基于超声振动加工的阶梯形变幅杆焊头设计与性能分析

超声变幅杆是超声振动复合加工工艺中超声振动系统的重要部件,在塑料超声波焊接加工中,常常把变幅杆与焊接工具设计在一起,即业内通俗说的超声波变幅杆焊头。该文结合实际应用情况,通过理论计算得到阶梯形变幅杆焊头的几何模型,并基于Ansys Workbench分析软件对阶梯形变幅杆焊头进行模态分析和谐响应分析,获得了阶梯形变幅杆放大系数、截面突变处的过渡圆弧与最大应力的变化规律,为阶梯形复合变幅杆焊头的设计提供了参考,优化设计的阶梯形变幅杆焊头工作性能得到大幅度提升。     

复合多段式变幅杆优化设计及声学特性分析

利用传输矩阵理论,分析了复合多段变幅杆性能参数的共性,进而将各声学参量由一个公式统一描述.结果表明,用这种方法设计复合多段变幅杆,变幅杆最大放大系数对应于过渡段杆长的一个最佳值,随着杆长比的增大,变幅杆的形状因数变小,且变化趋势随面积函数的不同而不同.     

余弦形过渡段阶梯形变幅杆研究

推导出余弦形单一超声变幅杆的等效四端网络参量.基于传递矩阵法,得到了具有余弦形过渡段阶梯形变幅杆的频率方程和振幅放大系数.在对前后段相等的这种复合变幅杆分析后发现,用余弦形变幅杆作阶梯形变幅杆的过渡段,可以得到较好的效果.     

基于有限元方法的阶梯形超声变幅杆设计及优化

超声变幅杆是功率超声振动系统中的重要组成部件.本文在三维建模的基础上对阶梯形变幅杆进行了模态分析与谐响应分析.对阶梯形变幅杆的轴向应力分布情况的分析表明,在大端和小端的连接处变幅杆受到的应力最大,容易出现疲劳断裂.最后,本文用有限元法对带工具的变幅杆进行了优化设计.优化的结果表明,随着阶梯形变幅杆过渡圆弧半径的增大,振动的固有频率也随之增加,同时变幅杆最大应力分布向小端移动,且最大值变小.这表明增大过渡圆弧半径可以达到阶梯形超声变幅杆的目的.     

阶梯形变幅杆的放大性能

从变截面杆波动方程出发，研究了半波长阶梯形变幅杆放大系数与几何尺寸及组成材料之间的关系．结果表明，半波长阶梯形变幅杆放大系数不仅与组成阶梯形变幅杆两段均匀杆的几何尺寸有关，还与这两段均匀杆的材料有关；宽端材料密度较大，两段均匀杆杆长为四分之一波长时，阶梯形变幅杆放大系数最大．     

带类余弦过渡段阶梯形变幅杆扭转振动特性研究

基于传递矩阵算法,推导出了变截面杆扭转振动时等效四端网络参量的一般表达式,研究了带类余弦过渡段阶梯形变幅杆扭转振动频率方程与角速度放大倍数及外表面切向速度放大倍数等的关系.结合阶梯形变幅杆两段长度相等的情况,分析了系统的扭转振动特性,得出了过渡段参数和阶梯形变幅杆参数的关系图像.结果表明,文中得出的一般表达式适用于带类余弦过渡段复合阶梯形变幅杆的扭转振动特性描述.     

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.     

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.     

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。     

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。     

用电子计算机编制超声变幅杆设计用表

变幅杆是超声波振动装置的关键元件之一,其设计计算比较复杂,特别是要解一系列超越方程,使计算更显困难。但定义三个新系数并经适当变换后,可使其计算公式和方程变成只含一个自变量,因而可用电子计算机编制设计用表,使设计计算十分简便准确。本文第(一)部分介绍最常用的简单指数型、圆锥型、悬链线型和等长圆柱的阶梯型半波谐振变幅杆公式和方程的变换方法、利用电子计算机计算的顺序方框图和设计用表的使用举例。含指数型、圆锥型、悬链线型过渡段的阶梯型半波谐振复合型变幅杆的设计计算比简单型变幅杆更复杂和困难些,但其可扩大变幅杆使用的适应范围。本文第(二)部分是对经过与第(一)部分类似变换后的这三种复合型变幅杆进行计算的方法简述、计算结果概述和使用设计用表进行变幅杆类型的对比选择和设计计算的例子。     

