纵扭复合超声换能器的频率灵敏度及其结构优化研究

针对现有超声换能器结构设计方法存在效率低、计算繁琐及与实际应用偏差较大等问题,提出了一种基于有限元模态频率灵敏度的结构优化方法.本文以纵扭复合超声换能器为例,从传统解析法与实际应用尺寸边界约束条件相结合角度,初步确定换能器结构参数;在此基础上,采用模态频率灵敏度方法,通过改变对换能器模态频率影响较大的主要结构参数值,优化得到符合实际应用的换能器结构,并通过阻抗分析与振幅测试试验对结构模型进行了验证.试验结果表明,换能器谐振频率为27.6 kHz,纵向振幅为4μm,扭转振幅为1.33μm,纵扭比为33.25％,与仿真值相比误差较小,能够实现纵扭复合振动,且谐振频率、振幅及阻抗均可满足大部分超声加工要求,验证了设计方法的有效性及结构设计的合理性.     

非均匀介质超声铣削系统振动特性研究

采用纵扭复合超声振动铣削进行加工时,由于加工中心等空间受限场合对超声振动系统的尺寸限制,利用四分之一波长理论设计集换能器和复合变幅杆为一体的非均匀介质超声振动变幅系统,在变幅杆部分设计螺旋槽结构实现纵扭共振,并研究纵扭模态转换理论。对非均匀介质变幅系统进行有限元分析,仿真结果表明纵振系统固有频率理论值与仿真值接近,偏差仅为0.245%;对螺旋槽结构进行仿真发现槽深对其对超声变幅系统固有频率、扭纵幅值比例影响较大,螺旋角的影响次之,槽宽影响最小,振动系统测试实验表明固有频率和扭纵幅值比的仿真结果与实验结果变化趋势一致。分别对TC4钛合金和C/C碳纤维进行纵扭超声振动铣削和传统铣削实验对比,结果显示相对于传统铣削,在纵扭超声振动铣削加工中两组材料表面粗糙度值Ra分别下降78%和47%。纵扭复合非均匀介质超声振动铣削系统结构简单紧凑、振动幅值和方向可控性较好,采用纵扭超声振动铣削能有效提高工件表面加工质量。     

超声波去除小孔毛刺试验及装置中变幅杆设计

根据超声波去除毛刺的原理设计了去除小孔毛刺试验装置;运用声学波动理论设计了单一纵振圆锥过渡阶梯形变幅杆,并对纵扭共振变幅杆的结构进行了设计;通过ANSYS仿真分析,得出了纵扭共振变幅杆的结构参数对其谐振频率及扭转振幅与纵振振幅之比的影响规律,并由此规律设计出纵扭共振变幅杆实例;将所设计的单一纵振与纵扭复合振动变幅杆用于超声去毛刺的试验。结果表明:所设计的变幅杆有较好的振动性能;在磨料悬浮液浓度处于合适的范围内,纵扭复合振动较单一纵振对毛刺有更好的去除效果。     

超声纵-扭复合空心变幅杆的振动特性分析

超声纵-扭复合振动加工具有加工效率高、切削力及切削热量较低、可降低刀具磨损等优势,而纵-扭复合空心变幅杆可提供较好的冷却和排屑效果。利用四端网络法设计了圆锥过渡空心复合变幅杆,在其锥面开设螺旋沟槽作为"模态转换器",从而在变幅杆末端成功输出纵-扭复合振动。通过有限元仿真探究了螺旋沟槽数目n、螺旋沟槽角度θ及沟槽槽宽w对谐振频率f的影响规律及敏感度,结合中心孔直径d对变幅杆节点位置、谐振频率f、放大倍数m、扭纵分量比i等的影响规律,针对开设沟槽后频率偏移问题,提出一种谐振频率修正方法,并设计试验进行了验证。     

对滚式齿轮纵扭复合超声滚压系统设计与分析

为解决目前齿轮超声滚压强化因设备的限制及振动的单一性导致强化效率低、作用范围小等问题,提出了一种新的对滚式齿轮纵扭复合超声滚压系统,包括纵扭复合变幅杆及与之匹配的工具齿轮.基于理论计算的方法推导出圆锥形复合变幅杆频率方程,求得相关设计参数.在圆锥段开螺旋槽并装配齿轮,利用有限元分析方法研究纵扭复合振动、计算齿面处纵扭复合振动位移及轨迹.采用单因素变量法及有限元分析方法并引入参数扭纵振比,研究槽数、槽深、槽宽、螺旋角等不同螺旋槽参数对纵扭复合超声振动的影响规律,得到最优的参数组合,采用轻量化方法设计出工具齿轮.结果证明,纵扭复合变幅杆设计满足要求,齿轮轻量化设计并装配后得到有效纵扭复合振动.在圆锥形复合变幅杆圆锥段开槽可产生纵扭复合振动,扭转振动效果主要与螺旋槽槽数、槽深、槽宽、螺旋角等参数相关;与工具齿轮装配得到对滚式齿轮纵扭复合超声滚压系统,为新的齿轮纵扭复合超声滚压装置工作性能达成提供了技术支撑.     

