围见表2。 表2 轴向惯性负载试验参数范围 材种 附加惯性力M(kg) 变形区直径 d(mm) 弹性力(kg) 组数 管 材 0~8.95 中9.3φ20.0 0,320,350,850,2100 14 丝材 0～6.5 中5 0,70 2 在拔制伏态下，加于模套上的惯性质量对于谐频的偏移影响不大，只是使谐频略有下 降。在拔制铝管及铜管的3组试验中，在拔制力为350kg、2100kg;惯性增量8.95kg时， △f≤0.05千赫。 总的试验结果表明：在使用外套传振系统情况下，谐频随轴向惯性无功负载的增加而略 有下降，总的偏移不大。 试验结果中的典型曲线见图8中的1、2曲线。 50

试 验结果 表明 在使用外套传振 系统情况 下 ， 谐 频随弹性无功 负载的增长而略有增加 ， 总的偏 移很小 。 试验结果 的典型 曲线见 图 中的 、 曲线 。 在使用外套时 ， 谐振频 率偏 移不大 ， 是 因为 其一外 套截面 积 较大 ， 相对弹性应力较 小 ， 其二施 弹性力点 与死点 固定点 距 离较短 ， 相 对弹性 变形量小 。 惯性无功负载使谐频下降 我们认为惯性负载是 由于质 量 及 波 动的加速度引起 的 ， 因此 在波没有传到的部位或不 与 系统 某点一起做加速运 动 的部分 ， 是 不会产生惯性 负载的 。 为研究 拔制 金属 的 总质最对频偏 的影响 ， 我们 首先研 究 了声波在金 属 上传播的情况 。 声 波经变形区 向被加工 金属 上传播 ， 由于 变形 区是一 金属 的塑性流动 区 ， 声 波传插受 到 很大阻碍 〔 〕 ， 但仍 有一部分传到变形 区外 的 金属 上 。 其衰减情况 如图 所示 。 其 中振幅 为一相对值 。 卜了 一 ，， ‘ 一，护甘 、 岔冤犷 一了广一一丈厂一一二八动 图 声波在被拔制金 属上 的衰减 随着金属离变形 区的距 离 的增加 ， 值 衰减 ， 由图 中可见 ， 离变形 区 处 振幅值 相对于 接近 变形 区处 巳大大衰减 。 这 时被加工金属的质 量 ， 拔制 小车的质 量 均不能 称 其为超声 波振动 的惯性负载了 。 在变形 区附近加于被加工金属 上的质 量 ， 使系统 的谐频略有下降 ， 这种质 量是 对管 材质 的模 拟 。 我们对钢 丝 、 铝管 、 紫铜管 、 黄铜管进行 了 组这种类型 的惯性负载试 验 。 试验 又分 别 为有弹性力试验 组 及无 弹性力试验 组 。 参数范围见表 。 表 轴 向惯性负载试验参数范围 材 种 …附加惯性力 “ 幼 ， 材 … 。 一 变形 区直径 弹性力 小 小 ，︷ ， ， ， 丝 材 小 ， 在 拔制状态 下 ， 加于模 套上的惯性质量对于 谐 频 的偏移 影响 不大 ， 只是使谐频 略有下 降 。 在拔制 铝管 及铜管 的 组试验中 ， 在 拔制力为 、 ， 惯性增 时 ， △ 《 千赫 。 总的试 验结果表 明 在使用外套传振系统情 况 下 ， 谐频 随轴向惯性无功 负载的增加 而略 有下降 ， 总的偏移不大 。 试验结果 中的典型 曲线见图 中的 、 曲线 。 攀

