功率超声车削加工装置的设计与仿真分析

根据功率超声振动车削的加工特点,在原有设备的基础上,改进并设计了适于镁铝合金加工的纵向超声振动车削装置,该装置由压电换能器、复合变幅杆、换能器外壳、刀具、刀具安装部分和装置安装部分组成,并对变幅杆和整个装置系统进行模态分析,得到变幅杆和整个装置系统的共振频率分别为21.611KHz和18.236KHz,分析结果符合设计要求,为进一步实验打下了基础.     

带中心孔的复合超声变幅杆设计及性能分析

带中心孔的变幅杆可以实现旋转超声加工的中心供冷却液或气体,具有良好的冷却和排屑效果。针对单一形状变幅杆难以实现大振幅的超声振动,对带中心孔的复合超声变幅杆的设计原理和方法进行研究。根据任意截面杆的波动方程,得到带中心孔单一形状变幅杆的传输方程和传输矩阵,并通过对总体四端网络的传输方程和传输矩阵的运算,推导出带中心孔的圆锥过渡复合变幅杆的频率方程和放大倍数的一般公式。根据推导出的频率方程,设计出典型的复合变幅杆,并对所设计的变幅杆进行频率测试,测得的变幅杆频率与理论计算频率的误差在5%以内。研究带中心孔的圆锥过渡复合变幅杆各段长度及中心孔直径对变幅杆频率的影响规律,为复合变幅杆设计和调整提供了理论依据。     

频率修正在超声变幅杆设计中的研究与应用

超声变幅杆在沿轴线方向作纵向振动时,由于存在泊松效应,纵向振动会引起变幅杆沿径向方向的横向振动。传统变幅杆在设计过程中,忽略横向振动的影响则会导致计算出的谐振频率高于实际频率。为了让变幅杆理论设计谐振频率与实际频率相符合,分别对简单圆柱杆和阶梯形变幅杆进行研究,推导出常用半径比范围内简单阶梯形变幅杆的频率修正公式,使其满足设计和使用要求,并可以减少能量传输过程中的能量损耗。     

超声振动铣削复合变幅杆扭转振动特性的仿真与优化

建立了1/4波长扭转振动复合变幅杆的理论计算模型,基于该模型设计了一种用于超声振动微铣削的扭转变幅杆,并利用ANSYS有限元仿真软件对其进行了模态及谐响应分析。通过仿真分析,获得了变幅杆扭转振动时的谐振频率、变幅杆的放大系数以及von mises应力分布等。为使变幅杆谐振频率更好地满足设计要求,最后对变幅杆的结构参数进行了优化。     

单激励超声振动车削装置的结构及其切削方式优化

设计单激励超声振动车削装置通常采用车刀轴向与变幅杆轴向相垂直的结构,切削方式比较单一,主要采用主切削力方向振动的方式进行加工。本文分析了现有结构及切削方式的不足,提出车刀轴向与变幅杆轴向一致的结构,并采取新的复合振动。根据原理进行分析,通过AdvantEdge FEM进行仿真,论证新结构及切削方式的可行性,并指出脆硬材料和塑性材料在超声振动车削中的不同之处。     

超声辅助磨削振子设计研究与试验

为了解决传统设计方法对较复杂结构的超声磨削加工变幅杆的计算存在缺陷的问题,通过采用分段近似趋近方法,对超声加工振动系统变幅杆进行求解计算。运用传输矩阵,建立超声变幅杆频率方程的一般形式及放大系数。通过对无简单解析解的变截面变幅杆进行分段近似设计,得出相应的设计结果,采用有限元仿真、阻抗分析及样品对比试验进行验证。得出结论,运用分段近似趋近设计方法对超声变幅杆进行设计能够达到工程设计需要。     