工具杆对超声扭转复合振动系统共振频率的影响

依据四端网络理论，利用机电类比方法，研究了具有类圆锥过渡段复合阶梯型变幅杆的超声扭转共振频率和与之相连接的工具杆长度和直径变化的关系．结果表明，随着加工过程中工具杆不断磨损，其长度和直径变化对系统共振频率影响明显．工具杆长度每缩短1mm，系统共振频率约升高700Hz；工具杆直径每减小1mm，系统频率约升高500Hz．这为超声扭转加工振动系统的设计及频率调节提供了参考依据．     

抗性负载下常见形状函数变幅杆振动特性的比较

利用数值计算方法，分析和比较了3种常见形状函数变幅杆在抗性负载下的振动特性．结果表明，变幅杆的共振频率随容性负载增大而升高，随感性负载增大而降低；位移振幅放大系数随容性负载增大而减小，随感性负载增大先增大后减小．圆锥形变幅杆的共振频率和位移振幅放大系数受负载的影响相对较小，但是在小负载情况下，悬链线形变幅杆和指数形变幅杆有位移振幅放大系数大的优势。     

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.     

幂函数超声变幅杆理论研究与模态分析

依据变截面杆纵向振动波动方程，给出了幂函数形变幅杆的频率方程及重要参数计算公式，并与其他类型变幅杆进行比较．结果表明，幂函数变幅杆具有与指数形变幅杆相同的放大系数，与阶梯形变幅杆有相同的谐振长度，且这种变幅杆不存在截止频率．用有限元软件Ansys进行模态分析表明，幂函数形变幅杆共振频率的模态分析值与一维理论值吻合．     

圆锥过渡复合变幅杆动力学特性研究

为了改善变幅杆的形状因数,增加放大系数,用解析法设计了一种圆锥过渡复合变幅杆,计算了它的动力学参数。在此基础上,用ANSYS软件对变幅杆进行动力学分析,求得了对应的动力学参数,并用实验测得了这些参数。通过对比分析,说明了用ANSYS设计变幅杆的可行性,同时给出了变幅杆有限元分析及动力学实验的技术路线,为截面形状复杂的复合型变幅杆设计提供了一种有效的方法。     

超声加工振动系统波动方程的定解分析

建立超声振动系统的泛定方程,结合线性和非线性边界条件,确定系统的定解.基于波动原理,确定指数型过渡复合变幅杆的泛定方程,设定线性边界条件求解分段线性的非线性方程,推导出指数型过渡复合变幅杆波节点位置和放大系数的一般公式;通过设定非线性边界条件确定系统的非线性动力学模型的定解.并用数据表明,该系统定解正确地表示了超声振动系统的动力学特性和复合变幅杆的波动性质,并为其他超声振动系统提供了理论依据和参考.     

1/2波长复合变幅杆的数值设计

为改善超声加工中变幅杆的某些性能,如提高放大系数等,需设计1/2波长复合型变幅杆。在传统变幅杆理论基础上,提出了一种复合变幅杆的数值设计方法,不需要进行繁琐的公式推导即可方便地计算得到复合变幅杆的固有频率、节点位置、位移曲线、放大系数等参数。计算结果与传统设计方法及有限元分析结果进行了比较,三者非常吻合,表明了数值设计法的可行性和有效性,为复杂的复合变幅杆设计、分析提供了一种新的方法。     

超声波加工工具对复合变幅杆谐振性能影响

基于变截面杆纵振动的波动方程，推导出安装简单工具双曲过渡形复合变幅杆频率方程和放大系数的一般公式，并讨论了超声波加工工具对复合变幅杆谐振性能的影响．随着工具长度和直径的增加，变幅杆谐振频率下降，应根据工具尺寸相应调整复合变幅杆末端长度，才能保证更好的谐振．推导出的一般公式为超声变幅杆及其工具的设计和使用提供了理论依据。     

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。