超聲變幅桿設(shè)計資料

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目 超聲變幅桿及其性能參數(shù)測試平臺設(shè)計學院機械工程學院專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化姓名班級學號指導(dǎo)教師、課題研究的依據(jù)和意義1.1超聲變幅桿綜述超聲加工是利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質(zhì)或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖 擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕來去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加 超聲頻振動進行加工，或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法。如圖1.1。趙聲超山波發(fā)土器喚儺H器圖1.1超聲加工示意圖【2近幾十年以來，超聲加工，包括復(fù)合加工的發(fā)展極為迅速，工藝技術(shù)在深小孔加 工、難加工材料加工方面有極為廣泛的應(yīng)用，尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了很多的 技術(shù)問題，得到了

2、良好的效果。難加工材料的研究促進了超聲加工技術(shù)的發(fā)展，從而進一步促進了新材料的發(fā)展，不難發(fā)現(xiàn)，超聲加工技術(shù)的應(yīng)用會越來越廣泛3。而本課題所要研究的超聲變幅桿是超聲波振動系統(tǒng)中一個重要的組成部分。它與超聲波換能器一起共同組成了超聲波振子。超聲波換能器是一種能把高頻電能轉(zhuǎn)化為 機械能的裝置，超聲波變幅桿是一個無源器件，本身不產(chǎn)生振動，只是將超聲波換能 器輸入的振動改變振幅后再傳遞出去，完成了阻抗變換。超聲波換能器在合適的電場激勵下能產(chǎn)生有規(guī)律的振動，其振幅一般在10 m左右，這樣的振幅要直接完成焊接和加工工序是遠遠不夠的。因此將換能器合理地連接一個超聲變幅桿，超聲波的振幅便能在很大的范圍內(nèi)變化，

3、只要材料強度足夠，振幅 可以超過100 m。超聲波變幅桿亦可起到提高振速比、提高效率，提高機械品質(zhì)因 數(shù)，加強耐熱性，擴大適應(yīng)溫度范圍，延長換能器的使用壽命的作用。超聲波換能器 通過安裝變幅桿（超聲波變幅器）調(diào)整了換能器與超聲波工具頭之間的負載匹配，減小 了諧振阻抗，使其在諧振頻率工作提高了電聲轉(zhuǎn)換效率， 有效降低了超聲波換能器的 發(fā)熱量，提高使用壽命。1.2超聲變幅桿的發(fā)展及國內(nèi)外研究動態(tài)最初，為了高強大功率超聲波的應(yīng)用，在上世紀40年代發(fā)明了縱振指數(shù)型變幅桿。50年代原蘇聯(lián)學者又提出了懸鏈線型變幅桿和多級組合變幅桿。60年代提出了描述變幅桿形狀因數(shù)的概念，并發(fā)展了一種應(yīng)力沿桿件均勻分布的高

4、斯型變幅桿，獲得了高位移振幅。森榮司提出振動方向變換器，開辟了用變幅桿件功率合成方法獲得 高強特大功率（50KW以上）超聲的途徑。上世紀80年代森榮司等又提出夾心彎曲換能 器結(jié)構(gòu)。90年代根本佐久良雄等人則提出了夾心扭轉(zhuǎn)換能器結(jié)構(gòu)，大大推動了超聲 變幅桿的發(fā)展。隨后又出現(xiàn)了彎曲振動變幅桿和扭轉(zhuǎn)振動變幅桿，擴大了工業(yè)應(yīng)用范 圍。除了以上桿件形狀外，在大功率超聲冷拔絲、管等應(yīng)用中出現(xiàn)了等厚度或變厚度 的盤形或環(huán)形聚能器；在超聲焊接、切割中又出現(xiàn)了大型塊狀變幅桿件。按照振動類型，可分為縱振、扭振、彎振以及復(fù)合振動（縱彎、縱扭、彎扭），四類。在功率超聲的加工和處理應(yīng)用中， 縱振型應(yīng)用最為普遍。從單一變

