正弦形復(fù)合變幅桿的設(shè)計(jì)及其動(dòng)力學(xué)分析.pdf

1、隨著玻璃、陶瓷、石英、金剛石等各種高硬度、高脆性材料在諸多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，如何加工這些脆硬材料已經(jīng)成為亟需解決的難題。而超聲加工正是適合加工這些難加工材料的有效工藝，同時(shí)它還可以用于超聲清洗、粉碎等。
　　一般的超聲加工裝置主要由超聲發(fā)生器、換能器、傳振桿、變幅桿以及工具等幾部分組成。其中，變幅桿的主要作用就是使振動(dòng)位移放大或?qū)崿F(xiàn)聚能。在目前常用的變幅桿中，圓錐形、指數(shù)形和懸鏈線形變幅桿的放大倍數(shù)較小，加工效率低;盡管階梯形變幅

2、桿的放大倍數(shù)較大，然而它的截面突變所造成的應(yīng)力集中導(dǎo)致其形狀因數(shù)較小使其應(yīng)用受到約束。因此，設(shè)計(jì)放大倍數(shù)和形狀因數(shù)等性能優(yōu)良的變幅桿是超聲加工的重要課題。
　　本文利用未知函數(shù)的齊次性變換法對(duì)一維縱向振動(dòng)波動(dòng)方程進(jìn)行了求解，推導(dǎo)出了正弦形變幅桿截面函數(shù)，通過解析法對(duì)正弦形變幅桿的頻率方程、放大倍數(shù)以及位移節(jié)點(diǎn)等計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)在面積系數(shù)N一定的情況下，通過改變初相ψ可以靈活地調(diào)整變幅桿的形狀以及放大倍數(shù)等性能參數(shù)。利用ANS

3、YS軟件驗(yàn)證了理論的正確性，并計(jì)算出了正弦形桿的形狀因數(shù)。發(fā)現(xiàn)隨著增大初相，正弦形變幅桿的放大倍數(shù)隨之增大，而形狀因數(shù)也隨之減小，且其形狀和性能都逐漸逼近圓錐桿。由于正弦形桿的放大倍數(shù)較小，并不適合作為單一的變幅桿用于高效加工。
　　在此基礎(chǔ)上，結(jié)合一維縱向振動(dòng)理論和ANSYS軟件設(shè)計(jì)了兩種復(fù)合變幅桿:(1)小端帶有圓柱桿的正弦形復(fù)合變幅桿。對(duì)于這種變幅桿，選擇合適的正弦段母線初相與長(zhǎng)度，能夠獲得放大倍數(shù)和形狀因數(shù)優(yōu)于階梯形的桿件

4、;(2)帶有初相ψ=90°正弦過渡段的階梯形變幅桿。對(duì)于粗細(xì)段長(zhǎng)度、直徑均相同的階梯形桿，采用初相ψ=90°正弦段來過渡，其工作應(yīng)力要小于圓錐過渡的方式。
　　最后，以初相ψ=90°正弦形桿件為例，分析了工具頭對(duì)變幅桿的工作頻率以及放大能力的影響。對(duì)上述的振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到如下結(jié)論:(1)工具頭并不是單純的作為變幅桿的負(fù)載，剛性地傳遞變幅桿輸出端的位移，而是繼續(xù)傳遞聲波，能進(jìn)一步放大變幅桿輸出端的位移;(2)振動(dòng)系統(tǒng)做縱