基于有限元模型的超聲切割刀優(yōu)化設(shè)計(jì)及工藝實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、超聲換能器廣泛應(yīng)用于許多工程領(lǐng)域，比如超聲清洗、超聲焊接、超聲加工等應(yīng)用領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)一款手持式超聲切割刀，它在材料加工領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景，可用于實(shí)驗(yàn)室及工作室切割橡膠、ABS塑料、復(fù)合材料等。相比普通切割刀，超聲切割刀有著切割速度快、切割阻力小、無(wú)毛邊等優(yōu)點(diǎn)。全篇論文以提高超聲切割刀切割效率為目標(biāo)，以提高超聲切割刀的切割速度和材料切割質(zhì)量為核心，主要討論了超聲切割刀工作原理、有限元分析過(guò)程、優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、工藝試驗(yàn)等理論與

2、技術(shù)問(wèn)題。
　　第一，研究超聲切割系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)與響應(yīng)特性。在概括壓電材料結(jié)構(gòu)有限元分析方法的理論基礎(chǔ)上，建立[后蓋板-壓電陶瓷-前蓋板-變幅桿-刀片]整個(gè)超聲切割系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，得到了理想的軸向縱振模態(tài)，繼而進(jìn)行諧響應(yīng)分析，計(jì)算得到超聲切割系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線，從而研究超聲切割系統(tǒng)的響應(yīng)特性。
　　第二，利用有限元分析軟件對(duì)超聲切割系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在闡述換能器優(yōu)化設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，初步確定換能

3、器的關(guān)鍵尺寸，然后，基于頻率靈敏度方法，即根據(jù)軸向模態(tài)對(duì)各部件的長(zhǎng)度和直徑的靈敏度的不同，逐步調(diào)整各部件的尺寸，優(yōu)化換能器的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置及諧振頻率，以提高超聲切割系統(tǒng)的穩(wěn)定性、改善其超聲特性。
　　第三，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有限元計(jì)算結(jié)果。根據(jù)有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，研制一款超聲波切割刀，并通過(guò)阻抗分析儀與激光多譜勒測(cè)振儀對(duì)超聲切割刀的固有頻率與響應(yīng)等超聲特性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn):該超聲切割刀的機(jī)械性能及超聲特性與有限元計(jì)算結(jié)果相互吻合，滿足