5、幅桿的母線形 狀來分類，又可分為階梯、指數(shù)、懸鏈線、圓錐、高斯、傅里葉、余弦等類型，若將 這些單一形狀變幅桿組合起來進行設(shè)計，則是復(fù)合型變幅桿。按其功能來分，又可分為二分之一波長和四分之一波長兩種。雖然分類較多，但縱振、扭振和彎振變幅桿的 設(shè)計都是從其相應(yīng)的振動方程出發(fā)，設(shè)計過程及步驟都是一樣的。超聲波變幅桿被廣 泛應(yīng)用于化工、石油、塑料焊接、金屬焊接、打孔、車削、清洗、機械加工等諸多領(lǐng) 域。對超聲波變幅桿設(shè)計方面的研究進展主要有：陜西師范大學的Shuyulin研究了超 聲指數(shù)形變幅桿在縱向扭轉(zhuǎn)時的能量傳播特性曲線，以及對指數(shù)衰減系數(shù)的選擇?，F(xiàn)在有限元模型已被用來設(shè)計軸對稱形狀的變幅桿。和等人

6、用有限元方法分析變幅桿的固有頻率，在此基礎(chǔ)上設(shè)計變幅桿的形狀使其更接近 固有頻率。埃及學者 ，提出了用有限元 ANSYS 軟件對雙錐形變幅桿進行分析，采用的是面單元進行，得出了不同的端面處的應(yīng)力值 與振幅值，為選擇最佳的變幅桿外形提供了一種方法。大連理工大學的趙福令等人推導(dǎo)出安裝簡單工具的雙曲過渡形復(fù)合變幅桿頻率方程和放大系數(shù)的一般公式。并討論了超聲波加工工具對復(fù)合變幅桿諧振性能的影響。 廖華麗等人研究了功率超聲變幅桿 在有負載情況下的速度波、力波和功率傳遞的特性，從理論上進行了研究并得到了一 些相關(guān)結(jié)論。綜合變幅桿設(shè)計方面的文獻，有限元方法己經(jīng)被用來設(shè)計變幅桿。1.3課題研究的依據(jù)和意義二分

7、之一波長的縱振變幅桿有多種設(shè)計方案： 傳統(tǒng)解析法 等效電路法 替代法（機械阻抗相等法） 傳輸矩陣法 有限元法 其他方法：變幅桿設(shè)計方法還有傳輸線法、分段趨近法、表觀彈性法等本課題主要是利用解析法完成對階梯形、圓錐形、指數(shù)形三種類型超聲變幅桿的設(shè)計。其意義在于比較上述三種變幅桿各自的優(yōu)缺點，從而對變幅桿的理論設(shè)計和實際的生產(chǎn)生活中變幅桿的選擇提供重要參考依據(jù)。二、課題研究的基本內(nèi)容和擬解決的主要問題2.1課題的主要技術(shù)參數(shù)或研究目標超聲變幅桿的大端與換能器連接，小端與刀具連接，主要數(shù)據(jù)：大端直徑87mm， 小端直徑17mm （圓錐形變幅桿大端87mm，小端37mm）,工作頻率20KHz，所用 材

8、料為45鋼。2.2課題主要完成內(nèi)容和工作量要求（1）查閱和收集超聲變幅桿相關(guān)方面的資料。（2）學習 Matlab、SolidWorks、ANSYS 等相關(guān)軟件。（3）了解超聲變幅桿的作用和理論設(shè)計方法。（4）利用解析法完成對三種類型超聲變幅桿的設(shè)計（5）對所設(shè)計變幅桿進行三維建模并完成有限元分析。（6）搭建實驗平臺，熟悉各儀器操作規(guī)則，測定變幅桿的主要性能參數(shù)。（7）撰寫和完成畢業(yè)設(shè)計論文。（8）完成手工繪制機械技能訓練圖一張（0號或1號圖幅的機械裝配圖）。2.3課題擬解決的主要問題設(shè)計任務(wù)主要在于根據(jù)實際應(yīng)用需要設(shè)計出階梯形、圓錐形、指數(shù)形的變幅桿， 并對已有變幅桿進行實驗研究，得出其主要性

