新型齿轮超声加工纵向振动系统的设计

在传统的齿轮纵向振动系统中,齿轮与变幅杆耦合处振幅较小,导致齿轮端面输出振幅偏小,满足不了齿轮超声加工的要求.基于非谐振设计理论和全谐设计理论,设计了一种新型齿轮纵向振动系统,该振动系统由齿轮与圆柱杆耦合振动单元、换能器、半波长圆锥形变幅杆组成,齿轮与变幅杆耦合处振幅较大,增大了齿轮端面的输出振幅.圆锥变幅杆形状参数固定时,齿轮分度圆直径和圆柱杆直径对齿轮端面的输出振幅没有影响,减小圆锥变幅杆小端直径可以增大齿轮端面的输出振幅.通过有限元分析和谐振特性实验验证这种新设计方法的可行性.研究结果为齿轮振动系统提供了一种新的设计方法,对齿轮超声加工工艺的工程应用具有重要意义.     

齿轮超声加工纵向振动系统的设计与实验研究

为了解决齿轮超声加工纵向振动系统设计问题,基于纵向振动动力学方程,利用结合面的力、位移振动耦合与边界条件,提出纵向振动变幅器的非谐振设计方法,推导了频率方程;应用Matlab2011Ra对变幅器未知尺寸、振型分布进行理论数值求解,并利用ANSYS12.0对所设计变幅器进行模态分析与谐响应分析．设计加工了不同模数齿轮的纵向振动变幅器,基于C6140车床搭建了齿轮超声加工纵向振动系统的激光测振仪测试系统,进行谐振实验．变幅器的谐振频率和振幅经理论求解、有限元分析、实验测试对比,各自的最大求解偏差都小于5%,可以满足工程应用需要.研究表明：可应用力、位移耦合非谐振设计方法,完成中小模数齿轮变幅器的纵向振动系统设计,对齿轮超声振动系统设计具有理论指导和工程应用价值．     

基于力耦合的非谐振单元组成的超声变幅器设计

传统的超声振动系统全谐振设计方法要求组成超声振动系统的各个单元有相同的谐振频率,各个组成单元的结构尺寸由谐振频率确定,而超声珩齿系统中的齿轮结构尺寸是由它的使用要求决定,是非谐振单元,不能用全谐振理论设计,本文采用力耦合方法,将齿轮简化为环盘,将它和变幅杆组合并联合建立动力学方程,实现了非谐振单元组成的超声变幅器的设计。     

齿轮超声加工大振幅纵弯谐振变幅器的设计

为了使纵弯谐振变幅器的输出振幅满足齿轮超声加工的要求,设计了一个带有级联变幅杆的变幅器.利用Mindlin中厚板理论,根据变幅杆各段的力和位移耦合条件、变幅杆与齿轮的力和位移耦合条件、边界条件,推导出变幅器的频率方程和位移方程,实现了变幅器的设计,并求得变幅器的振幅分布曲线.通过理论求解、有限元软件ANSYS进行模态分析和谐响应分析、变幅器谐振特性试验分析变幅器的动力学特性,得出三者的结果一致,齿轮分度圆处的振幅为12μm,较常用的变幅器有了较大的提高,满足了齿轮超声加工的需求.     

三维振动里兹法在变幅杆谐振特性分析中的应用研究

针对变幅杆振动分析的一维振动求解理论和齿轮超声加工研究现状,提出基于三维弹性动力学方程,利用能量变分原理,采用里兹法求解特征值的方法,统一了圆锥、圆截面指数形和悬链形变幅杆的扭转、纵向、弯曲振动的固有频率和振型求解方法;计算了不同直径比、长径比变幅杆的四位有效数字无量纲固有圆频率。设计加工了大、中、小截面指数形变幅杆,并利用锤击激励法做了模态实验。对其一维欧拉-伯努利、三维振动里兹数值法、有限单元法、实验模态法进行对比分析,结果表明：三维振动里兹数值法求解结果比一维振动求解理论准确,可以作为其他数值求解方法的验证标准;为其他非均匀截面变幅杆的振动特性分析提供了一种新的求解方法。     

