傅里叶变幅杆的外形函数与性能分析

为设计振幅放大系数和形状因数均优良的变幅杆,研究了以不同阶次的傅里叶级数为振动位移函数的傅里叶变幅杆模型。推导了不同阶次傅里叶级数时变幅杆的外形函数,计算了相应的形状因数和位移节点。利用有限元方法计算了变幅杆的谐振频率、位移幅值和位移节点,并比较了其与传统变幅杆的性能优劣。结果表明:当面积系数较大时(大于3.34),阶梯形变幅杆的振幅放大系数最大,其次是二阶傅里叶、悬链线形、指数形,最小为圆锥形;圆锥形变幅杆的形状因数最大,其次是指数形、悬链线形、二阶傅里叶,最小为阶梯形。谐振频率与面积系数相同的条件下,二阶傅里叶变幅杆的振幅放大系数远大于指数形、悬链线形和圆锥形变幅杆的相应值,其形状因数远大于阶梯形变幅杆。在同时考虑振幅放大系数和形状因数的条件下,相较于传统变幅杆,二阶傅里叶变幅杆综合性能更好。

超声变幅杆与杯型工具一体化设计

基于细长杆纵振理论和薄圆盘振动理论,针对超声变幅杆与杯型工具开展一体化设计研究。通过分析各段的振动模态,将超声变幅杆和杯型工具的振动分为"纵-弯-纵"三个部分,分别建立三段位移和应力函数及边界条件,推导得出超声变幅杆和杯型工具的总体频率方程。根据得到的总体频率方程,设计出典型的超声变幅杆和杯型工具。对所设计的超声变幅杆和杯型工具的振动性能进行有限元分析和试验测试,分析和试验结果表明,超声变幅杆和杯型工具谐振频率的设计结果和有限元分析及测试结果的误差均在10%以内,验证了所建立的超声变幅杆和杯型工具的频率方程的正确性,并分析了各段长度和半径对超声变幅杆和杯型工具谐振频率的影响规律,为其谐振频率的修正提供了依据。

一种基于纵弯夹心式换能器的直线超声电机

该电机利用夹心式换能器激励纵向和弯曲振动,通过一定相位差,在驱动足上形成椭圆振动轨迹。采用了指数形变幅杆放大纵振振幅以提高电机速度。利用经典换能器变幅杆理论确定换能器和变幅杆尺寸和纵向谐振频率,并辅以有限元方法来简并纵向和弯曲振动频率。驱动足处于变幅杆不同位置时驱动椭圆振动轨迹有所不同。用有限元法研究了不同形态的椭圆振动轨迹对电机输出性能的影响,发现当驱动足位于弯曲驻波波腹处电机性能最稳定。样机的最大速度480mm/s,最大推力25N。

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。

旋转超声加工振动系统的研究

利用振动理论进行旋转超声振动系统的结构设计,可以获得振动系统的放大系数,应力分布和速度分布等重要参数。并把ANSYS有限元分析软件应用于简单的阶梯形变幅杆进行模态分析,得到共振频率19575Hz,设计误差仅为2.12%,证明其有限元方法能够满足旋转振动系统的工程设计要求,从而提高其设计的效率和可靠性。

功率超声加工关键技术的研究进展

功率超声加工是现代超声技术的重要组成部分,在新型材料加工上有着广阔的应用前景。简要介绍超声加工技术的发展,着重讨论了超声加工技术中超声波电源、超声换能器、变幅杆和工具等关键技术的研究现状,最后结合作者近几年的研究成果,提出超声加工技术的发展趋势。

非谐振大工具头变幅杆优化设计及声学特性测试

采用分段近似趋近法,将砂轮简化为圆柱体,将它和变幅杆组合成变幅器并建立整个变幅器的动力学模型。利用传输矩阵对其进行理论分析,并得到各段直径、长度对整个变幅器放大系数的影响规律。在此基础上进行ANSYS有限元优化,优化后频率偏差降低了4.7 Hz,放大系数增加了1.73%,位移节点向前移动了6.9mm。相关动力学特性测试发现,所设计的超声声学系统的输出端能够达到滴水雾化的效果,且在8h连续工作过程中纵振效果良好,从而实现了非谐振大工具头变幅杆的设计。

