超声珩齿振动系统的设计方法及其动力学特性

超声辅助珩齿是一项应用前景良好的齿轮精加工方法,其振动系统的设计是关键技术之一。分析了变幅杆和齿轮振动时的耦合关系,对振动系统做了合理简化。在此基础上,结合边界条件,提出一种新的振动系统设计方法,并利用它设计了变幅杆,分析了变幅杆和齿轮的动力学特性。通过与有限元分析及试验结果比较,说明所提出理论模型是完全合理可行的,实例计算结果比有限元分析结果更接近实测值。所获得的结论对超声珩齿振动系统的设计有一定的指导意义。     

一种适用于声化学的新型复合超声变幅杆

提出一种新型复合超声变幅杆,该变幅杆总长为一个波长,由五段组成,其中三段为等截面圆柱杆,两段为变截面圆柱杆。给出了该类复合变幅杆的设计方法,并计算了两个实例。结果表明,和普通使用的半波长复合变幅杆相比,该类复合变幅杆具有在不减少甚至增大辐射面积的情况下放大振幅的特点,这对提高整个超声系统的辐射声功率和辐射效率具有积极意义。此类复合变幅杆特别适合在声化学等超声液体处理领域使用。     

微超声振动细胞切割系统中变幅杆的分析与设计

针对细胞微超声振动切割系统对超声变幅杆的要求,将等截面圆柱形阶梯变幅杆的一端替换成圆锥形变幅杆构成一种复合圆锥阶梯形变幅杆。由任意变截面杆纵向振动的波动方程出发,推导了复合圆锥阶梯形变幅杆的基本理论参量,设计了超声变幅杆的基本结构,给出其制造尺寸。并应用有限元法对变幅杆进行了模态分析,得到了共振频率和位移节点等重要参数。     

纵—扭复合振动模式超声变幅杆研究

本文对窄端带有均匀截面直棒的指数型纵-扭复合振动模式超声变幅杆进行了理论及实验研究,推出了该复合模式变幅杆纵向振动及扭转振动的共振频率方程。为了克服同一变幅杆纵向与扭转振动很难实现同频共振的问题,提出了一种通过改变指数型变幅杆的截面变化规律而实现改变纵向及扭转振动传播速度的方法。通过合理选择指数变幅杆的截面半径减缩系数(即参数β),实现了纵-扭复合变幅杆纵向振动与扭转振动的同频共振。实测结果表明,共振频率的理论值与测试值基本一致,变幅杆纵向及扭转振动共振频率的测试值也比较符合。该变幅杆具有比较高的位移放大系数。可望应用于超声加工、超声疲劳实验及超声焊接等功率超声技术中。     

两级阶梯形变幅杆设计及优化

基于ANSYS workbench多目标驱动优化模块对两级阶梯形变幅杆进行优化设计。基于解析法设计两级阶梯形变幅杆,建立参数化变幅杆模型;在静力学分析基础上对变幅杆进行模态、谐响应分析。通过52个设计点仿真分析获得谐振频率、放大系数、最大应力与变幅杆结构尺寸关系,并优化变幅杆尺寸。研究表明,变幅杆谐振频率小于理论设计频率,振幅放大系数小于理论值,超声能量损耗较大。优化所得变幅杆的谐振频率接近理论设计频率,提高放大系数。为大功率、大振幅的超声变幅杆优化设计提供新的设计、优化思路。     

四端网络法统一变幅杆的性能参量

超声变幅杆是超声加工装置中的一个重要的组成部分,其种类较多,且每一种类的各项参数计算较复杂和繁琐,给实际设计带来困难。利用四端网络的方法,对各类型变幅杆的性能参量,包括频率方程、放大系数、位移节点、输入阻抗等性能参量进行了统一表达,大大简化了变幅杆的计算,便于工程设计。     

新型齿轮超声加工纵向振动系统的设计

在传统的齿轮纵向振动系统中,齿轮与变幅杆耦合处振幅较小,导致齿轮端面输出振幅偏小,满足不了齿轮超声加工的要求.基于非谐振设计理论和全谐设计理论,设计了一种新型齿轮纵向振动系统,该振动系统由齿轮与圆柱杆耦合振动单元、换能器、半波长圆锥形变幅杆组成,齿轮与变幅杆耦合处振幅较大,增大了齿轮端面的输出振幅.圆锥变幅杆形状参数固定时,齿轮分度圆直径和圆柱杆直径对齿轮端面的输出振幅没有影响,减小圆锥变幅杆小端直径可以增大齿轮端面的输出振幅.通过有限元分析和谐振特性实验验证这种新设计方法的可行性.研究结果为齿轮振动系统提供了一种新的设计方法,对齿轮超声加工工艺的工程应用具有重要意义.     