微超声振动细胞切割系统中变幅杆的分析与设计

针对细胞微超声振动切割系统对超声变幅杆的要求,将等截面圆柱形阶梯变幅杆的一端替换成圆锥形变幅杆构成一种复合圆锥阶梯形变幅杆。由任意变截面杆纵向振动的波动方程出发,推导了复合圆锥阶梯形变幅杆的基本理论参量,设计了超声变幅杆的基本结构,给出其制造尺寸。并应用有限元法对变幅杆进行了模态分析,得到了共振频率和位移节点等重要参数。     

超声珩齿振动系统的设计方法及其动力学特性

超声辅助珩齿是一项应用前景良好的齿轮精加工方法,其振动系统的设计是关键技术之一。分析了变幅杆和齿轮振动时的耦合关系,对振动系统做了合理简化。在此基础上,结合边界条件,提出一种新的振动系统设计方法,并利用它设计了变幅杆,分析了变幅杆和齿轮的动力学特性。通过与有限元分析及试验结果比较,说明所提出理论模型是完全合理可行的,实例计算结果比有限元分析结果更接近实测值。所获得的结论对超声珩齿振动系统的设计有一定的指导意义。     

矩形横截面耦合振动复合变幅杆的设计

本文研究由一部分变截面杆和一部分定截面杆构成的大尺寸矩形横截面复合变幅杆。文章中引进了变幅杆各轴向的等效弹性常数，并推出了具体表达式，利用表观弹性法探讨了大尺寸矩形变幅杆的耦合振动，得出了变幅杆的共振条件，即频率方程。实验表明，与一维理论的计算结果相比，利用耦合振动理论得出的变幅杆的共振频率更加接近于实测值。     

玻璃振动模压中变幅杆高温模态分析及实验研究

为研究应用于光学元件的超声振动模压中变幅杆的高温振动特性,基于纵振波动方程设计所需频率的超声变幅杆,利用Creo软件建立其参数化模型。考虑变幅杆高温下的材料特性变化,结合实验所得数据对高温下的变幅杆进行模态分析,得到其在高温下的谐振频率。分析研究表明,变幅杆谐振频率随着温度的升高而降低。为提升变幅杆高温的下频率稳定性,通过有限元软件对其进行了结构优化设计。按照优化后的尺寸加工出变幅杆,通过实验检测其谐振频率,结果表明,在高温下优化后变幅杆的谐振频率仍稳定在设定频率附近。     

杯形工具复合变幅杆设计及振动特性分析

针对硬脆材料曲面加工过程中加工精度差、效率低、加工费用高的问题,结合理论分析与有限元法,设计了一种适用于硬脆材料曲面高精度加工的超声杯形工具复合变幅杆。对所设计的变幅杆进行了阻抗特性分析和振动性能测试,结果显示变幅杆结构合理、振动效果良好;并通过有限元与试验的对比分析,探究杯形头的壁高、底厚、内径对杯形工具复合变幅杆谐振频率的影响。结果表明:变幅杆谐振频率随着底厚的增加而增大,随着杯形头壁高、内径的增大而减小,且实测结果与仿真分析较好符合。     

超声珩齿振动系统动力学特性分析与仿真

为研究超声珩齿振动系统的非谐振设计,通过MATLAB软件对振动系统的动力学频率方程进行求解,分析了变幅杆设计长度和变幅器振动频率对频率方程解误差的影响,并得出一组变幅器的设计参数。为验证非谐振设计方法的可行性,通过ANSYS模态分析,能使变幅器的谐振频率与理论设计的结果基本一致。     

旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计与试验研究

砂轮变幅器是旋转超声内圆磨削谐振系统的关键部件,其设计质量直接影响超声磨削的工艺效果。但目前内圆磨削砂轮变幅器缺乏较为完善的理论分析模型。为提高砂轮变幅器理论分析模型的通用性,基于非谐振设计理论建立了纵向谐振砂轮变幅器的理论分析模型,并利用砂轮变幅器各振动单元间的力、位移连续条件与边界条件推导了其频率方程。然后,针对频率方程进行编程求解,并通过ANSYS有限元仿真分析进行验证。最后,加工制作了纵向谐振砂轮变幅器,并开展阻抗特性分析试验、超声谐振试验和振动位移测量试验,分析了其谐振特性。试验结果表明,所研制的砂轮变幅器的谐振试验频率与理论设计频率一致,其输出端振动位移的试验值与仿真值的相对误差为7.83%,符合旋转超声内圆磨削的要求,验证了理论分析模型求解的正确性。研究结果为旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计提供了便捷且有效的方法。     

超声变幅杆设计方法研究

超声变幅杆是超声振动系统中一个重要的组成部分,经常在高声强超声中应用。从声学角度出发,对超声变幅杆有许多种设计方法。本文在综合有关文献的基础上,阐述了常用的设计变幅杆的方法,如传统的设计方法,等效电路法,替代法(机械阻抗相等法),传输矩阵法,有限元法,表观弹性法等等。文中比较了这些设计方法的特点,提出了应用相应方法时应该注意的问题。为了能进一步简化设计,方便记忆,文中提出了用设计方法本身统一各单级变幅杆各性能参数的表达式等今后需要研究的问题。     

四端网络法统一变幅杆的性能参量

超声变幅杆是超声加工装置中的一个重要的组成部分,其种类较多,且每一种类的各项参数计算较复杂和繁琐,给实际设计带来困难。利用四端网络的方法,对各类型变幅杆的性能参量,包括频率方程、放大系数、位移节点、输入阻抗等性能参量进行了统一表达,大大简化了变幅杆的计算,便于工程设计。     

Radiation impedance and equivalent circuit for piezoelectric ultrasonic composite transducers of vibrational mode-conversion

The piezoelectric ultrasonic composite transducer, which can be used in either gas or liquid media, is studied in this paper. The composite transducer is composed of a longitudinal sandwich piezoelectric transducer, a mechanical transformer, and a metal circular plate in flexural vibration. Acoustic radiation is produced by the flexural circular plate, which is excited by the longitudinal sandwich transducer and transformer. Based on the classic flexural theory of plates, the equivalent lumped parameters for a plate in axially symmetric flexural vibration with free boundary conditions are obtained. The radiation impedance of the plate is derived and the relationship between the radiation impedance and the frequency is analyzed. The equivalent circuits for the plate in flexural vibration and the composite transducer are given. The vibrational modes and the harmonic response of the composite piezoelectric transducer are simulated by the numerical method. Based on the theoretical and numerical analysis, two composite piezoelectric ultrasonic transducers are designed and manufactured, their admittance-frequency curves are measured, and the resonance frequency is obtained. The flexural vibrational displacement distribution of the transducer is measured with a laser scanning vibrometer. It is shown that the theoretical results are in good agreement with the measured resonance frequency and the displacement distribution.     

纵-扭复合超声振动加工系统设计及频率简并研究

纵-扭复合超声振动加工技术在硬脆性材料的加工中受到越来越多的重视,针对该种需求,设计了一种纵-扭复合超声振动加工系统,基于有限元方法对该类系统普遍存在的频率简并问题进行了研究。利用数值解析方法设计出超声换能器和超声变幅杆,之后在变幅杆上做出螺旋槽,一部分纵向振动转换为扭转振动;以目标频率附近的纵、扭谐振频率尽量接近为原则,利用有限元软件分析系统的结构参数对纵、扭谐振频率的影响规律,实现频率简并;在此基础上对系统进行模态分析和瞬态动力学分析,结果表明系统可以实现纵-扭复合超声振动,验证了此种频率简并方法的有效性和实用性。