Chương 2 Tổng quan về rung động siêu âm trợ giúp gia công
2.5. Hệ thống thiết bị tạo rung trợ giúp gia công
2.5.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Đầu tạo rung kiểu Langevin bằng hiệu ứng áp điện được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị siêu âm công suất lớn. Kiểu đầu rung này có dải tần số cộng hưởng rung động siêu âm rộng, hệ số phẩm chất cơ học cao, có thể tạo công suất lớn phù hợp với các ứng dụng đối với đầu rung chịu tải. Vật liệu áp điện có thể làm phát sinh rung động có tần số bằng tần số nguồn điện, biên độ tỷ lệ thuận với điện áp.
Thiết kế hình 2.37 là một dạng kết cấu cơ bản nhất của bộ tạo rung kiểu Langevin với chiều dài nửa bước sóng. Một thiết kế khác sử dụng kết cấu bộ chuyển đổi có chiều dài bằng số nguyên lần nửa bước sóng dọc, như minh họa trên hình 2.38.
Cấu tạo bộ chuyển đổi siêu âm dạng Langevin gồm 2 khối kim loại có vai trò kẹp các tấm áp điện PZT ở giữa. Tấm kim loại phía sau (Tail/ back mass) có khối lượng riêng lớn (vận tốc truyền âm nhỏ) để chặn sóng âm. Tấm phía trước (Head/ front mass – tiếp xúc với bộ khuếch đại Booster) có khối lượng riêng nhỏ để truyền sóng âm về phía trước. Vật liệu và kích thước 2 tấm này quyết định tần số làm việc của bộ chuyển đổi. Hình 2.39, mô tả cấu trúc của một bộ chuyển đổi (bộ phát rung siêu âm).
(a) Dạng đủ một chiều dài bước sóng (b) Dạngchiều dài 3 nửa bước sóng;
(c) Dạng chiều dài nửa bước sóng, bu lông kẹp ngoài
Hình 2.38. Các dạng kết cấu đầu chuyển đổi rung động siêu âm khác.
Hình 2.39. Mô hình 3D bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin (Ultrasonic transducer)
Các tấm áp điện PZT có đặc tính là không có khả năng chịu kéo. Việc sử dụng bu lông kẹp sẽ tạo biến dạng nén dư ban đầu. Khi có điện áp thay đổi tác dụng lên các tấm PZT, hiệu ứng áp điện sẽ làm tăng hoặc giảm biến dạng nén. Phương án chế tạo bộ tạo rung siêu âm sử dụng các tấm áp điện dạng đục lỗ là thông dụng nhất, cho kết phép tạo cấu nhỏ gọn và thuận tiện cho việc khai thác nhất.