超声变幅杆与杯型工具一体化设计

基于细长杆纵振理论和薄圆盘振动理论,针对超声变幅杆与杯型工具开展一体化设计研究。通过分析各段的振动模态,将超声变幅杆和杯型工具的振动分为"纵-弯-纵"三个部分,分别建立三段位移和应力函数及边界条件,推导得出超声变幅杆和杯型工具的总体频率方程。根据得到的总体频率方程,设计出典型的超声变幅杆和杯型工具。对所设计的超声变幅杆和杯型工具的振动性能进行有限元分析和试验测试,分析和试验结果表明,超声变幅杆和杯型工具谐振频率的设计结果和有限元分析及测试结果的误差均在10%以内,验证了所建立的超声变幅杆和杯型工具的频率方程的正确性,并分析了各段长度和半径对超声变幅杆和杯型工具谐振频率的影响规律,为其谐振频率的修正提供了依据。     

A2弯曲振动变幅杆的设计

按照一般的变幅杆设计理论，超声弯曲振动变幅杆的设计将会非常复杂，为满足工程上的需要，我们在本文中给出一种简单的近似有效的弯曲振动变幅杆的设计方法，并以纯弯曲理论来分析其放大倍数，在考虑了转动惯性及剪切形变的影响后，还阐述了更精确的设计理论，通过实验发现实测的变幅杆谐振频率很接近于理论设计值     

A2 弯曲振动变幅杆的设计

按照一般的变幅杆设计理论，超声弯曲振动变幅杆的设计将会非常复杂，为满足工程上的需要，我们在本文中给出一种简单的近似有效的弯曲振动变幅杆的设计方法，并以弯曲理论来分析其放大倍数，在考虑了转动及剪切形变的影响后，还阐述了更精确的设计理论，通过实验发现实测的变幅杆谐振频率很接近于理论设计值。     

超声珩齿中弯曲振动变幅器的设计与研究

齿轮是超声珩齿加工中的一类特殊负载,它的振动特性和固有频率对系统的加工频率影响很大.由于齿轮的尺寸和质量大,且其尺寸不能任意更改,现有的振动系统设计理论,如全谐振设计理论、质量置换理论、局部共振理论等,都不能适用于这一情况.为解决此问题,应用Mindlin中厚板理论、变幅杆设计原理和机械阻抗理论对由变幅杆、齿轮组成的变...     

内柱孔和内锥孔圆柱形变幅杆

激光和水射流是对陶瓷等易碎材料进行辅助打孔的传统方法,其设备存在大而复杂等缺点。加工陶瓷等易碎材料时,利用超声振动的带孔变幅杆的设备比起传统的利用激光和水射流的的设备更简易和小型化,因此,超声加工受到了人们的重视。文章对中心孔分别为柱形和锥形、外形为圆柱形的超声杆件,基于解析法推导了这两种孔型变幅杆的频率方程及性能参数表达式,分析了不同参量对其性能参数的影响,并利用有限元法计算了在谐振状态下这两种变幅杆的应力及振动位移沿轴向分布的规律。结果表明,在相同谐振频率及面积系数下,带孔变幅杆的放大系数大于实心圆柱杆的放大系数;锥形孔变幅杆的放大系数小于柱形孔变幅杆的放大系数,但前者应力曲线光滑且应力极大值较小。     

Sandwiched piezoelectric ultrasonic transducers oflongitudinal-torsional compound vibrational modes

