复合结构研齿换能器的动力学特性与设计

利用4段复合式变幅杆及夹心式压电陶瓷换能器的结构,研制了一种用于超声辅助研磨弧齿锥齿轮的新型换能器。首先,根据牛顿定律和超声波传输线理论,推导得到了超声研齿换能器的频率方程,依据压电陶瓷的谐振频率、振动模式和输入功率,确定了复合式超声研齿换能器的结构参数;其次,运用等效声学参数修正法和质量互易法,对设计的换能器进行了声学和结构参数的修正;然后,利用ANSYS分析软件进行了模态分析和谐响应分析,对换能器的谐振频率、振动幅度、振动速度比和导纳等动力参数进行了研究;最后,进行了阻抗特性测试和振动特性实验和通过5对弧齿锥齿轮的超声研磨实验,进一步证实了复合结构研齿换能器的超声研磨性能。     

基于变步长谐振频率跟踪的超声驱动电源

用于超声清洗的超声驱动电源,压电换能器工作在水中的深度不同会导致其固有串联谐振频率产生偏移,进而使得电源输出处于失谐状态,降低了电源的输出效率.针对该问题,采用了一种基于变步长谐振频率跟踪方法,通过测量逆变桥输出电流有效值与直流电源输出电流平均值,并变步长调节电源的输出频率,使得两者的电流比值达到最小,能够使电源输出恢...     

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.     

高效压电陶瓷加工原理探讨

针对波导管等特殊管状物体内壁的加工,提出了内腔压电超声换能推挤原理,采用了具有频率自动跟踪系统的超声波发生器,自行设计了用于管内腔超声推挤的压电陶瓷换能器,并设计给出了变幅杆--推刀振动子系统的谐振频率、位移节点、放大倍数等计算公式,测出了声学系统的电导--电纳特性,并进行了工艺试验,探讨了超声推挤过程.     

旋转超声振动加工非接触电能传输系统设计研究

针对旋转超声振动加工中接触式超声频、大功率电能传输存在的问题,提出基于电磁耦合感应的非接触电能传输方法。理论分析了非接触松耦合变压器的参数设计,建立了以压电换能器和松耦合变压器为总负载的原边电端阻抗匹配模型。实验研究了电源频率、磁芯间距对电能传输效率的影响,测试了系统工作过程中磁芯的温升变化,结果表明所设计的非接触电能传输系统能够满足旋转超声振动加工要求。     

松耦合感应式电能传输技术的应用研究

针对超声波平行轴珩齿系统中电信号传输方式存在的问题,提出了应用电磁感应原理的新型电信号非接触式传输方式,建立了由超声波电源、非接触传输装置和超声换能器组成的机电系统,并通过电路理论分析,得到了谐振工作时的匹配条件.基于ANSOFT Maxwell 2D仿真软件,分析了制约松耦合感应能量传输系统传输效率的关键因素,对今后松耦合感应电能传输的应用研究具有重大意义.     

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。     

超声水表换能器工作频率的选用与分析

压电换能器是超声水表产品中的关键核心部件,其工作频率的选用关系到超声水表的主要性能与制造成本等因素。经分析与研究,超声水表换能器工作频率与超声波在介质中传播的衰减程度、换能器体积、接收脉冲周期数、超声波发射指向性、产品制造成本和流场分布识别分辨能力等有关。建议在大口径超声水表中应首选1 MHz工作频率的换能器,在中小口径的超声水表中可以选用1～5 MHz工作频率的换能器。     

小型超声清洗换能器有限元建模与谐响应分析

通过建立小型超声清洗换能器的ANSYS有限元模型,进行模态分析和谐响应分析,选择其实际工作频率,为其驱动电源输出频率的设计提供依据.利用阻抗分析仪测出换能器的固有频率,检验有限元模型的合理性.通过谐响应分析后处理功能,得到该换能器在实际工作频率下的第三强度理论当量应力分布图和正应力分布图,分析其变幅杆易开裂的原因.     