幂函数形复合变幅杆谐振频率的瑞利修正

在设计幂函数形复合变幅杆时,变幅杆的频率仿真值往往小于频率设计值;这种偏差会随着变幅杆截面尺寸的增加不断扩大。根据瑞利近似修正理论,对这种现象产生的原因进行了理论分析;理论推导了幂函数形复合变幅杆谐振频率的修正公式。借助有限元分析软件workbench对一组半径不同的变幅杆进行模态分析;获取不同半径变幅杆的谐振频率仿真值。按照修正公式,计算频率修正值。分析比较设计值、修正值与仿真值;结果表明,修正值与仿真值的变化趋势基本吻合。相对于设计值,修正值与仿真值的偏差更小。这对于大截面幂函数形变幅杆的理论设计有一定指导意义。     

一种新型纵扭复合超声振动系统的研究

提出了一种新型纵扭复合超声振动系统的设计方法,并应用有限元软件对其正确性进行仿真验证。利用矩阵传输理论得出了指数过渡变幅杆的纵扭共振频率方程及放大倍数,其间利用MATLAB软件对此频率方程进行了求解;然后通过对圆棒中有纵扭复合振动时的应力状况进行分析,得出了一种新型的纵扭同频激励方式。按此法设计纵扭复合超声振动系统,并应用有限元软件ANSYS进行模态分析与瞬态动力学分析。结果表明:有限元分析与理论计算结果吻合较好。     

阶梯形超声变幅杆谐振频率的瑞利修正

在设计阶梯形超声变幅杆时,变幅杆的频率仿真值往往小于设计值;变幅杆的截面尺寸越大,这种偏差也越明显。按照瑞利修正理论,理论分析了这种现象产生的原因;在考虑变幅杆纵向振动后,给出谐振频率的瑞利修正值。重点推导了比较常用的粗细等长变幅杆的频率修正公式。借助有限元分析软件workbench对一组阶梯型变幅杆进行模态分析;获取不同半径变幅杆的谐振频率仿真值。分析比较理论值与仿真值;结果表明,按照瑞利修正理论修正后的频率值能更好地与仿真结果相吻合。这对于大截面阶梯形变幅杆的理论设计有一定指导意义。     

超声车削弯曲振动系统的试验研究

设计并制造了三振型弯曲刀杆,计算出其固有频率为20．440kHz。空载下,用自行研制的超声车削弯曲振动装置进行了试验研究。得出刀具在切削速度方向的振幅符合其位移Catx=asinwt,呈正弦曲线,刀尖的振幅最大可达到18．1751μm,最小为10．3996μm,均能满足超声振动车削要求。     

指数型超声变幅杆有限元分析与试验

针对传统解析法设计的变幅杆不能直接运用于超声振动系统,变幅杆结构需要修正的问题,采用有限元分析的方法对指数型超声变幅杆进行了优化设计,确定出变幅杆的最后结构,使设计的变幅杆符合实际应用要求;依据设计制造了一批变幅杆,并进行了谐振频率测试。测试数据经统计分析后,其结果表明有限元分析法设计的变幅杆可以较好地满足使用要求。     

圆锥形变幅杆的设计及有限元分析

超声变幅杆是功率超声振动系统中的重要组成部件。本文以一个实际应用为例通过解析法设计一个半波长圆锥形变幅杆,并用有限元软件ANSYS对对变幅杆进行模态分析,确定变幅杆的固有频率。最后用有限元法对带工具的变幅杆进行修正设计,使变幅杆的某阶固有频率和系统工作频率相等,确保变幅杆在工作中能够可靠地纵向共振。     

超声振动车削TC4钛合金的切削性能研究

为了探究超声振动车削过程中切削力和切削温度的变化规律,使用Third Wave Advant Edge切削仿真软件,基于POWER-LOW本构模型和ALE网格划分方法建立TC4钛合金车削加工的有限元模型,获得传统车削与超声振动车削的切削力和最高切削温度变化情况。结合超声振动车削中刀具切削速度和位移变化规律,对传统车削与超声振动车削的切削力和最高切削温度变化规律展开对比分析;探究超声振动车削中的工件进给速度、刀具振频和振幅对切削力的影响规律,实现各加工参数的最优组合,为实际加工提供参考。     