频偏之所以不大，是因为超声振动在管材上已大大衰减。 (3)弹性、惯性负载在外套传递系统中引起的频偏统计 这里讨论的是实态拔制下的频偏。这时因外套径向惯性已固定，故仅考虑管子质量引起 的轴向惯性频偏。统计结果如表3。 表3 器性、惯性负载引起的频偏值统计 材 质 尺寸馨 负载性质 负载力 空载频率f。 有载频率f 频偏△f, 注 备 钢 管 中16.00×2.00 弹性负载 2.3T 18.63KC 18.68KC +0.05KC锥套系统 φ12.90×2.20 φ16.00×2.00 2.1T 18.64KC +0.01KC Φ12.92×2.30 18.63KC 桨铜管 φ19.00×1.10 0.95T 18.51KC 18.60KC +0.09KC φ12.00×1.20 钢 丝 φ6.00 0.66T 18.50KC 18.62KC +0.08KC φ4.94 中6.00 0.65T 18.50KC 18.53KC +0.03KC φ4.94 黄铜管 中18.90×1.23 1.4T 18.78KC 18.83KC +0.05KC Φ12.90×1.26 铝 管 φ20.00×1.70 0.5T 18.68KC 18.71KC +0.03KC 中12.90×1.78 铅 管 φ19.00×1.60 0.41T 18.71KC 18.76KC +0.05KC 中12.92×1.60 钢 丝 中6.00 惯性负载 6.5kg 18.65KC 18.65KC 0 φ5.00 铅 管 中12.90×2.60 18.90KC Φ12.90×2.60 6.9kg 18.90KC 0 黄铜管 中13.00×1.40 Φ9.30×1.40 8.95kg 20.91KC 20.90KC -0.01KC 阶梯套 系统 浆铜管 φ25.80×2.00 Φ20.00×2.00 7.20kg 18.54KC 18.51KC -0.03KC锥套系统 铝 管 φ23.00×1.00 8.95kg 19.00KC 18.95KC -0.05KC φ20.00×1.00 注黄尺寸栏中分子为找前尺寸，分母为搜后尺寸。 普0△f=f一f。 统计的结果表明：使用外套时，弹性与惯性无功负载引起的频偏值|△f|<0.1KC。 51

频偏之所 以 不大 ， 是 因为超声振 动在管材上 已大大衰减 。 弹性 、 惯性负载在外套传递 系统 中引起的频偏统 计 这 里讨论的是实态 拔制下的频偏 。 这 时 因外套径 向惯性 巳固定 ， 故仅 考虑管子质 引起 的轴向惯性频偏 。 统计结果 如表 。 表 慧性 、 惯性负载引起 的频偏值统计 立宜匕全匕二巨竺巨丝阵 载频机巨鲤障 偏△叫兰生 ” ， 一 ·…一 … 一…赢卜 。 一 万德蕊爵厂一「一阵 一和 … 。 。 叫 一下 赢磊禹… · 。一 卜二 卜 。二 卜 。 一 ” · ’ 篇 一 ， 牙厂 一杯应厂丁万 一 一 万 不丽蔽石…认赢万瓜 赢蕊下厂 二，吕 二卫望巴竺工旦一一 …一二公一二二一止二二一上二二‘ 止一一 管 …斋黯指 一 … · 。一 卜 卜 · 卜 。一 · 丽计 一 瓢一卜 载…一刃 · ‘ 叫 一 而 一 词二 一 …一 ‘ 儡 器器 … · ’ 一 一 一… 。 … 一 一 下 痴 一 …瓮斋爵一 一 」 。一朴 。 。 。 。 …一 。 。 。 嚓 护 一 中 ” ” ‘ ’ · ” ” 一 ’ 一 卜 一 ’ 一 一 ’ 一 一 ’ 注 尺 寸栏 中分 子 为拔前尺 寸 ， 分 母 为拨后 尺 寸 。 一 一 △ ‘ 。 统计的结果 表 明 使 用外套时 ， 弹性 与惯性无功 负载 引 起的频 偏值 △ 。

三、发生器输出功率对传声系统频率的影响 在我们所应用的超声波电声换能方式一振子磁致伸缩换能器条件下，考虑超声波发生 器输出电流将引起镍及波莫（均为铁磁性物质）振子的杨氏模量E发生变化，这种效应一般 称之为△E效应〔6)，见图10。 所以说，发生器的输出功率将对振子一聚能杆一外套等组成的声传递系统频率产生 影响。 随发生器输出功率W。增加，振子磁场强度增加，E值增加，使声速C上升。给定系统的 波长入不变。 AE×102 14f 12 20,8 10 20.6 B 20.4 A- 超声波发生器阴极电洗 20.2 《A) 20.0 50 100 150 200 0.20.40.60.8Ar 图10△E效应(A:硬Ni, 图11 坡莫合金振子发生器 B:中硬，C,软Ni) 功率对频率影响 C=λf, (20) ∴.频率将上升。 实验为两组，分别为坡莫合金振子加传递系统及镍振子加传递系统。结果见表4，表5、 图11(11)。 表4坡莫振子条件下超声输出功率对频率的影响（这里以A,代替W。) A:(A) 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 W。(KW) 0.06 0.16 0.30 0.53 0.77 1 1.05 f (KC) 20.60 20.70 20.85 20.90 20.85 28.85 △f米黄(CK) -0.25 -0.15 +0.05 0 0 表5 镍振子条件下超声输出功率对频率的影响** 补着0种 A:(A) 0.4 0.5 0.55 0.7 0.9 1.1 W。(KW) 0.16 0.30 0.42 0.77 1.30 2.05 f (KC) 18.63 18.70 18.69 18.70 18.71 18.68 △f(KC) -0.07 0 -0.02 0.01 0.01 -0.02 注”在找制力P=0时做出表4数据。 种黄 △f=f-f。.8,其中f为对应A:的谐频，f。.为当A1=0.5时的谐频。 襟在投制力P=350kg时做出表5数据。 0#餐稀A!为发生器阴极电沈值