一种适用于声化学的新型复合超声变幅杆

提出一种新型复合超声变幅杆,该变幅杆总长为一个波长,由五段组成,其中三段为等截面圆柱杆,两段为变截面圆柱杆。给出了该类复合变幅杆的设计方法,并计算了两个实例。结果表明,和普通使用的半波长复合变幅杆相比,该类复合变幅杆具有在不减少甚至增大辐射面积的情况下放大振幅的特点,这对提高整个超声系统的辐射声功率和辐射效率具有积极意义。此类复合变幅杆特别适合在声化学等超声液体处理领域使用。

带有成形工具头的超声抛光变幅杆研究

模具内腔抛光是模具加工的瓶颈,为了解决手持式超声抛光机低效率、加工品质不容易保证的问题,拟采用可以更换不同成形工具头的自动超声抛光设备,这就需要研究加上不同工具头后对超声变幅杆的影响。基于变幅杆设计理论和有限元分析技术,深入研究了加上成形工具头后整个变幅杆的纵振频率的变化情况,研究结果表明小型成形工具头对于整个变幅杆的纵振频率的影响可以忽略不计。

超声振动车削中复合变幅杆的设计与研究

为了解决单一形状的变幅杆有时无法满足超声振动车削中实际需要的问题,运用传输矩阵法推导了一种三段式复合变幅杆空载时的频率方程和放大系数一般公式;依据公式结合matlab软件完成了该三段式复合变幅杆的设计。应用有限元仿真软件Ansys对该复合变幅杆进行模态分析和谐响应分析,通过比较验证了传输矩阵法计算的准确性。最后,利用该仿真软件研究了车削刀具对变幅杆共振频率的影响并对变幅杆的尺寸进行了修正以使其满足超声振动车削的实际需要。以上的分析计算为超声振动车削变幅杆的设计修正及车削刀具的选用提供了理论依据。

适应自动换刀功能的超声电主轴结构设计及实验研究

将HSK刀柄作为半波长复合变幅杆的一部分,并考虑超声振动对主轴旋转精度和寿命的影响,提出一种基于HSK标准刀柄、适应加工中心自动换刀功能的超声振动电主轴。将拉爪与刀柄接触面作为变幅杆的设计节点,利用四端网络法确定复合变幅杆的尺寸参数和工作频率。自由模态分析结果表明,主轴临界转速和变幅杆工作频率下的模态振型与理论计算相吻合。预应力模态分析证明,受拉力时变幅杆能正常工作。通过阻抗分析及实验振幅测量,得到变幅杆的实际工作频率,为20552 Hz,此频率下刀具端部产生最大5μm的稳定周期性振动。研究结果有利于推动超声加工中心的实用化。

平行砂轮超声磨削刀柄设计与加工试验研究

针对目前超声磨削谐振系统中磨具尺寸较小的现状,提出了砂轮变幅器设计原理。设计了平行砂轮的纵弯谐振超声磨削主轴刀柄,由纵向振动变幅杆、横向弯曲振动平行砂轮、换能器、套筒、导电滑环、标准接口刀柄组成。通过阻抗分析、振幅测量实验,研究了超声磨削主轴刀柄的谐振特性。以磨削速度、进给速度和磨削深度为变量,完成了有无超声状态下Si Cp/Al复合材料单因素正交磨削加工试验。结果表明:超声磨削可以显著降低磨削力、降低表面粗糙度、提高零件表面质量。为进一步改善超声磨削刀柄结构、磨削工艺,提高加工效果提供了技术支持。

一种圆弧过渡阶梯型超声变幅杆的节点法兰优化与参数型设计

超声波塑料焊接的纵振变幅杆需要易于装夹的无振动法兰,但薄片状法兰不易保证足够的刚度和加工质量,而厚片法兰易造成变幅杆的共振频率偏移,针对上述问题,对一种圆弧过渡阶梯型变幅杆进行了初步设计。在变幅杆的节点位置添加了薄片状法兰,然后对薄法兰的外侧加块,再利用ANSYS Workbench的Shape Optimization工具对块结构进行了优化,实现了在质量增加较少的情况下保证法兰处的强度;之后以两圆柱的长度为设计变量,对变幅杆进行了参数型设计,修正了变幅杆的长度,使其共振频率在19. 75 k Hz～20. 15 k Hz范围内,且节点恰好位于法兰处。研究结果表明:优化后的变幅杆振型呈轴向阶梯型分布,法兰无振动且易于装夹,薄片状法兰式变幅杆质量为0. 85 kg;优化后的变幅杆质量为0. 914 kg,质量增长了7. 5%,等效应力减少了21. 4%,最大主应力减少了59. 6%。