Sandwiched piezoelectric ultrasonic transducers of longitudinal-torsional compound vibrational modes were studied. The transducers consist of coaxially segmented, longitudinally and tangentially polarized piezoelectric ceramic rings, a back metal cylinder, and a front exponential solid metal horn. Based on the plane-wave approximation, the equivalent circuits of the longitudinal and torsional vibrations in the sandwiched transducer were obtained and the resonance frequency equations of the transducer in longitudinal and torsional vibrations were derived. By means of choosing the radius decay coefficient of the front exponential horn, the longitudinal and torsional vibrations are made to resonate at the same frequency in the transducer. Sandwiched piezoelectric ultrasonic transducers of longitudinal-torsional compound modes were designed and fabricated according to the frequency equations. It is demonstrated that the measured resonance frequencies of the transducers are in good agreement with the theoretical results, and the measured resonance frequencies of the transducers in longitudinal and torsional vibration modes are also in good agreement with each other. Theoretical and experimental results show that this kind of transducer can be used in ultrasonic welding, ultrasonic machining, ultrasonic motors, and other ultrasonic applications which need large displacement amplitudes     

Design of Ultrasonic Horns by Photomechanics Methods

Abstract:  In this paper, novel applications of experimental mechanics for verifying the design of ultrasonic horns for ultrasonic flip-chip bonding are reported. Two photomechanics methods, i.e. amplitude-fluctuation electronic speckle pattern interferometry (AF-ESPI) and laser Doppler vibrometry were employed to measure the deformation of the ultrasonic horns. The experimental results confirmed the purely longitudinal resonant mode, the location of the nodal point and the high degree of coplanarity of the horn designed earlier by computer simulation.     

余弦形负载超声变幅杆输入阻抗特性的研究

研究余弦形负载超声变幅杆输入阻抗特性。求解了加负载时四种超声变幅杆的输入阻抗,得到加负载时输入阻抗和M"obius变换参数的统一算式。当变幅杆的输入抗分量为零时,计算了余弦形负载变幅杆的纵向振动共振频率方程和放大系数。由输入阻抗的表达式讨论了此类变幅杆的工作稳定性条件和相对阻抗相等点,对余弦形变幅杆的实际应用有一定的参考意义。     

考虑负载影响的阶梯形超声变幅杆动力特性

考虑与加工工件表面高频重复撞击对结构动力特性的影响,基于瞬态波传播理论,研究周期激励下阶梯形超声变幅杆重复撞击加工工件的瞬态动力响应,及负载对变幅杆放大特性的影响。首先,建立阶梯形变幅杆力学模型,采用瞬态波响应法分别对接触过程和分离过程动力控制方程进行求解,得到适用于任意级数的阶梯形变幅杆的特征项传递函数,和重复撞击系统的瞬态响应理论解。以工程中常用的三级阶梯形变幅杆为算例,分析了不同外载频率下变幅杆重复撞击动力特性和负载工件对变幅杆聚能效果的影响,得出考虑加工件撞击产生的瞬态响应下的变幅杆放大系数,小于自由振动空载的设计值。可为精细超声加工变幅杆的设计提供更为精确的理论依据     

抛物线型超声变幅杆的探讨

提出了一种新型的变幅杆-抛物线型变幅杆。根据变截面杆纵向振动的波动方程,推导出抛物线型变幅杆的频率方程、节点位置方程、放大系数、形状因数等参数,并用有限元软件ANSYS分析了几个半波长抛物线型变幅杆,得出共振频率。结果表明:抛物线型变幅杆在保持圆锥变幅杆形状因数较大的优点上,放大系数有所提高;有限元分析结果与理论值符合的较好。     

ANSYS辅助楔形超声波聚能器的优化设计和实验研究

使用有限元分析方法,设计了一种楔形超声波聚能器。通过对其进行模态分析和谐响应分析,优化聚能器的结构,保证所设计的聚能器能具有较纯的纵振模式、辐射面振幅分布均匀。为了验证有限元分析结果,在水介质中进行了相关的空化腐蚀实验。实验证明,聚能器工作时,辐射面振幅分布均匀性较好,侧面无明显横振。     

大尺寸超声振动体的研究

文章中介绍了大尺寸超声振动体的研究进展。包括分析耦合振动的表观弹性法；用表观弹性法对短圆柱体、空心圆柱体和矩形六面体的振动进行分析；用开槽、开狭缝、附加弹性体和二次设计等方法对超声振动体的振动进行控制。对有关结果与用有限元方法进行计算的结果进行了比较，并作出了评价。