具有夹角结构纵振动变幅杆的设计方法

变幅杆是功率超声纵振系统中的关键部件之一,常见的是沿直线方向传播的变幅杆.有的应用场合需要变换纵振动传输方向.本文研究了具有夹角结构的超声纵振动变幅杆的设计方法.利用两端自由边界条件和夹角连接处的位移、力、弯矩及转角连续条件建立了设计变幅杆的频率方程,给出了计算变幅杆振幅放大系数的方法.利用本文中提出的设计方法,计算了若干个由两段杆组成的不同夹角的变幅杆的谐振频率,与有限元计算结果及Vib Pilot系统测试的变幅杆频率基本一致;后与谐振频率为19.8k Hz的压电换能器相连接,激光测振仪测试了系统的谐振频率、变幅杆的放大系数及变幅杆输出端面的振型.测试得到的变幅杆的放大倍数、振型与计算结果吻合.测试的端面振型呈活塞振动,说明在谐振频率上将换能器激励的沿水平方向的纵向振动,经过变幅杆成功地变换到了其输出端上.最后,对该型变幅杆作了大量计算,得出了放大倍数随几何尺寸变化的规律.     

输出端为锥形的夹角型超声变幅杆

传统超声变幅杆能量沿轴线方向传播,有些应用场合需要改变纵振动传播方向,并有较好的振幅放大系数.作者提出了输入端为均匀圆柱、输出端为锥形的夹角型超声变幅杆.为了研究该文所提出的变幅杆的声学特性,利用有限元方法计算了不同尺寸超声变幅杆纵振动的谐振频率、放大系数与位移分布.结果显示,谐振频率、放大系数都与变幅杆的夹角、输入输出杆的几何尺寸有关;同尺寸锥形输出杆的变幅杆比均匀杆输出杆的放大系数更大,影响振幅放大系数的主要因素是变幅杆的截面比.加工了9个不同尺寸变幅杆并利用激光测振仪测试了其振型、频率、与振幅放大系数,结果表明在输出端上成功实现了纵振动传输,振幅得到了放大,且放大系数测试值与计算值基本一致.     

夹角型纵振变幅杆的有限元设计

对夹角型纵振动变幅杆进行了有限元设计,计算了不同尺寸变幅杆纵振动谐振状态下的放大系数与纵振动位移分布。结果显示:放大系数主要受变幅杆输入杆与输出杆的长度及半径的影响,输入杆与输出杆间的夹角对放大系数影响不大。而纵振动位移分布与节点位置则受角度影响较大。加工了5个不同尺寸变幅杆并利用激光测振仪测量其振型与纵振动放大系数,测试显示纵振动可由输入端传递至输出端上,放大系数测试结果与有限元计算一致。     

夹角型超声变幅杆的矩阵解析法

对新型的夹角型超声变幅杆的设计方法进行研究,借鉴传输矩阵法的思想利用一维振动理论推导了均匀杆两端界面各矢量间关系的特性矩阵,结合变幅杆连接处位移、力、转角和力矩的连续条件得到了夹角型超声变幅杆谐振频率的矩阵解析法.计算了不同尺寸变幅杆的谐振频率,计算结果与实验测试结果相一致.     

径向穿孔超声变幅杆纵振特性的有限元分析

为解决大功率超声换能器的发热问题,对径向穿孔变幅杆的纵向振动特性进行了研究.利用有限元数值仿真方法探讨了穿孔深度、孔径及穿孔数量对变幅杆共振频率的影响,以及有无穿孔情况下其轴上位移振幅及振速的分布.结果表明:一端穿孔使得变幅杆谐振频率增大,节面穿孔使得变幅杆谐振频率降低,且基频频率仿真结果和理论计算结果的相对误差随穿孔数量、孔径及穿孔深度的增加而减小;不同位置穿孔对等截面及变截面变幅杆位移及振速放大系数影响均不大,且均对变幅杆节面位置影响很小;一端穿孔的变幅杆可获得更高的振动位移及振速;数值计算与有限元仿真结果较好吻合.此结果将有利于散热型大功率超声换能器的研究.     