直刃尖刀形状对超声辅助切削系统振动性能的影响

基于超声振动设计理论并结合超声振动变幅杆,设计了一种用于弱刚度材料超声辅助切割的直刃尖刀。建立了直刃尖刀和超声振动系统一体的有限元模型,系统分析了直刃尖刀刀体长度、厚度参数对超声振动系统谐振频率、振幅放大倍数和刀具纵向振幅的影响,探讨了刀具横向和侧向振幅沿刀具轴线方向的分布规律。针对特定的超声振动系统,确定了综合性能最优的刀具参数。研制了具有不同形状参数的去刃模拟刀具,并安装于同一超声振动系统进行测试,对仿真分析结论进行验证,理论分析与试验结果相一致。根据理论分析确定的最佳参数研制了直刃尖刀并测试了其振动性能。研究结论对超声辅助切削加工的直刃刀尖的研制提供了理论指导。

超声磨削杯形工具变幅器的设计与试验分析

为得到更为有效的设计理论,将杯形工具变幅器分为圆锥形变幅杆、圆盘和圆管三部分,利用Mindlin中厚板理论求得圆盘的位移、转角、弯矩和剪力的解析表达式,并建立了圆锥变幅杆和圆管的位移与应力函数关系。通过振动单元之间的连续条件以及振动单元的边界条件,建立了杯形工具变幅器整体的频率方程。基于此理论设计了杯型工具变幅器,通过有限元模态分析、阻抗分析试验和超声谐振试验对设计理论进行了验证。仿真结果表明,变幅器的谐振频率与设计频率相符合;试验结果表明,谐振系统的实测频率与设计频率相符合。试验结果验证了杯形工具变幅器设计方法的正确性,为超声磨削系统的设计提供了理论依据。

一种压电换能器直接驱动钻具的超声波钻探器

为满足深空探测任务中,空间环境苛刻的外星体表面岩石钻取采样任务的使用需求,本文设计了一种基于压电驱动原理,可搭载在漫游车机械臂末端的超声波钻探器。超声波钻探器的压电换能器直接与钻具发生冲击碰撞,以驱动钻具作高频冲击运动,达到冲击破碎岩石的目的。设计了钻探器的压电驱动单元,并理论分析了压电换能器变幅杆与钻具的冲击碰撞过程。通过实验研究了超声波钻探器对砂岩的钻进性能及钻压力与钻具长度对钻探器钻进性能的影响。实验结果表明:所研制的超声波钻探器可对砂岩进行有效钻进,而且所需的钻压力较小,可用于彗星、小行星等弱引力场的地外天体表面岩石的钻取采样。

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。

一种通用超声工具头的设计与钻削试验

介绍了一种通用机床超声振动工具头的设计原理与方法。利用力电类比和四端网络法,构建了超声工具头换能器的等效网络图,通过电路运算,得到了换能器的频率方程与前后端面振速比的计算公式,据此设计了谐振特性良好的1/2波长超声换能器。进行了超声与普通特种玻璃钻削对比试验。试验表明,利用通用超声工具头材料去除率可达到普通钻削的3倍,且齿面质量明显提高。

一种大功率超声换能器的设计

基于超声换能器设计理论,提出一种大功率超声换能器的设计及工程计算方法。该换能器由纵向振动夹心式换能器、半波长圆锥形变幅杆和盘棒式工具头组成,根据设计参数及特点,实际制作换能器,通过测试该换能器频率f=20.24kHz,标称功率可达1500W,符合设计初衷。进而验证了这种计算方法的可行性。该换能器可用于污水处理、油田开采及生物柴油等领域的技术开发中,具有推广价值。

材料和几何形状对变幅杆固有频率的影响研究

超声复合加工的加工能力与变幅杆的振动特性有关,为了提升材料利用率,利用模态分析法对四种常用几何形状,及铝合金、钛合金和45钢三种材料的变幅杆进行了模态分析。结果表明:在理想轴向振动模态下,四种几何形状中,指数形的固有频率最高,其中钛合金指数形变幅杆的仿真频率与设计频率最接近;铝合金圆锥形变幅杆的频率与泊松比、密度呈负相关,与弹性模量的呈正相关;四种几何形状中,阶梯形变幅杆固有频率范围最宽,圆锥形变幅杆最窄。对于需要频繁更换工具头的超声系统可选用固有频率的范围较大的45钢阶梯形变幅杆。以上结论为超声复合加工中变幅杆选材提供了参考。