基于有限元的超聲波加工中變幅桿的動力學(xué)分析與設(shè)計.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高性能的陶瓷材料不斷涌現(xiàn)，它們在工程上具有良好的應(yīng)用前景。由于陶瓷材料具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)良性能，目前已被應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空、汽車等領(lǐng)域，但由于強(qiáng)度和脆性高，難以加工，其應(yīng)用受到制造成本的限制。超聲波加工已被證明是陶瓷、石英、金剛石、半導(dǎo)體等硬脆材料加工的有效方法。 變幅桿是超聲波加工中一個重要的組成部分，它主要有兩個作用，聚能作用和有效的把聲能傳遞給負(fù)載。變幅桿作為振幅擴(kuò)大裝置，應(yīng)

2、該在一定的頻率下，為工具端面提供最大的振幅，以提高超聲波加工的材料去除率和效率。 本文以提高旋轉(zhuǎn)式超聲波加工中材料去除率為出發(fā)點(diǎn)，對變幅桿進(jìn)行了研究。主要研究內(nèi)容有： 1.運(yùn)用變幅桿設(shè)計的理論，根據(jù)變幅桿兩個端面的直徑，利用變幅桿的理論計算公式分別設(shè)計出指數(shù)形、圓錐形、復(fù)合型、階梯形變幅桿的諧振長度、位移分布、振幅放大比。并由位移分布函數(shù)得到位移分布曲線，可以比較直觀地看到位移分布曲線滿足正弦波特點(diǎn)。 2.根據(jù)振

3、動理論和有限元方法，借助于有限元軟件ANSYS進(jìn)行變幅桿的動力學(xué)分析。這包括模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，分別建立了四種變幅桿的有限元模型，用模態(tài)分析確定了在超聲波發(fā)生器的激振頻率范圍內(nèi)，變幅桿的固有頻率，利用這個固有頻率，對變幅桿進(jìn)行諧響應(yīng)分析，其目的是為了得出變幅桿在固有頻率下，當(dāng)固定端面施加一個隨正弦規(guī)律變化的振幅時，自由端面所得到的振幅是怎樣變化的。在得到自由端面的振幅后，求出了變幅桿的放大比。 3.建立了一套加速度實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)

4、。利用250w的超聲波發(fā)生器進(jìn)行激振實(shí)驗(yàn)，由于超聲波發(fā)生器發(fā)出的是正弦波，通過測量加速度信號來得到位移。在變幅桿與傳振桿結(jié)合處及變幅桿的自由端分別安裝加速度傳感器，測量加速度，用電荷放大器把信號放大，由數(shù)字示波器采集和記錄加速度信號，根據(jù)位移與加速度的關(guān)系，可以計算位移的大小，從而求得變幅桿的放大比。 將理論計算、有限元分析和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果三者相比較，可以得出有限元的結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果。初步的研究表明，有限元方法可以為超聲波