三 、 发生器 输 出功率 对传声 系统频 率的影 响 在我们所应 用 的超声 波 电声 换能方式— 振 子磁致伸缩换能 器条件下 ， 考虑超声 波发生 器 输出 电流将引起镍 及波莫 均为铁磁性物质 振 子 的杨 氏模 量 发生变化 ， 这种效应一般 称之为△ 效应 〕 ， 见图 。 所 以说 ， 发生器 的输出功 串将对振子— 聚 能杆— 外套等组成的声传递 系统频 率产生 影响 。 随发生器 输出功率 。 增加 ， 振子磁场 强度增加 ， 值增加 ， 使声速 上升 。 给定系统的 波长 入不变 。 犯 一， 、 ， 产尸尸 月尸产一 月 ， 尸 沪口声 一 名 。 松 。 一 超声波发生器阴极电沈 叨 叨 二的 刻 ， 一一一一 一一—一妙， 八犷 图 △ 效应 硬 ， 中硬 ， 软 图 坡 莫合金 振 子 发 生 器 功率对 频率影 响 ，’ 久 一 ， ’ 频 率 将上 升 。 实验为两组 ， 分别为坡 莫合金振 子加传递 系统 及镍振子加传递系统 。 结果 见表 ， 表 、 图 〕 。 表 坡 莫振子条件下超声 输出功 率对频 率的影响 赞 这 里 以 ，代替 。 一 · · · ” 。 。 一 · … 一 · 一 。 ‘ 竺﹃︸︸ 表 镍振子条件下超声 输出功 率对频率的影响料 井 ‘ …， 、 ‘ 了、 ‘ 、 二、 △ 一 一 。 一 注赞 在拔制力 时做 出表 数 据 。 ， ‘ △ 一 。 。 ， 其 中 为对应 ， 的谐 频， 。 。 为 当 。 时的谐 颇 。 费 在拔制力 时做 出表 数据 。 料” ，为发生器 阴极 电流值

我们经常使用的超声功事（以发生器阴极电流计）均大于0.5A,这时的谐频偏移值 I△|≤0.05千赫。由理论可知，因为使用的是软态的镍片或坡莫合金片，这时△E效应已 进入饱合区。 四、直流励磁工作点对谐振频率的影响 采用磁致伸缩振子时，应先建立直流励磁工作点。直流对频偏的影响从理论上讲，也是 △E效应的影响。实验结果见表6： 表6 直流工作点对频率的影响 直流励磁电流A(A) 6.4 5.4 4.6 2.4 传递系统谐频f(KC) 18.72 18.715 18.71 18.72 试验条件，发生器阴极电流A:=0.7A,振子回路交流电流A.=3.4A。 由表中可见，直流值对频偏的影响≤0.01KC。 五、外套传声系统中，频偏对超声功率发挥的影响 这里我们以减力率g说明频偏对功率发挥的影响。典型的频率一力示波图如图12。(g =△P/P，P为无超声波时拔制力、△P为有超声波时拔制力下降值。) 表7 图12的说明 序 号 1 2 3 4 5 减力频率f(KC) 19.2 19.1 19.0 18.9(f18.) 18.8 △f=f-f18.(KC) 0.3 0.2 0.1 -0.1 0.6 5.4 8.5 158 9.5 超声波停 加超声波 P=470kg1 2 基线 图12频偏对拔制力的影响 六、实际拉拔状态下的频率偏移 实际超波振动外模拉拔时，负载、功率、流的影响是综合性的。 我们进行的实际超声拉拔试验，在塑性变形的频率偏移值（相对静态下）范图为0.01~ 53

