超声变幅杆设计资料

毕业设计（论文）开题报告
题 目 超声变幅杆及其性能参数测试平台设计
学院
机械工程学院
专业
机械设计制造及其自动化
姓名
班级
学号
指导教师

一、课题研究的依据和意义
超声变幅杆综述
超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及 由此产生的气蚀来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工，或利用超声振动 使工件相互结合的加工方法[1]。如图。
图 超声加工示意图[2] 近几十年以来，超声加工，包括复合加工的发展极为迅速，工艺技术在深小孔加工、难加工材料
加工方面有极为广泛的应用，尤其是在难加工材料领域解决了很多的技术问题，得到了良好的效果。 难加工材料的研究促进了超声加工技术的发展，从而进一步促进了新材料的发展，不难发现，超声加 工技术的应用会越来越广泛[3]。 而本课题所要研究的超声变幅杆是超声波振动系统中一个重要的组成部分。它与超声波换能器一起共 同组成了超声波振子。超声波换能器是一种能把高频电能转化为机械能的装置，超声波变幅杆是一个 无源器件，本身不产生振动，只是将超声波换能器输入的振动改变振幅后再传递出去，完成了阻抗变 换。
超声波换能器在合适的电场激励下能产生有规律的振动，其振幅一般在 10 m 左右，这样的振
幅要直接完成焊接和加工工序是远远不够的。因此将换能器合理地连接一个超声变幅杆，超声波的振
幅便能在很大的范围内变化，只要材料强度足够，振幅可以超过 100 m 。超声波变幅杆亦可起到提
高振速比、提高效率，提高机械品质因数，加强耐热性，扩大适应温度范围，延长换能器的使用寿命 的作用。超声波换能器通过安装变幅杆(超声波变幅器)调整了换能器与超声波工具头之间的负载匹配， 减小了谐振阻抗，使其在谐振频率工作提高了电声转换效率，有效降低了超声波换能器的发热量，提 高使用寿命。
超声变幅杆的发展及国内外研究动态
最初，为了高强大功率超声波的应用，在上世纪 40 年代发明了纵振指数型变幅杆。50 年代原苏联学 者又提出了悬链线型变幅杆和多级组合变幅杆。60 年代提出了描述变幅杆形状因数的概念，并发展了

