超声变幅杆的动力学分析

超声变幅杆是功率超声振动系统的重要组成部分,它的主要功能是把机械振动位移放大并把能量集中在较小的辐射面上,变幅杆的放大系数是超声振动系统中的重要参数。用微元法建立圆锥形超声变幅杆纵向振动的波动方程,用分离变量法和连续振动体的边界条件求解超越波动方程,得到圆锥形超声变幅杆放大系数与变幅杆的大小端直径之比、长度以及外激频率3个变量之间的数学表达式。为研究变幅杆的放大系数与变幅杆的大小端直径之比、长度以及外激频率的关系,依次把3个变量中的2个变量设为常量,对另外一个变量进行抽样,计算变幅杆的放大系数。通过Matlab对超声变幅杆放大系数的样本计算数据进行曲线拟合,定性分析了圆锥形超声变幅杆放大系数随变幅杆大小端直径之比、长度、外激振动频率变化的关系。     

超声变幅杆的动力学分析（英文）

超声变幅杆是功率超声振动系统的重要组成部分,它的主要功能是把机械振动位移放大并把能量集中在较小的辐射面上,变幅杆的放大系数是超声振动系统中的重要参数。用微元法建立圆锥形超声变幅杆纵向振动的波动方程,用分离变量法和连续振动体的边界条件求解超越波动方程,得到圆锥形超声变幅杆放大系数与变幅杆的大小端直径之比、长度以及外激频率3个变量之间的数学表达式。为研究变幅杆的放大系数与变幅杆的大小端直径之比、长度以及外激频率的关系,依次把3个变量中的2个变量设为常量,对另外一个变量进行抽样,计算变幅杆的放大系数。通过Matlab对超声变幅杆放大系数的样本计算数据进行曲线拟合,定性分析了圆锥形超声变幅杆放大系数随变幅杆大小端直径之比、长度、外激振动频率变化的关系。     

基于旋转超声加工的GFRP罐体侧壁开孔系统设计

针对传统的玻璃钢罐体人工开孔方式存在开孔效率低、定位精度低差、开孔质量低等问题,设计一种针对GFRP罐体侧壁开孔的旋转超声加工系统。系统包含工件的输送、装夹、旋转超声主轴、进给驱动和刀具位置调整等部分,重点介绍旋转超声主轴和进给系统。运用有限元法设计带有开孔器的变幅杆,获得满足谐振频率的变幅杆结构,并通过有限元软件对带有开孔器的变幅杆进行谐响应分析,发现刀具振动方向以轴向为主且振动幅度满足要求。     

超声振动钻削声学系统的设计研究

通过对超声振动钻削系统的理论分析，给出了不同的纵向振动圆锥形变幅杆设计公式，分析了面积系数与谐振长度、位移节点、极大值点、放大系数和形状因素之间的关系。用实例分析了几种变幅杆的不同点，并指出设计超声振动钻削声学系统时推荐采用复合变幅杆。     

超声振动系统的数值仿真研究

旋转超声加工是加工硬脆性材料的一种很有效方法,而超声振动系统是其核心和关键。借助ANSYS对超声振动系统的超声换能器、变幅杆进行数值仿真,求出谐振频率、放大系数等重要参数,分析了变幅杆不同的过渡圆弧尺寸和外形结构对超声纵向振动性能参数的影响。     

超声波镗削复合振型变幅杆的设计与分析

超声振动加工在难加工材料方面的应用越来越广,而在镗削中应用的不多。大量的实验证明复合振动加工效果优于普通振动加工效果,而如何在超声镗削加工中实现"复合"是一个棘手的问题。针对复合超声镗削,设计一种实现纵扭复合振动的变幅杆。阐述振型转换原理,进行结构计算,借助有限元软件ANSYS分析结构各项参数对性能的影响并总结规律,为复合超声镗削变幅杆的设计和优化提供了参考。     

超声珩齿系统中新型复合变幅杆的设计与研究

在对超声珩齿系统中新型复合变幅杆进行理论分析的基础上,采用有限元软件ANSYS对变幅杆作了模态分析,并建立了一套超声振动谐振频率测试系统.理论计算、有限元分析和实验测量三者结果相比,符合较好,为超声变幅杆的设计优化提供了新的途径.     

