新型超声变幅杆的优化设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
设 计 ・ 究 研
《 电加工与模具｝００ ２ １ 年增刊
新 型 超 声 变 幅杆 的优 化 设 计
谨 亚辉 ， 轧 刚
（太 原理 工大学 机械 工程 学 院 ， 山西 太原 ０ ０ ２ ３ ０ ４）
摘 要 ：基 于传 统 形状 的 变幅杆放 大 系数 与形 状 因数 不能 同时放 大的局 限性 ， ３次样 条 曲线 以
ｄ ｓｇ ｅｉｎ
超声 加工装 置一 般 由超声 发生 器 、 能器 、 幅 换 变
发展 ， 根据 ＡＮ ＹＳ有 限 元 分 析 软 件 可 对 变 幅 杆 进 Ｓ 行模 态 振动分 析 及谐 响应 分 析 ， 在 此 基础 上 进 行 并 优 化 ， 计 出一种 优于 传统形 状 的新 型变 幅杆 。 设
动 速度也 越 大 。输 入 力 阻 抗 Ｚ 定 义 为 输 入 端 策 动
杆 的共 振 长度 Ｌ、 大 系 数 Ｍ 形 状 因 数 、 移 放 、 位
节 点 ｚ、 入力 阻抗 ｚ 等参 数 加 以描 述 的 ］ 输 。变 幅
杆 的合理设 计必 须 既 能 满 足 以上 各 性 能 要求 ， 证 保 超声 波加 工 ， 能 满 足 变 幅杆 材 料 的 强 度要 求 。传 又 统的超 声振 动 系统 的设 计 主要 依 据解 析法 ， 经 典 从
ｄ ｔ ｎ ，ｂ ｔａｓ ａ ｏ ｄ ｓ ａ ｅ ｆ ｃｏ ｎ ａ ｇ ｒａ ｌ ｉａ ｉ ｎ ｆ ｃ ｏ ． ｉ ｏ ｓ ｕ ｌ ｈ ｓ ａ ｇ ｏ ｈ ｐ ａ ｔ ｒａ ｄ ｌ ｒ ｅ ｍｐ ｉ ｃ ｔ ａ ｔ ｒ ｉ ｏ ｆ ｏ
Ｋｅ ｒ ｓ：ｕ ｔａ ｏ ｃ ｈ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｎ ｌ ｉ ｔ — ｉ ｎｓｏ ａ ｘａ ｙ ｙ ｗｏ ｄ ｌｒ ｓ ｎｉ ｏ ｎ； ｙ ａ ｃ ａ ａｙｓｓ； ｗｏ ｄ ｍｅ ｉｎ ｌａ ｉｌｓ ｍｍｅ ｒ ｔｙ ｍｏｄ ｌ ｏ ｔｍｕｍ ｅ； ｐ ｉ
பைடு நூலகம்
杆和工 具头组 成 。在超 声 振 动 系 统 工作 过 程 中 ， 由 超声换 能器 辐射 面所 产生 的振 幅较小 ， 只有 几微 米 ，
而超声 加工 所需 要 的振 幅大 约 为 几 十至 几 百 微 米 ，
这 就需 要通 过变 幅杆 的放大 与聚 能作用 将机 械振 动 质点 的位 移量 和运 动 速 度 放 大 ， 并将 超 声 能 量 集 中
在 较小 的 面积 上 。超声 变 幅杆 的性能 主要是 由变 幅
１ 变 幅 杆 的动 力 学 分 析
变 幅杆 的优化 分析 过程 是建立 在动 力学分 析基 础上 的 。通过 对 变 幅杆 进 行 模 态分 析 ， 找到 在 系统 激振 频率 范 围 内的固有 频率 ， 然后 ， 在该 频率 下对 变 幅杆 进行 谐 响应分 析 ， 出变 幅杆 自由端 面 的振 幅 、 得 位移节 点 和 最 大 等 效 应 力 ， 而 计 算 出 放 大 系 数 从 Ｍ 形状 因数 等性 能参数 。其 中放 大系 数是指 变 幅 、 杆工作 在共 振频 率 时 ， 入 端 与输 出端 的 质点 位 移 输 或 速度 的比值 ； 状 因数 是 衡 量 变 幅杆 所 能达 到 形 的最大 振动 速度 的 指标 之 一 ， 仅 与 变 幅杆 的几 何 它 形 状有关 ， 值越大 ， 过变 幅杆所 能达 到 的最 大 振 通