一种应力沿杆件均匀分布的高斯型变幅杆，获得了高位移振幅。森荣司提出振动方向变换器，开辟了 用变幅杆件功率合成方法获得高强特大功率(50KW 以上)超声的途径。上世纪 80 年代森荣司等又提出 夹心弯曲换能器结构。90 年代根本佐久良雄等人则提出了夹心扭转换能器结构，大大推动了超声变幅 杆的发展。随后又出现了弯曲振动变幅杆和扭转振动变幅杆，扩大了工业应用范围。除了以上杆件形 状外，在大功率超声冷拔丝、管等应用中出现了等厚度或变厚度的盘形或环形聚能器；在超声焊接、 切割中又出现了大型块状变幅杆件。 按照振动类型，可分为纵振、扭振、弯振以及复合振动(纵弯、纵扭、弯扭)，四类。在功率超声的加 工和处理应用中，纵振型应用最为普遍。从单一变幅杆的母线形状来分类，又可分为阶梯、指数、悬 链线、圆锥、高斯、傅里叶、余弦等类型，若将这些单一形状变幅杆组合起来进行设计，则是复合型 变幅杆。按其功能来分，又可分为二分之一波长和四分之一波长两种。虽然分类较多，但纵振、扭振 和弯振变幅杆的设计都是从其相应的振动方程出发，设计过程及步骤都是一样的。超声波变幅杆被广 泛应用于化工、石油、塑料焊接、金属焊接、打孔、车削、清洗、机械加工等诸多领域。 对超声波变幅杆设计方面的研究进展主要有：陕西师范大学的 Shuyulin 研究了超声指数形变幅杆在纵 向扭转时的能量传播特性曲线，以及对指数衰减系数的选择。现在有限元模型已被用来设计轴对称形 状的变幅杆。，和等人用有限元方法分析变幅杆的固有频率，在此基础上设计变幅杆的形状使其更接 近固有频率。埃及学者，提出了用有限元 ANSYS 软件对双锥形变幅杆进行分析，采用的是面单元进行， 得出了不同的端面处的应力值与振幅值，为选择最佳的变幅杆外形提供了一种方法。大连理工大学的 赵福令等人推导出安装简单工具的双曲过渡形复合变幅杆频率方程和放大系数的一般公式。并讨论了 超声波加工工具对复合变幅杆谐振性能的影响。廖华丽等人研究了功率超声变幅杆在有负载情况下的 速度波、力波和功率传递的特性，从理论上进行了研究并得到了一些相关结论。综合变幅杆设计方面 的文献，有限元方法己经被用来设计变幅杆[1]。
课题研究的依据和意义 二分之一波长的纵振变幅杆有多种设计方案： ①传统解析法 ②等效电路法 ③替代法(机械阻抗相等法) ④传输矩阵法 ⑤有限元法 ⑥其他方法：变幅杆设计方法还有传输线法、分段趋近法、 表观弹性法等 本课题主要是利用解析法完成对阶梯形、圆锥形、指数形三种类型超声变幅杆的设计。其意义在于比 较上述三种变幅杆各自的优缺点，从而对变幅杆的理论设计和实际的生产生活中变幅杆的选择提供重 要参考依据。
课题研究的基本内容和拟解决的主要问题
课题的主要技术参数或研究目标
超声变幅杆的大端与换能器连接，小端与刀具连接，主要数据：大端直径 87mm，小端直径 17mm （圆锥形变幅杆大端 87mm，小端 37mm），工作频率 20KHz，所用材料为 45 钢。
课题主要完成内容和工作量要求 （1）查阅和收集超声变幅杆相关方面的资料。 （2）学习 Matlab、SolidWorks、ANSYS 等相关软件。 （3）了解超声变幅杆的作用和理论设计方法。 （4）利用解析法完成对三种类型超声变幅杆的设计

（5）对所设计变幅杆进行三维建模并完成有限元分析。 （6）搭建实验平台，熟悉各仪器操作规则，测定变幅杆的主要性能参数。 （7）撰写和完成毕业设计论文。 （8）完成手工绘制机械技能训练图一张（0 号或 1 号图幅的机械装配图）。
课题拟解决的主要问题 设计任务主要在于根据实际应用需要设计出阶梯形、圆锥形、指数形的变幅杆，并对已有变幅杆进行 实验研究，得出其主要性能参数。设计过程是根据波动理论对三种类型变幅杆进行参数计算，从而得 出变幅杆的外形尺寸和性能参数，再利用有限元对所设计变幅杆进行对比分析，总结各类型变幅杆的 优缺点，最后搭建实验平台对已有变幅杆进行性能测试，得出其主要性能参数，对理论设计具有实际 指导意义。
研究步骤、方法及措施
超声变幅杆的设计原理
超声变幅杆的性能可以用许多参量来描述。在实际应用中最常用的是：共振频率，共 振长度，放大系数，形状因数，输入力阻抗等等。放大系数 Mp，是指变幅杆工作在 共振频率时输出端与输入端的质点位移或速度振幅的比值，形状因数 是衡量变幅杆
所能达到最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关， 值越大，所能 达到的最大振动速度也越大，输入力阻抗 Zi，定义为输入端策动力与质点振动速度的 复数比值[6]。 变截面杆纵振动的波动方程
考虑由均匀、各向同性材料所构成的变截面杆，在杆的横截面尺寸远小于波长时， 不计其机械损耗，并设平面纵波沿杆轴向传播，即在杆的横截面上应力分布是均匀的。
图变截面杆的纵振动[2]
图所示的是变截面杆纵振的示意图，图中的 x 轴是变幅杆的中心对称轴，作用在 微小体元（ x ，x dx 所限定的区间）上的张应力为 dx ，利用牛顿定律，加以推导，
x
可以得处变幅杆理论的关键动力学方程[9]：