基于Mindlin理论的新型模式转换超声振动系统设计与研究

基于波的纵振动理论和Mindlin厚板弯曲振动理论,设计研究了由三段复合变幅杆、中厚圆盘、大尺寸圆筒组成的新型模式转换超声振动系统.对所设计的振动系统进行数值计算和有限元模态和谐响应分析,同时研究各几何参量对振动系统谐振频率的影响规律,并通过实验进行测试.结果表明:设计结果和有限元分析及测试结果之间的误差较小;系统谐振频率随着圆盘厚度的增加而增大,随着变幅杆大小端半径的增加而增加;随着变幅杆各段长度、圆管段高、内径的增大而减小.研究结果验证了所建立的新型超声振动系统谐振频率方程的正确性,所设计系统的结构合理、振动效果良好,为谐振频率的修正提供了依据,也为超声辅助加工技术特别是硬脆材料曲面的高精度加工提供了一种新型超声振动系统.     

一种用于精密振动切削的超声振子的设计与实验研究

精密超声振动切削是一种特种加工方法,对这种切削加工方法的研究工作在国内正处于快速发展阶段,为了能解决其中振动产生的问题并实现精密加工的要求,研制了用于精密数控车床上的超声振子,其中换能器采用压电夹心式结构,变幅杆采用复合式结构,其功能是产生满足切削加工要求的超声振动,并通过仿真与实验的方法验证了设计的变幅杆的性能满足切削加工的要求.最后,进行了精密切削实验,并进行了加入超声振动后与不加振动的车削工件表面粗糙度值的研究,得出超声车削出的工件表面质量优于普通车削.     

超声辅助微细磨料水射流加工装置的研制及实验研究

为了提高磨料水射流的加工性能,设计了超声辅助微细磨料水射流加工系统,磨料供给采用前混合方式。超声喷嘴装置是该系统的关键,并研究了其加工机理,利用超声振动产生具有空化效应的脉冲水射流,通过脉冲射流的高强度动压力作用和空化作用以提高磨料水射流的加工能力。变幅杆是超声装置的核心部件,通过有限元分析验证变幅杆的性能,确保变幅杆能够有效且准确地工作。冲蚀实验证明:超声振动作用可以提高冲击力及材料去除率。然而,随着振幅的增加,表面质量下降。     

超声振动挤压强化工艺研究（五）──变幅杆设计中的几个问题

作为前文的继续，对变幅杆设计计算过程中遇到的几个问题，作了试验分析。着重介绍了变幅杆尺寸对超声振动参数的影响规律及工具头与变幅杆连接后对振动的影响。     

开斜槽纵－扭复合振动阶梯形变幅杆设计

基于声波传播基本理论,探讨了单激励下斜槽传振杆实现纵-扭复合振动的机制。采用有限元分析方法研究了阶梯形复合变幅杆结构尺寸对其固有频率的影响规律,设计出了谐振频率在20 k Hz左右的纵-扭复合振动变幅杆。研究结果表明:谐振频率为20 498 Hz时该变幅杆能在纵向振动单激励下实现纵-扭复合振动,且振幅呈周期性变化。此研究结果可应用于超声纵-扭复合振动加工声学系统的设计。     

45钢超声振动钻削加工机理及其试验研究

通过超声振动加工技术对45钢进行钻削加工试验,研究超声振动加工技术的钻削机理、加工孔的表面微观形貌、切屑形态,以及超声振幅和主轴转速对加工孔表面粗糙度的影响规律。结果表明:在普通车床CA6140上利用超声振动发生器、换能器、变幅杆连接钻头对45钢进行钻削,可实现传统钻削加工与超声振动钻削加工的良好结合,有效改善孔内表面的形貌,降低表面粗糙度值,且切屑形态规整;同时,超声振幅控制在20μm最佳,主轴转速在320~400 r/min范围内的加工效果较好。     

大振幅比超声变幅杆的优化设计

以提高超声加工中的材料去除率为目的,基于ANSYS有限元模态分析、谐响应分析模块,利用ANSYS优化设计方法对变幅杆的形状与谐振长度进行优化,完成了在满足许用应力条件下具有大振幅比的新型变幅杆设计.     