9、能參數(shù)。設(shè)計過程是根據(jù)波動理論對三 種類型變幅桿進行參數(shù)計算，從而得出變幅桿的外形尺寸和性能參數(shù)， 再利用有限元 對所設(shè)計變幅桿進行對比分析，總結(jié)各類型變幅桿的優(yōu)缺點，最后搭建實驗平臺對已 有變幅桿進行性能測試，得出其主要性能參數(shù)，對理論設(shè)計具有實際指導(dǎo)意義。三、研究步驟、方法及措施3.1超聲變幅桿的設(shè)計原理超聲變幅桿的性能可以用許多參量來描述。 在實際應(yīng)用中最常用的是：共振頻率， 共振長度，放大系數(shù)，形狀因數(shù)，輸入力阻抗等等。放大系數(shù) Mp，是指變幅桿工作 在共振頻率時輸出端與輸入端的質(zhì)點位移或速度振幅的比值， 形狀因數(shù) 是衡量變幅 桿所能達到最大振動速度的指標之一，它僅與變幅桿的幾何形狀有

10、關(guān)，值越大，所能達到的最大振動速度也越大，輸入力阻抗Zi，定義為輸入端策動力與質(zhì)點振動速度的復(fù)數(shù)比值。3.2變截面桿縱振動的波動方程考慮由均勻、各向同性材料所構(gòu)成的變截面桿，在桿的橫截面尺寸遠小于波長時, 不計其機械損耗，并設(shè)平面縱波沿桿軸向傳播，即在桿的橫截面上應(yīng)力分布是均勻的。圖3.1變截面桿的縱振動2圖3.1所示的是變截面桿縱振的示意圖，圖中的x軸是變幅桿的中心對稱軸，作用在微小體元(x，x dx所限定的區(qū)間)上的張應(yīng)力為dx，利用牛頓定律，加x以推導(dǎo)，可以得處變幅桿理論的關(guān)鍵動力學方程9:2(S )dx S dx( 3.1)xt2其中：S S(x)桿的橫截面積函數(shù);(x)質(zhì)點位移；(x

11、) E應(yīng)力函數(shù);x-桿材料的密度；E楊氏模量當處于簡諧振動的情況下，式(3.3)又可以改寫成x2k2(3.2)3.3超聲變幅桿的有限元分析在超聲波加工中，要使變幅桿有效和可靠地工作，保證所加工零件的精度和加工 效率，變幅桿必須具有良好的動態(tài)特性，因此，必須對變幅桿進行動力學研究。其內(nèi)容包括兩個方面：固有振動特性分析和響應(yīng)特性分析。所謂固有振動特性分析，是研 究在無阻尼自由振動的條件下，變幅桿的固有特征，即固有頻率和振動應(yīng)力。響應(yīng)分 析是用于確定變幅桿在承受隨時間按正弦規(guī)律變化的軸向載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，目的是計算出變幅桿的動力響應(yīng)，并得到響應(yīng)位移和響應(yīng)應(yīng)力。對于諧響應(yīng)分析，峰值響應(yīng) 發(fā)生在激振頻率

12、和變幅桿的固有頻率相等時，換句話說，只有當工作頻率和變幅桿的 固有頻率相等時，變幅桿端面才能達到最大位移。因此，在諧響應(yīng)分析之前，應(yīng)該首 先做模態(tài)分析以確定變幅桿的固有頻率。由于變幅桿有很多固有頻率，我們只需求得 工作頻率附近的一個固有頻率5。3.4搭建實驗平臺，測定變幅桿的主要性能參數(shù)11341實驗條件(1) 超聲波發(fā)生器：型號為H66MC，電源電壓220V，頻率50Hz,輸出功率大于 250W，頻率可調(diào)范圍為 1822kHz。(2) 壓電式加速度傳感器：采用YD系列的壓電式加速度傳感器，型號YD10D， 電荷靈敏度0.002Pc/ms2,頻率范圍120kHz，量程300000ms-2

13、77; 10%。(3) INV 4多功能抗混濾波放大器精度2%，電荷輸入時頻率范圍為 0.1 20kHz。 智能信號采集處理分析儀：型號為INV3060F 5120。(5) PCI數(shù)據(jù)采集卡；Labview 7.1測試軟件。試驗方法(1) 傳感器的標定設(shè)電荷輸入端傳感器電荷靈敏度為Sg，電壓值為V mV，多功能抗混濾波放大器的設(shè)定增益為 KK1 K2。此時的被測信號值為：2UX V K Sg。如果測量值為振幅，則標定值：VUX K Sg 2 f ；如 果測量值為振速，則標定值為：V UX 2 f K Sg。(2) 將壓電式加速度傳感器通過螺紋連接在變幅桿小端。將壓電式加速度傳感器的輸出端接入I