作 为 变幅杆轴 截 面的母 线形状 ， 用 ＡＮ ＹＳ有 限元动 力 学分析 与优 化 设 计 方法 ， 计 出 了在 满足 应 Ｓ 设
材料 许 用工作 应 力条件 下 、 有 良好 形状 因数 与较 大振 幅放 大 系数 的新 型 变幅杆 。 具
关键 词 ：超声 变 幅杆 ； 力学 分析 ； 动 二维 轴对 称建 模 ； 化设 计 优
ＪｎＹａ ｕ ， ｎ ｉ ｈ ｉＹａＧａ ｇ
（Ｔａｙ ａ ｉｅｓｔ ｆＴｅ ｈ ｏｏ ｙ， ｉｕ ｎ ０ ０ ２ Ｃｈｎ ｉｕ ｎ Ｕｎ ｖ ｒｉ ｏ ｃ ｎ ｌｇ Ｔａｙ ａ ３ ０ ４， ｉａ） ｙ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｂａ ｅ ｎ ｌｍｉａ ｉｎ ｆｔ ｒ ｄｉｉｎａ ｏ ｎ—ｈａ ｅ ｍ ｐｉｉａ ｉｎ ｆ ｃ ｏ ｎｄ ｓ ａ ｅ ｆ ｃｏ ｓ ｄ ｏ ｉ ｔ ｔｏ ｓｏ ｈｅｔ ａ ｔｏ ｌｈ ｒ ｓ ｐ ｄ ａ ｌ ｃ ｔｏ ａ ｔ ｒａ ｈ ｐ ａ ｔ ｒ ｆ ｃ ｎ ｎ ｔｂ ｍｐ ｉｉｄ ａ ｈ ａ ｉ ｅ ｓ ｈｅ ｃ ｂｉ ｐ ｉ ｕ ｖ ｓ ｔ ｅ ｅ ａ ｒｘ ｏ ｈｅ ａ ｓ ｃ ｏ ｓ— ａ ｏ ｅ ａ ｌ ｅ ｔｔ ｅ ｓ ｍｅ ｔｍ ，ｕ ｅ ｔ ｕ ｃ ｓ ｌ ｆ ｎｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｈｅｇ ｎ ｒ ｔ ｉ ｆｔ ｘｉ ｒ ｓ ｓ ｃ ｉｎ ｏ ｈ ｏ ｎ，ｐｕ ｎｔ ｓ ｈ ｉ ｉｅ ｅｅ ｎ ｙ ａ ｃａ ａｙ ｉ ｎｄ ｏ ｔｍａ ｅ ｉ ｔ ｏ ｆＡＮ— ｅ ｔｏ ｆｔ ｅ ｈ ｒ ｔｉ ｏ ｕ ｅｔ ｅｆｎ ｔ ｌｍｅ ｔｄ ｎ ｍｉ ｎ ｌ ｓｓａ ｐ ｉ ｌ ｓｇｎ ｍｅ ｈ ｄ ｏ ｄ Ｓ ｏ ｄ ｖｉｅ ｎｄ ｏ ｅ ｕ ｔａｏｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎｌ ｅ ｈ ａ ｅ ｉｌＡｌ ＹＳ ｔ ｅ ｓ ｄ ａｋｉ ｆｎ ｗ ｌｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｎ ｔｏ ｙ ｍｅ ｔｔ ｅ Ｍ ｔｒａ ｌ ｏｗａ ｌ ｒ ｎｇ ｓｒ ｓ ｏ ｂｅ ｗｏ ｋｉ ｔｅ ｓｃ ｎ—
中图分类 号 ： Ｈ１３ １ Ｔ １ ． 文献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ９—２ ９ ２ １ ） Ｏ ０ ３—０ １０ ７ Ｘ（０ ０ Ｓ 一０ ７ ３