微小孔加工超声电火花系统设计

在难切削材料的微小孔电火花加工中,电火花机床的电极丝一般由机床电主轴端部引入导向套中定位,基于此设计一种通孔式超声系统。所设计的指数过渡阶梯形变幅杆能将两种单一形变幅杆的优势结合起来,且便于电极丝的放入。结合所购置的超声发生器和换能器将此变幅杆的谐振频率设计为43 kHz,大端面设计为20 mm,小端面设计为12 mm。计算其余参数后使用ANSYS进行有限元分析、参数优化,并对加工后的超声系统进行阻抗分析试验,再安装于电火花机床上对不同材料进行微孔加工,观测入口形貌。计算与试验表明：仿真优化后的超声系统的频率与实际频率相差很小,稳定性较高;添加超声加工微孔,不论是加工效率还是孔的表面形貌,都比普通电火花加工质量好。试验结果验证了该超声系统符合初始设计要求。     

超声加工中变幅杆的动力学分析

运用ANSYS软件动力学分析中的模态分析和谐响应分析方法，研究了超声加工中变幅杆的动态性能。找出变幅杆的固有频率，并在变幅杆达到谐振状态的条件下，求出自由端面的振幅，由此得到变幅杆的振幅放大比，为超声加工中变幅杆的设计提供了一种新方法。     

基于ANSYS Workbench的超声振动系统设计与优化

超声振动系统传统的设计方法普遍存在计算量大且精度不高的缺陷。在设计过程中引用有限元分析软件ANSYS Workbench对换能器、变幅杆和工具头等进行静力、模态、谐响应的模拟分析,得出了各部分最大、最小的位移和应力值出现的部位以及谐振频率的大小,对不合理的设计尺寸进行优化和修正。最终确定了换能器的尺寸和预紧力大小,变幅杆放大系数为2.36,阻抗为8Ω;工具头放大系数为1.27,端面最大振幅为5.5μm。将设计的超声振动系统应用到超声辅助振动拉伸、压缩试验中,当载荷为10 k N时,振幅为5.4μm,仅衰减1.8%。     

抗性负载的余弦形复合变幅杆设计及动力学特性研究

为了解决简单形状变幅杆有时无法满足实际工程应用需要的问题,运用变幅杆纵向振动等效四端网络的方法,推导出质量抗性负载的余弦形复合变幅杆频率方程和放大系数一般公式;同时讨论负载变化对变幅杆性能的影响.依据理论通式设计了一个变幅杆,应用有限元软件ANSYS对其进行模态分析和谐响应分析,结果表明:其共振频率和放大系数与设计理论值吻合较好,从而验证了设计的合理性,为超声复合变幅杆和工具的设计和应用提供了一定的理论依据.     

超声振动辅助微塑性成形系统设计与开发

针对微塑性成形工艺过程对位移、力等参数精确控制的要求,分析了超声振动辅助成形系统的设计要点,提出了关键设计参数。超声振动辅助微塑性成形系统由机床本体系统、超声振动系统和伺服控制系统等主要单元组成。机床本体设计参考四柱液压机结构形式,采用两端固支梁和压杆的简化模型,计算得到主要结构尺寸,并用ABAQUS验证其刚度。通过选用匹配的超声发生器和换能器,满足成形过程中的超声振动要求,利用理想变截面杆纵振波动方程设计变幅杆结构,并用ABAQUS进行变幅杆模态分析,确保设计振幅满足要求。伺服控制系统采用可编程多轴控制器PMAC卡控制伺服电机,通过光栅尺和力传感器反馈实现高精度的位置及成形压力控制。通过测试证明在纯铜压缩试验中叠加超声振动,成形压力显著降低,成形精度达到4μm。     

超声-TIG复合焊枪变幅杆水冷装置的设计

与常规TIG焊相比,超声-TIG复合焊可显著提高焊接效率、改善焊缝组织和力学性能,应用前景广泛.复合焊枪中超声振动系统对温度敏感,温度过高导致超声作用减弱甚至消失.为保证超声振动稳定输出,在变幅杆节点处加工环形槽通循环冷却水,对振动系统进行冷却.利用设计水冷后的复合焊枪进行定点焊接和变幅杆与换能器的测温试验,发现冷却后升温速度降低,峰值温度也分别从62℃和53℃降低到33℃,冷却效果明显.焊接电流为160 A的厚板铝合金堆焊试验结果表明,冷却变幅杆后复合焊枪连续稳定可焊时间从40 s增加到至少3 min.振动系统的温度始终低于37℃,且趋于恒值.复合焊枪焊接稳定性和大电流承载能力提高.