我们经 常使用的超声功率 以发生器 阴极电流计 均大于 。 ， 这 时 的 谐 频 偏 移值 △ 《 千赫 。 由理论可知 ， 因为使用的是软态的 镍片或坡莫合金片 ， 这时 △ 效应 已 进入 饱 合 区 。 四 、 直流励 滋 工 作点对谐振 频 率的影 响 采用磁 致伸缩振子 时 ， 应先建立 直 流励磁工 作点 。 直 流对须偏 的影响从理论上讲 ， 也 是 △ 效应 的影响 。 表 办自 实验 结果 见 表 直 流工 作点 对频 率的影响 式 直 流励磁 电流 碑去 一 一 一一 一 传递系 统 谐频 · ’ 。 试验 条件 发生器 阴极 电流 ， 。 ， 振子 回路交流 电流 。 由表 中可 见 ， 直流值 对频偏 的影响 。 五 、 外套传声 系统 中 ， 频 偏 对超 声功率发挥的影 响 这里我们 以减力率 说 明频偏 对功 率发挥 的影响 。 典型 的频率— 力示 波图 如图 。 △ ， 为无超声波 时拔制 力 、 △ 为有超声 波时拔制 力下降值 。 表 图 的 说 明 而不下… 生上 三 一 。 ， … 一 一 】 ， ’ 二一生址一 加超声波 超声波停 吕 基 线 图 频偏对拔 制力的影 响 六 、 实 际拉 拔 状态下 的频 率偏 移 。 实际超，汀波振 动外模 拉拔时 ， 负载 、 功 率 、 直 流 的影 响是 综 合性的 。 奋 我们进行 的实际超声 拉拔 试验 ， 在塑 性变形 的频 率偏 移值 相对静态下 范围为

0.09KC。 实验条件为：拔制力范围2.5T一0.35T,材质为钢丝、钢管、紫铜管、黄铜管、铝管 等。 七、结 论 1.弹性负载及惯性负载对超声波振动冷拔而言是无功负载。二者均使传声系统发生频 偏。 2.在使用外套传声系统、2KW超声波发生器、直流励磁电源一套系统的条件下，负 载、发生器输出功率、直流电流对于频率的影响均小于0.1KC。 3.在上述系统中进行超声拉拔，综合各种因素影响，频偏很小，考虑无采用自激频率 跟踪系统的必要。 主要参考资料 〔1)岛川正宪：超音波工学〔日)1971， 〔2)一机部情报所，超声波加工机床《金属切削机床》NO9. 〔3)凌尔昌等：超声波在黄铜毛细管拉拔中的应用1981. 〔4)李连诗、韩观昌：钢管轧制挤压拉拔工艺理论北京钢院1980. 〔5)几.Π.CHnKH:y nbrpa3 By KoBa月cBapka〔苏) 〔6)L.BERGMANN:超声。曹大文等译1964. 〔7)井上昌夫：开发进心超音波塑性加工法《材料加工》〔日)1974.10. 〔8)H.T.Kparenbcxu、L.3.BKHorpa:《摩擦系数》1955. 〔9)李连诗、钟轼、张力行：声速的影响因素及模具外套的声速修正经验公式（见本 刊) (10)Johns.Rinehart:STESS TRANSIENTS IN SOLIDS.Hy per Dy na- mics 1975. 〔11)胡少宏：超声波拔管工艺中振动源的设计北京钢院内部资料 〔12)钟轼，关于超声波振动拔管几个问题的研究北京钢院研究生学位论文1982. 54

。 实验条件为 拔制力范围 一 ， 材质为钢丝 、 钢管 、 紫铜管 、 黄铜管 、 铝管 等 。 七 、 结 论 弹性负载及惯性负载对超声 波振动冷拔而 言是无功 负载 。 二 者均使传声系统发生频 偏 。 在使用外套传声 系统 、 超声 波发生器 、 直 流励磁 电源一套 系统 的条件下 ， 负 载 、 发生器 翰出功率 、 直流电流对于频 率的影响均小于 。 。 在 上述系统 中进行超声拉拔 ， 综 合各种 因素影响 ， 频偏很小 ， 考虑无采 用 自激频率 跟踪系统 的必要 。 主 要 参考资料 岛川正宪 超音 波工学 旧 〕 一机部情报所 超声波加工机床 《 金属切 削机床 》 凌尔 昌等 超声波在黄铜毛细管拉拔中的应 用 李连诗 、 韩观 昌 钢管轧 制挤压拉拔工 艺理论 北京钢院 ’ 刀 二 二 妞 二 、 二 二 〔苏〕 超声 。 曹大文等译 井上昌夫 开发进 仓超音波塑 性加工 法 《 材料加工 》 〔 日〕 二 、 ， 益、 皿 《 摩擦系数 》 李连诗 、 钟轼 、 张力行 声速的影响因素及模具外套的声速修正 经验公式 见本 刊 护 胡少宏 超声 波拔管工艺 中振动源 的设计 北京钢院内部 资料 钟轼 关于超声波振动拔管几个问题 的研究 北京钢 院研究生学位论文 护产、、护‘产硬户夕、矛、、 户声、‘工、、声产里 八甘二，自 、、工卫 、子、‘产 立，且，占 乒咯