超声振动系统的四端网络设计方法及其应用

从变截面杆作一维纵振动的运动方程出发，建立了机械四端网络的数学模型及传输特性方程，给出了几种常用变截面杆的四端网络传输参数。分析了超声换能器和变幅杆的频率方程及两端振速比，计算了超声手术刀振动系统的振型及应力分布。四端网络设计方法可有效地设计各种换能器。变幅杆以及由它们组合的复杂振动系统。     

面向岩石取样过程的超声纵扭变幅杆设计

针对超声岩石取样加工过程需要不同比例纵扭振动输出需求,设计一种具有斜槽结构的纵扭复合阶梯型超声变幅杆。根据超声变幅杆的纵扭复合振动机理,利用有限元法分析确定可产生扭转振动的带斜槽阶梯型变幅杆基本结构,研究斜槽结构参数变化对超声变幅杆输出纵振振幅与扭转振幅比值的影响规律。研究结果表明,在阶梯型变幅杆上合理设定斜槽的位置和结构参数可实现不同比例的纵扭振动输出,满足不同材质超声岩石取样加工需求。     

纵向压电式换能器模态分析及实验研究

超声换能器是超声加工乃至超声学的核心部件,在研究功率超声换能器基本理论的基础上,进行大功率纵向压电式复合换能器的研制,得出了适应超声加工的大功率纵向压电式换能器的合理结构形式和设计参数,确定了所用压电换能器结构参数及前后盖板振速比,并采用有限元法对换能器进行振动模态分析,确定换能器辐射端面的最佳振动模态及其纵向谐振频率,并通过实验研究加以验证.研究表明,换能器辐射端面振幅在谐振点处最大;当频率一定时,振幅随着功率的增大而增大,当频率离开谐振点频率越远,振幅逐渐减小.     

螺旋沟槽参数对纵-扭变幅杆振动分量的影响

为更好地探究纵-扭复合超声振动加工技术在硬脆材料加工中的优势,提出一种新型扭转振动测评方法,设计纵-扭复合超声变幅杆。首先,理论推导了螺旋沟槽结构的纵-扭模态转换,揭示了纵、扭振动分量对变幅杆振动轨迹的影响;然后,在有限元分析中定义了扭纵分量比j,并分析了螺旋沟槽数目n、螺旋角度θ和槽宽d等参数对扭纵分量比j的影响规律。结果表明:扭纵分量比j随螺旋沟槽数目n及槽宽d的增加而变大,随螺旋角度θ的增加而先变大后减小,并利用正交参数的极差分析法得到各参数对其影响力度大小的主次。通过实验验证了有限元分析结果。     

纵-扭复合模式压电超声换能器设计分析

提出了一种螺旋槽纵-扭复合模式振动压电超声换能器结构,并对其纵-扭复合模式振动进行了理论分析。重点研究了螺旋槽的尺寸对换能器频率的影响,通过模拟分析发现螺旋槽的深度对换能器的共振频率影响比较大,并得到了纵扭共振时换能器的几何尺寸。理论模拟与试验结果吻合较好。     

圆锥形复合变幅杆纵-扭复合振动的实现

为解决纵-扭复合振动超声加工中复合振动的实现难题,对单激励纵-扭复合振动圆锥形复合变幅杆展开研究。基于变截面杆一维纵向振动和扭转振动理论,推导出圆锥形复合变幅杆纵向振动和扭转振动的频率方程,并确定其振动特性参数。阐释了单激励下圆锥形复合变幅杆纵-扭复合振动的实现机理,并通过应用实例给予验证。理论计算、数值分析与测试结果表明,选择合适的几何结构参数,圆锥形复合变幅杆可以实现纵-扭复合振动。     

圆环斜槽传振杆的纵扭振动转换

工具的复合振动在切削和焊接加工中能得到优于单向振动输出模态加工的质量,并可大幅提高加工效率和延长工具寿命.利用圆环斜槽传振杆可使单向模态的纵振换能器实现超声纵扭共振模态的输出.这种方法结构简单、使用方便,并具有很高的转换效率.研究从斜槽对应力波的反射作用原理出发,推出纵波在斜槽作用后的应力波应力状态.研究这种应力波在圆环斜槽传振杆中的传播形式,指出它是沿螺旋线传播的主应力波并推出了其传播声速.在此基础上,证明圆环斜槽传振杆存在纵扭共振模态,利用传输线等效电路导出传振杆的频率方程.通过分析圆环斜槽传振杆的振动特性,得出影响纵扭振动输出参数的因素.根据加工要求的振动输出参数,在实际应用中可准确地确定圆环斜槽传振杆的几何尺寸.有限元模态分析、试验结果与理论分析一致.     

