超声振动特性在磨削加工系统中的应用

将超声振动特性应用于磨削加工系统中变幅杆的设计,利用振动模态分析和谐振响应分析方法,研究了超声磨削谐振系统和变幅杆的动态特性,确定了变幅杆的共振频率及在该频率下的谐振响应状态,求出了变幅杆自由端面在谐振状态下的振幅,由此获得了变幅杆的振幅放大系数。据此设计了最佳形状的变幅杆,并通过仿真分析验证了其设计合理性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

超声珩齿弯曲振动变幅器的位移特性

超声振动可以有效地减小珩磨力,超声空化现象与切削液的共同作用可以对珩磨轮实现实时动态清洗,从而减小珩磨轮堵塞,提高加工效率,因此超声和珩齿的复合加工是一种应用前景良好的齿轮精加工方法.超声珩齿的加工对象--齿轮,直径大,厚度小,是一类特殊负载,且对振动系统的加工频率影响大,所以在超声振动系统设计时,必须将变幅杆和齿轮全面考虑建立动力学方程.为此,将齿轮简化为圆盘,加工过程中齿轮作只有圆节线的弯曲振动,采用圆锥型变幅杆,推导变幅杆和圆盘组成的变幅器的频率方程,并利用它设计了变幅器,对变幅器动力学参数的数值计算、有限元分析及试验测量结果一致.通过计算变幅器中变幅杆和圆盘各自独立的谐振频率,发现与变幅器的谐振频率误差较大,说明变幅器设计时必须同时考虑变幅杆和圆盘的相互作用,否则设计的变幅器谐振频率误差过大.     

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。     

带工具头变幅杆的优化修整及其振动性能试验

基于波动理论对变幅杆进行设计,借助有限元软件对变幅杆进行优化,提出复杂截面变幅杆优化修整的方法,获得结构参数对变幅杆固有频率的影响规律,该规律可为变幅杆的现场修整提供一定理论依据。按优化结果制作变幅杆,并对其进行振动性能试验,试验结果表明:系统振动性能良好,频率为34.813kHz时出现谐振点,振幅为11.38μm,其与有限元分析所获得的结果高度吻合,由此从试验角度佐证了该优化修整方法的可行性。     

超声珩齿复合变幅器设计及其动力学研究

在超声珩齿加工中,由变幅杆和被加工齿轮组成的变幅器的设计是一项关键技术,探索新型变幅器显得非常重要。基于变截面复合变幅杆纵向振动波动方程和中厚圆环板弯曲振动位移方程,根据复合变幅杆与中厚圆环组成的超声珩齿复合变幅器的非谐振性和边界条件,推导了系统的谐振频率方程,利用数值计算对设计参数、谐振频率、变幅杆及圆环振幅分布等进行研究,同时分析了变幅器几何参数对系统谐振频率的影响。结果表明,有限元分析结果与理论计算结果和实验测试基本一致,系统谐振频率随复合变幅杆各段长度的增加而减小;当复合变幅杆大小端半径比和各段长度保持不变时,系统谐振频率随两端半径成比例地增加而增加;其他参数不变时随圆环厚径比地增加而增加,其结论不仅证实了非谐振理论的正确性,而且为超声珩齿变幅器的设计和应用提供了理论依据。     

Influence of force load on the stability of ultrasonic longitudinal–torsional composite drilling system

This study aimed to investigate the problems of system detuning, amplitude attenuation, and even vibration stop after the load was applied to the acoustic system during ultrasonic-assisted vibration processing. In the theoretical part, the overall theoretical model of the ultrasonic longitudinal–torsional composite drilling system (ULTCDS), including the longitudinal–torsional composite horn, transducer, and load was established based on the four-terminal network, combined with the longitudinal and torsional vibration equations of the variable cross-section rod. Also, the influence of the load on the input impedance and output amplitude of the acoustic system was preliminarily analyzed. In the simulation part, the static and dynamic drilling force was simulated by the pre-stressed modal and transient dynamic analyses, and the influence of the force load on the resonant frequency and output amplitude of the system was further explored. In the experiment part, the static force loading test and the ultrasonic drilling test of titanium alloy were designed. The micro-morphology of drilling holes under different processing parameters was observed, and the influence of force load on the system characteristics and stability was explored. The results showed that when the system was subjected to a force load greater than 400 N, the system current and frequency were greatly offset, the electromechanical conversion efficiency reduced, and the amplitude was attenuated to below the amplitude at empty load. In the ultrasonic-assisted drilling of titanium alloy processing, the acoustic system undergoes an obvious detuning phenomenon and the drilling quality is attenuated when the current increased by more than 60% and the frequency changed by more than 350 Hz, affecting the stability of the system and the ultrasonic-assisted processing effect.     