APDL语言优化设计复合超声变幅杆

为得到大振幅比的复合型变幅杆,研究了优化设计的方法.以窄端带有圆锥杆复合指数形变幅杆为例,在给定谐振频率和变幅杆大端及小端直径条件下,以谐振长度为设计变量,谐振频率为状态变量,放大系数为目标函数进行APDL语言优化设计.以得到的最佳设计序列,与传统解析法和程序结合的优化设计方法进行比较.结果表明,有限元优化方法与传统解析优化法得到的最大放大系数值相同.文章提供了一种有限元优化设计变幅杆的方法.     

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。     

超声纵振动空心变幅杆的特性

基于解析法推导了内孔分别为锥形和柱形的锥形变幅杆的频率方程及各参数表达式,利用有限元法计算了这两种变幅杆和对应空心部分填实后实心杆的应力及振动位移沿轴向分布的规律。结果表明:谐振频率和面积系数相同时,内孔为锥形杆的放大系数最大,柱孔杆次之,实心锥形变幅杆最小;各变幅杆的位移节点与应变极大位置之和近似等于其半波长谐振长度。进一步还证明了空心变幅杆与实心变幅杆具有相同的等效电路。     

带压电片的阶梯形变幅杆的优选

在功率超声中,经常将压电片和阶梯形变幅杆组合在一起使用,其组合形式是多种多样的,到底那一种形式的结构最优,我们通过改变阶梯形变幅杆的粗棒长度;研究细杆长度的变化;位移、振幅、放大倍数的变化;细杆输出端位移、振幅的变化;给出三个理论和实验分析曲线图,优选出该变幅杆的粗端长度。     

变幅杆位移节点和应变极大位置的关系

针对常见单一形状函数纵振变幅杆,采用解析方法研究了谐振长度、位移节点和应变极大点之间的关系.计算发现在谐振频率下,变幅杆位移节点与应变极大点位置之和约等于其一阶谐振长度.对新型的贝兹曲线变幅杆也做了相应计算,结果验证了该结论的正确性,此结论有助于变幅杆设计计算过程的简化.     

单端输入多端输出的纵振动转换体的研究

传统的超声振动系统一般为一个换能器连接一套变幅杆(或还有工具头),产生沿长度方向上的伸缩振动,这就意味着一套超声振动系统只能加工、处理一个对象,不利于生产效率的提高.本文提出单端输入多端输出的纵振动转换体,由一个输入杆、纵振动变换器、多个输出杆组成.利用振动转换体输入杆、输出各杆两端面的自由边界条件,以及输入杆与变换器、变换器与输出杆连接处振动质元的纵向力、横向力、弯矩与转角连续条件,推导出了设计振动转换体的频率方程,对转换体的纵振动谐振频率进行了计算,与有限元法和实验测试值基本吻合.将振动转换体与纵振频率为19.80 k Hz的换能器相连接,激光测振仪测试了复合振动系统的纵振谐振频率和谐振频率处各输出杆的振型.结果表明,各输出杆端面为活塞振动.换能器若连接本文提出的纵振动转换体,可以实现纵振动的多端输出,处理多个工作对象.文中分析了实现纵振动的转换原理,并通过计算得到了纵振动转换体的谐振频率与各振动部件的几何参数、角度的关系.     

弯曲振动圆盘变幅器的动力学特性研究

根据圆盘在珩齿加工过程中只有圆节线的弯曲振动,并采用圆锥型变幅杆,推导了变幅杆和圆盘组成的变幅器的频率方程,求出了变幅器设计参数的数值解;用有限元对该变幅器进行模态分析,发现谐振频率与数值解接近.在此基础上,对设计的变幅器进行了动力学实验,测得的动力学参数与理论结果一致.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影响,否则设计的变幅器谐振频率误差过大.     