基于ANSYS的超声拉丝二阶换能系统仿真研究

为了研究变幅杆的不同变截面、变截面倾角对超声拉丝二阶换能系统动力学特性的影响关系,寻求合理的变截面杆组合参数和规律,根据四端网络法和有限元法综合设计了以圆锥型、指数型以及悬链线型为变幅杆上变截面的超声拉二阶换能系统.采用ANSYS软件建立其有限元模型,进行模态分析和谐响应分析,得到谐振频率、振幅和振幅沿着轴向距离的分布规律;并探究二阶变幅杆的三种不同变截面、各变截面倾角对换能系统谐振频率和振幅的影响.分析结果表明,圆锥型变幅杆的二阶换能系统具有最大的振幅和振幅放大倍数.     

纵-扭复合超声换能器振动特性的试验研究

通过理论和仿真分析,设计和制作了一种纵-扭复合超声换能器,其谐振频率与理论值较吻合。进而重点试验研究了螺栓预紧力对纵-扭复合超声换能器相关参数的影响。随着预紧力的增大,频率、品质因数、动态电阻都呈现出一定的规律性。通过合理预紧,使共振频率更接近理论频率,并获得较理想的纵-扭振幅。     

超声珩齿复合变幅器设计及其动力学研究

在超声珩齿加工中,由变幅杆和被加工齿轮组成的变幅器的设计是一项关键技术,探索新型变幅器显得非常重要。基于变截面复合变幅杆纵向振动波动方程和中厚圆环板弯曲振动位移方程,根据复合变幅杆与中厚圆环组成的超声珩齿复合变幅器的非谐振性和边界条件,推导了系统的谐振频率方程,利用数值计算对设计参数、谐振频率、变幅杆及圆环振幅分布等进行研究,同时分析了变幅器几何参数对系统谐振频率的影响。结果表明,有限元分析结果与理论计算结果和实验测试基本一致,系统谐振频率随复合变幅杆各段长度的增加而减小;当复合变幅杆大小端半径比和各段长度保持不变时,系统谐振频率随两端半径成比例地增加而增加;其他参数不变时随圆环厚径比地增加而增加,其结论不仅证实了非谐振理论的正确性,而且为超声珩齿变幅器的设计和应用提供了理论依据。     

微细深孔超声轴向振动钻削装置的设计

基于高频振动切削原理 ,设计了一种振频 2 0± 1KHz、振幅 2 5 μm的新型超声轴向振动钻削装置 ,该装置由数字锁相环频率自动跟踪式晶体管型超声波发生器、轴向半波长圆柱型压电陶瓷换能器、半波谐振圆锥型变幅杆以及工具系统组成 ,可在软质材料上实现微细深孔的精密、超精密加工     

超声波扭转振动铰孔装置

基于分离型振动切削原理,设计了一种振动频率为20.7KHz、振幅为15μm的扭转振动装置。该装置由两个纵向换能器、两个纵向变幅杆、一个扭转变幅杆和支座组成,使用时将其安装在车床上,可完成对精密小深孔的超声振动铰削。     

超声波扭转振动镗孔装置设计

根据分离型振动切削原理设计了一种振动频率为20·7kHz、振幅为15μm的扭转振动装置。该装置由两个纵向换能器、两个纵向变幅杆、一个扭转变幅杆和支座组成,使用时将其安装在车床上,可对精密深孔进行超声振动镗削。     

纵扭模态叠加型超声振子的设计研究

对纵扭模态叠加型超声振子进行了理论研究,该超声振子由纵扭同频夹心换能器与法兰连接段组成。首先,基于等效电路法和传输线理论,研究了纵向及扭转振动在纵扭同频夹心换能器中的传播规律,得到了该换能器的纵、扭共振的等效电路和频率方程组,并通过合理选择各圆柱段的长度,实现了纵扭同频共振。之后,基于环槽结构具有纵振耦合和扭振隔离的特性,对该换能器进行了简并设计,在其末端构造出了纵、扭简并节点,解决了法兰设置问题。最后,应用有限元软件ANSYS对简并后的超声振子进行仿真分析,结果表明超声振子纵扭共振的同频偏差率得到显著降低。     

基于灰色关联分析方法和熵权法的纵扭超声振动螺旋磨削制孔工艺参数优化

为优化纵扭超声振动辅助螺旋磨削制孔工艺参数和提高加工性能,以氧化锆陶瓷为研究对象,选取螺距、螺旋进给速度、主轴转速和超声振幅为工艺参数,设计了四因素三水平正交试验,并测量其磨削力、孔壁表面粗糙度和孔底表面粗糙度;借助灰色关联分析方法和熵权法得到最优工艺参数为螺距3.5μm,螺旋进给速度875mm/min,主轴转速20000r/min,超声振幅6μm;螺距、超声振幅、主轴转速、螺旋进给速度对灰色关联度的影响程度依次降低。建立了灰色关联度、目标参数与工艺参数的经验预测模型,得到最优工艺参数为螺距3.0μm,螺旋进给速度875mm/min,主轴转速22000r/min,超声振幅6μm;孔壁和孔底的表面粗糙度分别为0.12789μm和0.38137μm,磨削力为9.482N,且关联度略优于正交试验最大关联度。