弯曲振动圆盘振动特性试验研究

对超声振动系统中弯曲振动圆盘的振动特性进行了试验研究,结果表明,减小圆盘厚度,谐振频率减小;减小圆盘直径,谐振频率增大。在振动系统设计中,将变幅杆与弯曲振动圆盘设计成一体,克服了原来由于螺纹连接所造成的缺陷。通过试验得知,弯曲振动圆盘是以弯曲振动为主,存在一定反射波的干扰,并且圆盘具有增幅特性,圆盘的最大振幅约为18μm。所获得的结论对振动系统结构设计以及在超声深孔珩磨中的应用有一定的参考价值。     

超声珩齿加工工件对谐振频率影响的研究

将超声珩齿加工变幅杆和被加工齿轮组成的超声振动系统简化为变幅器,基于圆锥形变幅杆和环盘(被加工齿轮)组成变幅器的频率方程,导出齿轮半径、厚度变化对谐振频率的影响,以及变幅杆的调整规律,并运用有限元分析的方法对设计结果进行了验证,从而为变幅杆及工作频率的设计选择提供了依据。     

变幅杆外形结构对超声纵向振动性能参数的影响

应用Pro/MECHANICA软件对阶梯形变幅杆进行模态分析和修正,求出放大系数、共振频率、位移节点等重要参数,分析了变幅杆外形结构尺寸的变化对超声纵向振动性能参数的影响。     

基于频率灵敏度方法的超声键合换能器结构优化

针对超声换能器设计上存在的双共振峰或多共振峰等常见问题,提出了一种基于频率灵敏度方法的换能器结构优化设计方法。以芯片键合超声换能器为例,采用模态频率灵敏度的方法,通过最小量地修正变幅杆的直径,实现轴向工作频率与其他非工作频率的分离,有效地抑制了工作频率附近杂散的非工作模态对自身模态的干扰,确保在工作状态下换能器被驱动在单一的工作频率,从而提高了超声能量输出的稳定性。     

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。     

超声珩齿指数型变幅器动力学特性研究

为研究超声珩齿振动系统的非谐振设计,扩展该理论的应用范围,提出中厚圆环板及变幅杆组成的变幅器的力耦合条件,建立了变幅器的数学模型,基于Mindlin理论推导了变幅器的频率方程。利用MATLAB软件求出了变幅器设计参数的数值解,得出了一组变幅器的设计参数,用有限元对进行模态分析,发现与理论设计要求的振型和频率完全相同,从而验证了非谐振设计方法的可行性。该理论方法使变幅器设计由含薄圆环板类齿轮的情况拓展到含中厚圆环板类齿轮的情况。     

车用扭振减振器性能检测试验台

为解决车用扭振减振器与发动机匹配实验危险系数较高的问题,基于虚拟仪器技术开发了一套车用扭振减振器性能检测试验台.试验台控制系统模拟车用发动机产生扭转振动,通过变频器及变频电机实现了扭振激励的转速、频率及振幅可调.信号采集系统由多路磁电传感器及NI-DAQ采集设备组成.试验台采用高频记数原理,记录测速齿盘旋转过程中每一齿...     

基于灵敏度分析的汽车动力传动系扭振特性优化

利用偏导数法分析得出汽车动力传动系无阻尼自由扭振固有频率和振型对转动惯量和扭转刚度的灵敏度。以某车型动力传动系扭振特性为例,通过分析固有频率和振型对转动惯量和扭转刚度的灵敏度,找出对固有频率和振型影响最灵敏的结构参数,对其进行动力学修改,实现传动系固有频率和振型的优化,从而减轻扭振的程度。研究成果可为汽车传动系的动态特性优化提供依据。     

局域共振型周期双层板简化模型带隙特性研究

基于广泛研究的声子晶体单板结构,通过在板面之间周期贴附"弹簧-质量块"共振单元,提出局域共振型声子晶体双层板简化模型。通过对传统平面波展开法加以改进,建立改进平面波展开法用于计算该模型能带结构。数值结果和分析表明,在低频段,能带结构可以打开一条完整的带隙。扭簧以及软材料的尺寸和黏性对带隙的影响比较明显,但转动惯量对带隙几乎无影响。该研究方法及结果可以为工程中减振降噪领域双层板甚至夹层板类声子晶体结构的研究提供理论参考。