复合盘压电超声换能器的径向振动频率方程

提出并研究一种复合盘压电超声换能器的径向振动特性。依据机电类比原理,建立复合系统的径向振动等效电路,并推导出其径向振动频率方程。数值计算表明,当换能器半径比一定时,对给定材料换能器径向共振频率与压电晶片直径的积为常数。此外,径向复合换能器不满足传统的“半波长”级联规律,必须进行整体设计。作为算例,给出常用材料钢、铝和钛与PZT-4复合压电超声换能器的径向共振频率常数与其半径比的拟合关系曲线。试验加工两个径向复合压电超声换能器,并测定其共振基频。结果表明,换能器谐振频率误差小于3%,能够满足工程应用需要。     

压电超声换能器电负载调频特性研究

压电超声换能器由于具有较高的机械品质因数,因此对谐振频率的变化十分敏感。在负载、温度等工况因素影响下,超声换能器谐振频率会发生偏移,从而造成其出现工作性能下降甚至完全失效。提出一种电负载影响下的超声换能器等效电路,建立谐振频率与电负载的关系模型,并通过仿真以及试验进行验证。结果表明,这种电负载调频的压电超声换能器,可以有效地克服谐振频率偏移带来的性能损失问题,为新型超声加工系统的研制奠定了理论基础。     

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     

复合管功率超声压电换能器的径向振动特性

在纵向复合压电超声换能器基础上,提出并研究带预应力外壳的径向复合管压电超声换能器的径向振动特性。换能器由径向极化薄壁压电陶瓷圆管与预应力金属圆管外壳径向复合而成。依据机电类比原理,建立起复合系统的径向振动等效电路,并给出其径向振动共振频率方程。结合数值计算例,探讨换能器的共振和反共振频率以及有效机电耦合系数与预应力圆管半径比之间的关系。设计制作4个径向复合管压电超声换能器样品,通过试验测量换能器径向振动共振和反共振频率。结果表明,换能器径向共振频率的理论值与测量结果符合较好,误差小于5%。     

变幅杆连接工艺对旋转超声加工质量影响的研究

超声旋转加工是一种适用于脆硬材料加工的新技术,它强化了原加工过程,其加工效率随着材料脆性的增大而提高,实现了低耗能的目标。在超声旋转加工中,超声加工工具与变幅杆的连接对超声振动共振频率和超声波加工性能有很大影响。本文在深入研究旋转超声加工基本原理的基础上,分析了旋转超声加工时能量传递系统的关键制件-变幅杆和工具杆对超声加工精度的影响,并对变幅杆和工具杆制造工艺及连接的方法进行了初步研究。     

带轴锥齿轮超声研齿振动系统的设计与试验

为了满足带轴锥齿轮超声研磨加工的谐振频率要求,利用波动理论对不同结构的3种带轴锥齿轮的超声变幅系统进行谐振设计,建立了统一的谐振频率方程,并对位移放大系数和最大应力进行了比较。运用有限元方法,对由复合变幅杆和换能器组成的超声激励-变幅振动系统进行了模态分析和谐响应分析。最后对超声振动系统进行了阻抗分析和频率测试。试验结果表明：实际超声振动系统的谐振频率为23.269kHz,与设计频率误差约1.17%,试验结果与有限元分析和理论分析结果基本吻合,验证了理论设计的准确性。     

功率超声珩磨缸套加工中谐振系统的试验研究

针对特种加工方法－－功率超声振动加工中的关键技术－－谐振系统的研究进行了一系列的试验研究，从为幅杆、弯曲振动圆盘、振子系统等方面进行了详细的介绍。     

Experimental investigation on the effects of thermomechanical loading on the vibrational stability during rotary ultrasonic machining

Ultrasonic vibration is assumed to be stable or unchangeable during the process of rotary ultrasonic machining (RUM) on brittle materials, neglecting the effects of different processing parameters. However, no experimental evidence has been reported to validate this assumption. In this study, the effect of thermomechanical load on the stability of ultrasonic amplitude during RUM was investigated by theoretical analysis and experimental procedures on quartz glass and sapphire. It was shown that the instability of ultrasonic amplitude during the machining process is mainly attributed to variation of resonant frequency under the implementation of thermomechanical load. The thermal effects of ultrasonic vibration decrease the resonant frequency of the ultrasonic machine, while mechanical loading during the machining process increases the resonant frequency. Furthermore, a higher feed rate or a harder material leads to a higher resonant frequency change. The variation of ultrasonic power can be used to review the validity of difference-neglected assumption when different values of processing variables, materials, or even machine tools are used during modeling. The results of this study should be well considered for future references when designing an ultrasonic machine.     

高频超声椭圆振动精密切削

研制了一种新型的工作频率为147.5kHz的超声椭圆振动换能器,进行了高频椭圆车削硬铝(LY12)的试验。试验结果表明,在精密切削中,同普通切削相比较,高频椭圆超声振动切削对表面粗糙度具有负面影响,但具有降低切削力和提高加工精度的特点,而同低频(20.5kHz)椭圆振动切削相比较,在相同条件下,可采用较高的切削速度,从而提高了工作效率。