ＴｈｅＯ ｐ ｉ ｕ ｓｇ ｆ ａ Ｎｅ Ｋｉ ｄ Ｕｌｒ ｓ ｎｉ ｏ ｎ ｔｍ ｍ Ｄｅ ｉｎ ｏ ｗ ｎ ｔａ ｏ ｃ Ｈ ｒ
《 电加工与模具｝００ ２ １ 年增刊
新 型 超 声 变 幅杆 的优 化 设 计
谨 亚辉 ， 轧 刚
（太 原理 工大学 机械 工程 学 院 ， 山西 太原 ０ ０ ２ ３ ０ ４）
摘 要 ：基 于传 统 形状 的 变幅杆放 大 系数 与形 状 因数 不能 同时放 大的局 限性 ， ３次样 条 曲线 以
ｄ ｓｇ ｅｉｎ
超声 加工装 置一 般 由超声 发生 器 、 能器 、 幅 换 变
发展 ， 根据 ＡＮ ＹＳ有 限 元 分 析 软 件 可 对 变 幅 杆 进 Ｓ 行模 态 振动分 析 及谐 响应 分 析 ， 在 此 基础 上 进 行 并 优 化 ， 计 出一种 优于 传统形 状 的新 型变 幅杆 。 设
动 速度也 越 大 。输 入 力 阻 抗 Ｚ 定 义 为 输 入 端 策 动
杆 的共 振 长度 Ｌ、 大 系 数 Ｍ 形 状 因 数 、 移 放 、 位
节 点 ｚ、 入力 阻抗 ｚ 等参 数 加 以描 述 的 ］ 输 。变 幅
杆 的合理设 计必 须 既 能 满 足 以上 各 性 能 要求 ， 证 保 超声 波加 工 ， 能 满 足 变 幅杆 材 料 的 强 度要 求 。传 又 统的超 声振 动 系统 的设 计 主要 依 据解 析法 ， 经 典 从
ｄ ｔ ｎ ，ｂ ｔａｓ ａ ｏ ｄ ｓ ａ ｅ ｆ ｃｏ ｎ ａ ｇ ｒａ ｌ ｉａ ｉ ｎ ｆ ｃ ｏ ． ｉ ｏ ｓ ｕ ｌ ｈ ｓ ａ ｇ ｏ ｈ ｐ ａ ｔ ｒａ ｄ ｌ ｒ ｅ ｍｐ ｉ ｃ ｔ ａ ｔ ｒ ｉ ｏ ｆ ｏ
Ｋｅ ｒ ｓ：ｕ ｔａ ｏ ｃ ｈ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｎ ｌ ｉ ｔ — ｉ ｎｓｏ ａ ｘａ ｙ ｙ ｗｏ ｄ ｌｒ ｓ ｎｉ ｏ ｎ； ｙ ａ ｃ ａ ａｙｓｓ； ｗｏ ｄ ｍｅ ｉｎ ｌａ ｉｌｓ ｍｍｅ ｒ ｔｙ ｍｏｄ ｌ ｏ ｔｍｕｍ ｅ； ｐ ｉ
பைடு நூலகம்
杆和工 具头组 成 。在超 声 振 动 系 统 工作 过 程 中 ， 由 超声换 能器 辐射 面所 产生 的振 幅较小 ， 只有 几微 米 ，
而超声 加工 所需 要 的振 幅大 约 为 几 十至 几 百 微 米 ，
这 就需 要通 过变 幅杆 的放大 与聚 能作用 将机 械振 动 质点 的位 移量 和运 动 速 度 放 大 ， 并将 超 声 能 量 集 中
在 较小 的 面积 上 。超声 变 幅杆 的性能 主要是 由变 幅
１ 变 幅 杆 的动 力 学 分 析
变 幅杆 的优化 分析 过程 是建立 在动 力学分 析基 础上 的 。通过 对 变 幅杆 进 行 模 态分 析 ， 找到 在 系统 激振 频率 范 围 内的固有 频率 ， 然后 ， 在该 频率 下对 变 幅杆 进行 谐 响应分 析 ， 出变 幅杆 自由端 面 的振 幅 、 得 位移节 点 和 最 大 等 效 应 力 ， 而 计 算 出 放 大 系 数 从 Ｍ 形状 因数 等性 能参数 。其 中放 大系 数是指 变 幅 、 杆工作 在共 振频 率 时 ， 入 端 与输 出端 的 质点 位 移 输 或 速度 的比值 ； 状 因数 是 衡 量 变 幅杆 所 能达 到 形 的最大 振动 速度 的 指标 之 一 ， 仅 与 变 幅杆 的几 何 它 形 状有关 ， 值越大 ， 过变 幅杆所 能达 到 的最 大 振 通