14、NV 4多功能抗混濾波放大器中進行 電荷放大，并進行低通濾波。(4) 將放大器接INV3060F 5120型智能信號采集處理分析儀，并將輸出端數(shù)據(jù)線 與電腦連接。測量壓電換能器的振動特性測試儀器與裝置:YM3371數(shù)字頻率計、H66MC 超聲波發(fā)生器、INV 4多功能抗混濾波放大器、PCM數(shù)據(jù)采集器、INV306DF智 能信號采集處理分析儀及 YD10D壓電式加速度計。容包括兩個方面： 固有振動特性分析和響應(yīng)特性分析。 所謂固有振動特性分析， 是研 究在無阻尼自由振動的條件下， 變幅桿的固有特征， 即固有頻率和振動應(yīng)力。 響應(yīng)分 析是用于確定變幅桿在承受隨時間按正弦規(guī)律變化的軸向載荷時的穩(wěn)態(tài)響

15、應(yīng)， 目的是 計算出變幅桿的動力響應(yīng)， 并得到響應(yīng)位移和響應(yīng)應(yīng)力。 對于諧響應(yīng)分析， 峰值響應(yīng) 發(fā)生在激振頻率和變幅桿的固有頻率相等時， 換句話說， 只有當工作頻率和變幅桿的 固有頻率相等時，變幅桿端面才能達到最大位移。因此，在諧響應(yīng)分析之前，應(yīng)該首 先做模態(tài)分析以確定變幅桿的固有頻率。 由于變幅桿有很多固有頻率， 我們只需求得 工作頻率附近的一個固有頻率 5 。3.4 搭建實驗平臺，測定變幅桿的主要性能參數(shù) 113.4.1 實驗條件(1) 超聲波發(fā)生器：型號為H66MC，電源電壓220V，頻率50Hz,輸出功率大于 250W，頻率可調(diào)范圍為 1822kHz。(2) 壓電式加速度傳感器： 采用

16、 YD 系列的壓電式加速度傳感器， 型號 YD10D， 電荷靈敏度0.002Pc/ms2,頻率范圍120kHz，量程300000ms-2± 10%。(3) INV 4 多功能抗混濾波放大器精度 2%，電荷輸入時頻率范圍為 0.1 20kHz。(4) 智能信號采集處理分析儀：型號為 INV3060F 5120。(5) PCI 數(shù)據(jù)采集卡； Labview 7.1 測試軟件。3.4.2 試驗方法(1) 傳感器的標定設(shè)電荷輸入端傳感器電荷靈敏度為 Sg，電壓值為V mV，多功能抗混濾波放大器的設(shè)定增益為 KK1 K2。此時的被測信號值為：2UX V K Sg 。如果測量值為振幅，則標定值：

17、 V UX K Sg 2 f ；如 果測量值為振速，則標定值為： V U X 2 f K Sg 。(2) 將壓電式加速度傳感器通過螺紋連接在變幅桿小端。將壓電式加速度傳感器的輸出端接入INV -4多功能抗混濾波放大器中進行 電荷放大，并進行低通濾波。(4) 將放大器接INV3060F 5120型智能信號采集處理分析儀，并將輸出端數(shù)據(jù)線 與電腦連接。(5) 測量壓電換能器的振動特性 測試儀器與裝置 :YM3371 數(shù)字頻率計、 H66MC 超聲波發(fā)生器、 INV -4多功能抗混濾波放大器、 PCM 數(shù)據(jù)采集器、 INV306DF 智 能信號采集處理分析儀及 YD10D 壓電式加速度計。6 劉春節(jié)

18、. 超聲變幅桿的動態(tài)性能分析 J. 現(xiàn)代制造工程 , 2005, 12: 107.7 M. Nad'a. Ultrasonic horn design for ultrasonic machining technologiesJ.Applied and Computational Mechanics 2010, 4: 79 - 88.8 林仲茂. 超聲變幅桿的原理和設(shè)計 M. : 科學出版社 , 1987: 80-82.9 S.G.Amin, M.H.M.Ahmed, H.A.Youssef. Computer-aided design of acoustic horns for ultrasonic machining using finite-element analysisJ. Journal of Materials processing Technolo