超声变幅杆振动温升及其对振动稳定性的影响

在变幅杆振动中,变幅杆的自身阻尼特性以及与螺栓/工具头的耦合会导致明显温升.为研究该温升特性并探讨其对变幅杆振动稳定性的影响,采用数值模拟得到了纵振变幅杆的总功耗密度和温度分布;通过红外热成像测试对变幅杆理论温升进行了验证,并分析了不同材料的螺栓与工具头连接对温升的影响.结合数值模态分析与实验分析,进一步探讨了温升对变幅杆谐振频率与振幅的影响规律.结果表明,变幅杆连续运行时温升趋于平衡,该平衡点取决于螺栓材料、变幅杆材料和环境因素.对于低阻尼TC4钛合金变幅杆,螺栓处能量损耗为主要热源,其中45钢螺栓发热量占97.7%,而采用TC4钛合金螺栓和TU2紫铜工具头可显著减小温升.同时发现,变幅杆谐振频率与温升成线性负相关,振幅因温升有所降低,二者均稳定在平衡温度点.     

大振幅比直孔型指数形变幅杆

为了降低直孔型指数形变幅杆加工成本,满足应力加载下的实际应用并追求大的放大系数,提出了用螺栓连接的直孔型指数形变幅杆.推导并计算了变幅杆的频率方程和放大系数;有限元法分析了在谐振状态下,螺栓连接的直孔型指数形变幅杆的位移和应力分布曲线.结果表明,在谐振频率和外形几何尺寸相同时,螺栓连接的两段直孔型指数形变幅杆的放大系数比实心变幅杆大,比直孔型指数形变幅杆略小,且应力曲线基本光滑,可以用于实际的超声加工.     

变幅杆斜槽参数对纵弯振动系统的影响

为了实现超精密切削,设计了二维纵弯超声振动系统中变幅杆的结构。通过分析开斜槽变幅杆的结构,理论上揭示了斜槽位置d、斜槽倾斜角α、斜槽长度l和斜槽间距h对变幅杆的谐振频率和纵弯两个方向振幅的影响规律。采用有限元动态数值模拟分析,得到不同斜槽参数情况下的谐振频率、振幅。发现随着α、l逐渐增大,模态频率呈现整体下降趋势,当α=45°时,弯曲振幅最大。在d=15mm附近,振幅值最小,并且随h变大,振幅变小。利用正交参数的极差分析法得到斜槽各参数对谐振频率和振幅影响力度的主次。进一步通过实验,发现了随着α、h逐渐增大,谐振频率整体下降,且振幅随h的增大而减小。实验结果表明α通过对振幅的影响进而实现对切削力的控制,这与理论分析结果一致。     

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。     

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。     

高频超声在变幅杆件中传播损耗的测试

应用2.5 MHz超声探头,在两组不同尺寸阶梯形变幅杆中获得了相同测试条件下的超声回波信号.再利用数字示波器对信号进行采样,得到了数字化超声回波时域信号.根据傅里叶变换理论,得出了回波信号的波形和功率谱图,进而发现超声能量在这些不同尺寸变幅杆中谐振频率附近传播衰减的规律.结果表明,变幅杆放大系数大,从一端传递到另一端的平均声能量密度大.超声在阶梯形变幅杆中传播,其谐振频率附近回波功率谱线幅度与变幅杆几何尺寸有关.     

纵-扭同频复合超声振动变幅杆设计

为了在切削与焊接加工过程中获得超声变幅杆的纵-扭复合振动,本文通过对纵-扭转振动模式下的圆锥过渡阶梯形复合变幅杆进行理论分析,得出其纵-扭振动的共振频率方程以及振速放大倍数,并对复合变幅杆的三段长度进行控制,实现了纵-扭复合同频共振.利用有限元软件ANSYS对理论设计的复合变幅杆进行结构动力学仿真分析,结果表明有限元分析与理论计算结果吻合较好.     

阶梯型变幅杆弯曲振动频率的计算及分析

为准确计算阶梯型变幅杆的弯曲振动频率,分别用单独考虑转动惯量或剪切变形影响的Euler-Bernoulli理论,和同时考虑转动惯量和剪切变形影响的Timoshenko理论,解析计算了其弯曲振动频率,进一步利用有限元方法数值计算了相同变幅杆的弯振频率。将不同的理论计算值与实验测试值进行比较,得到相应误差。结果表明:当阶梯杆的长度和大端面直径比小于5时,相对于另外两种方法 Timoshenko理论计算结果的误差最小。