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。     

纵扭超声换能器设计及其性能测试研究

纵扭超声振动加工在碳纤维复合材料等硬脆性材料上的应用越来越得到重视,针对现有纵扭超声换能器存在扭振分量较小或纵扭节面不重合等问题,设计一种新型的纵扭超声换能器。通过理论解析法设计了一种指数型变截面杆纵振超声换能器,然后在指数型变截面杆上设计螺旋槽,将一部分纵向振动转换为扭转振动;利用有限元软件分析螺旋槽结构参数对纵、扭谐振效果的影响规律,优选出最佳的螺旋槽参数;在此基础上对换能器进行模态分析和瞬态分析,结果表明换能器能够实现纵扭超声振动,且谐振频率与设计值误差较小,振幅值满足一般加工要求;最后对设计好的换能器实物进行阻抗分析和振幅测试,结果表明谐振频率与仿真值相差较小,纵振振幅9.4μm,扭振振幅5.3μm,能够适用于大部分的超声加工,也验证了设计方法的正确性。     

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.     

用于微电子封装的高频压电超声换能器模态优化设计

研究了高频压电超声换能器的优化设计方法,基于四端网络方法和有限元分析软件ANSYS参数化建模,通过不断调节结构参数的大小对换能器进行优化,使工作频率在满足设计要求的前提下,实现了工作频率与其他非工作频率的分离。通过阻抗分析仪和多普勒激光测振仪对换能器进行测试,实验结果表明,该换能器工作频率为110.161 kHz,工作频率附近不存在非纵振模态和其它寄生的振动形式。     

径扭复合模式盘形压电超声换能器

提出一种新型的斜缝式结构径扭复合模式振动盘形压电超声换能器,并对其径扭复合模式振动进行了理论和试验研究。通过对斜槽处应力的分解,引入两个机械转换系数,依据机电类比原理,建立起换能器的径扭复合模式振动耦合机电等效电路模型,从等效电路得到换能器的径扭复合振动频率方程,探讨狭缝的斜角对换能器共振频率的影响,数值计算表明换能器共振频率随斜角增大而降低。试验加工三个不同斜度狭缝的换能器,并对其共振频率进行了测试和有限元法模态仿真计算,结果表明,理论与仿真值及试验结果吻合较好。     

交变载荷作用下Cymbal换能器的压电性能

Cymbal换能器具有较高等效压电常数的特点,使其可能成为开辟新能源的一条有效途径。采用有限元方法对该换能器共振和非共振交变载荷作用下的电耦合场进行分析。计算结果表明,Cymbal换能器在共振交变载荷作用下所产生的开路电压很高,但由于此时所产生的应力较高,使得换能器工作失效;而在低频非共振交变载荷作用下该换能器能够正常工作,并产生与载荷同频率的具有一定幅值的交变电压。仿真结果表明,Cymbal换能器在非共振低频状态下,可以产生与载荷力同周期的具有一定大小的电压,可作为收集常见低频振动将机械能转化为电能的压电换能元件。     

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。     

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。     

基于PZFlex的超声滚压振子仿真分析

研究一种用于超声滚压的夹心式压电超声振子,应用一维纵振波动方程,对其进行结构参数计算。基于理论计算结果,使用有限元软件PZFlex基于时域/瞬态分析方法对其进行谐响应分析及谐振频率下的端面位移振动情况分析,且根据仿真结果,设计并制造了相应的压电超声振子,并采用频率特性分析仪测量得到其实际谐振频率,采用多普勒测振仪测量得到其端面位移振动情况,结果仿真结果与实际测量值符合较好。     

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.