幂函数过渡段复合变幅杆振动特性的研究

利用传输矩阵理论法,得到了具有幂函数过渡段复合变幅杆的频率方程和振幅放大系数,并用数值计算分析了过渡段对谐振频率和放大系数的影响,最后利用ANSYS软件进行模态分析,其结果可为此类变幅杆的频率修正提供理论依据和参考。     

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。     

具有复合型工具的超声加工声学系统设计北大核心

针对传统加工硬脆材料和复合材料时,会产生加工难度高、加工效率低、加工质量差等问题,对旋转超声加工技术加工硬脆材料和复合材料时采用的具有复合型工具的旋转超声加工声学系统进行了研究。阐述了旋转超声加工的工作机理;运用Pro/E软件对新型旋转超声加工声学系统进行了结构设计;选定夹心式压电换能器,根据四端网络法、放大系数方程和频率方程设计出了1/4波长的新型复合变幅杆,依据等效质量法设计出了新型电镀金刚石复合刀具;利用ANSYS Workbench软件对新型复合变幅杆和新型复合刀具进行了模态分析,得出了模型最优解;通过硬脆材料实验对该超声加工的声学系统进行了验证。研究结果表明:变幅杆和刀具在频率20k Hz左右时振幅达到最大,是理想振型;该声学系统的设计可以满足加工硬脆材料和复合材料的要求。     

超声珩齿纵向振动变幅器的3种设计方法对比与实验研究

纵向振动变幅器是超声珩齿纵向振动系统的重要组成部分,变幅器的各种参数关系到整个纵向振动系统的性能。运用理论解析法、等效电路法、传输矩阵法来设计变幅器,3种方法的计算结果与ANSYS软件的模态分析结果以及谐振特性实验的结果一致,谐振特性实验的结果能满足超声珩齿的要求。分析了3种设计方法的优缺点及各自的适用场合,为设计变幅器时选择适当的计算方法提供了理论依据。     

具有复合型工具的超声加工声学系统设计

针对传统加工硬脆材料和复合材料时,会产生加工难度高、加工效率低、加工质量差等问题,对旋转超声加工技术加工硬脆材料和复合材料时采用的具有复合型工具的旋转超声加工声学系统进行了研究。阐述了旋转超声加工的工作机理;运用Pro/E软件对新型旋转超声加工声学系统进行了结构设计;选定夹心式压电换能器,根据四端网络法、放大系数方程和频率方程设计出了1/4波长的新型复合变幅杆,依据等效质量法设计出了新型电镀金刚石复合刀具;利用ANSYS Workbench软件对新型复合变幅杆和新型复合刀具进行了模态分析,得出了模型最优解;通过硬脆材料实验对该超声加工的声学系统进行了验证。研究结果表明:变幅杆和刀具在频率20k Hz左右时振幅达到最大,是理想振型;该声学系统的设计可以满足加工硬脆材料和复合材料的要求。     

基于传递矩阵法的超声珩齿复合变幅器设计

基于Mindlin中厚板理论,利用传递矩阵法设计了圆环板与复合变幅杆组合而成的超声珩齿复合变幅器,推导了这一复合变幅器的弯曲振动频率方程,并对其振动特性进行研究。研究结果表明,超声珩齿复合变幅器频率随变幅杆各段长度的增大而减小,随圆环厚度的增大而增大,随圆环外径的增大而减小。     

超声旋压变幅器的设计与分析

在超声旋压系统中,变幅器由变幅杆与旋轮耦合而成,其谐振振型为变幅杆纵向振动与圆盘弯曲振动。该振型计算复杂,很难直接获得较为精确的尺寸,设计过程中需要不断修正尺寸以达到所要求的频率和振型。借助MSC.Marc有限元分析软件对变幅杆与旋轮耦合后的变幅器进行数值模拟分析,研究旋轮各个尺寸对变幅器谐振频率的影响,得到了旋轮各个尺寸对变幅器谐振频率的影响规律,设计出了符合要求的变幅器,试验表明其振动效果理想。