作 为 变幅杆轴 截 面的母 线形状 ， 用 ＡＮ ＹＳ有 限元动 力 学分析 与优 化 设 计 方法 ， 计 出 了在 满足 应 Ｓ 设
材料 许 用工作 应 力条件 下 、 有 良好 形状 因数 与较 大振 幅放 大 系数 的新 型 变幅杆 。 具
关键 词 ：超声 变 幅杆 ； 力学 分析 ； 动 二维 轴对 称建 模 ； 化设 计 优
ＪｎＹａ ｕ ， ｎ ｉ ｈ ｉＹａＧａ ｇ
（Ｔａｙ ａ ｉｅｓｔ ｆＴｅ ｈ ｏｏ ｙ， ｉｕ ｎ ０ ０ ２ Ｃｈｎ ｉｕ ｎ Ｕｎ ｖ ｒｉ ｏ ｃ ｎ ｌｇ Ｔａｙ ａ ３ ０ ４， ｉａ） ｙ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｂａ ｅ ｎ ｌｍｉａ ｉｎ ｆｔ ｒ ｄｉｉｎａ ｏ ｎ—ｈａ ｅ ｍ ｐｉｉａ ｉｎ ｆ ｃ ｏ ｎｄ ｓ ａ ｅ ｆ ｃｏ ｓ ｄ ｏ ｉ ｔ ｔｏ ｓｏ ｈｅｔ ａ ｔｏ ｌｈ ｒ ｓ ｐ ｄ ａ ｌ ｃ ｔｏ ａ ｔ ｒａ ｈ ｐ ａ ｔ ｒ ｆ ｃ ｎ ｎ ｔｂ ｍｐ ｉｉｄ ａ ｈ ａ ｉ ｅ ｓ ｈｅ ｃ ｂｉ ｐ ｉ ｕ ｖ ｓ ｔ ｅ ｅ ａ ｒｘ ｏ ｈｅ ａ ｓ ｃ ｏ ｓ— ａ ｏ ｅ ａ ｌ ｅ ｔｔ ｅ ｓ ｍｅ ｔｍ ，ｕ ｅ ｔ ｕ ｃ ｓ ｌ ｆ ｎｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｈｅｇ ｎ ｒ ｔ ｉ ｆｔ ｘｉ ｒ ｓ ｓ ｃ ｉｎ ｏ ｈ ｏ ｎ，ｐｕ ｎｔ ｓ ｈ ｉ ｉｅ ｅｅ ｎ ｙ ａ ｃａ ａｙ ｉ ｎｄ ｏ ｔｍａ ｅ ｉ ｔ ｏ ｆＡＮ— ｅ ｔｏ ｆｔ ｅ ｈ ｒ ｔｉ ｏ ｕ ｅｔ ｅｆｎ ｔ ｌｍｅ ｔｄ ｎ ｍｉ ｎ ｌ ｓｓａ ｐ ｉ ｌ ｓｇｎ ｍｅ ｈ ｄ ｏ ｄ Ｓ ｏ ｄ ｖｉｅ ｎｄ ｏ ｅ ｕ ｔａｏｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎｌ ｅ ｈ ａ ｅ ｉｌＡｌ ＹＳ ｔ ｅ ｓ ｄ ａｋｉ ｆｎ ｗ ｌｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｎ ｔｏ ｙ ｍｅ ｔｔ ｅ Ｍ ｔｒａ ｌ ｏｗａ ｌ ｒ ｎｇ ｓｒ ｓ ｏ ｂｅ ｗｏ ｋｉ ｔｅ ｓｃ ｎ—
中图分类 号 ： Ｈ１３ １ Ｔ １ ． 文献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ９—２ ９ ２ １ ） Ｏ ０ ３—０ １０ ７ Ｘ（０ ０ Ｓ 一０ ７ ３
ＴｈｅＯ ｐ ｉ ｕ ｓｇ ｆ ａ Ｎｅ Ｋｉ ｄ Ｕｌｒ ｓ ｎｉ ｏ ｎ ｔｍ ｍ Ｄｅ ｉｎ ｏ ｗ ｎ ｔａ ｏ ｃ Ｈ ｒ