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。     

二维超声椭圆振动变幅杆的设计

运用振动基本理论研究了二维简谐运动的合成规律并通过仿真验证了其正确性,并运用弹性波入射理论解释了开斜槽式阶梯型变幅杆实现纵—弯复合振动的机制;对开斜槽式阶梯型变幅杆进行了设计,分析了变幅杆结构参数与振动参数及放大倍数的关系;给出了设计实例,应用有限元法对变幅杆进行了模态分析、瞬时动力学分析和振动轨迹分析。研究结果表明,开斜槽阶梯型变幅杆能实现二维椭圆振动轨迹,对超声振动辅助精整加工的工具系统设计具有一定的指导意义。     

超声纵—扭振动铣削系统的研制

研究了超声声学系统,斜槽式变幅杆形成纵—扭振动的基本原理,对变幅杆的振动形式进行仿真,对超声纵扭振动装置系统进行了研制和测试。试验结果表明:斜槽式变幅杆能有效地将纵向振动转化为纵—扭振动。研制的超声纵扭振动系统匹配特性好,振动稳定性高,能够满足加工要求。     

圆环斜槽结构复合变幅杆的结构优化与实验

根据实际工作需求,设计出工作频率为28 k Hz、过渡段为指数型的复合变幅杆。利用小端圆柱转换圆环斜槽结构来实现单激励纵-扭复合振动,并通过仿真分析讨论了复合变幅杆大端长度、斜槽倾斜角度、斜槽宽度、斜槽长度等结构参数对共振频率的影响规律。在此基础上优化结构并进行试验研究,结果表明该变幅杆实现了纵-扭复合振动并基本满足实际工作需求。     

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.     

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。     

圆锥形超声变幅杆的设计及实验分析

基于质点和简单机械振动系统的基本原理,根据波动方程及传统变幅杆设计理论设计了用于超声加工设备的变幅杆。通过有限元分析软件ANSYS对变幅杆结构进行模态分析和谐响应分析,并对其结构进行优化,以获得性能良好的变幅杆设计参数。最后根据优化参数制造出变幅杆,并进行了阻抗分析和激光测振仪分析,进而对变幅杆进一步修正,以得到性能良好的变幅杆。     

斜槽式纵扭超声振动系统的设计与分析

基于声波传播原理,采用传统解析法计算设计斜槽式纵扭超声振动系统。通过有限元软件ANSYS分析了斜槽结构参数对超声振动系统谐振频率的影响规律,同时对超声振动系统进行了瞬态动力学分析,运用Origin软件绘制超声振动系统输出端的运动轨迹,验证了所设计的超声振动系统为纵扭超声振动。     

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。     

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。