旋转超声加工变幅杆有限元分析
超声波加工的应用
超声波加工的应用及发展前景 摘要：随着生产发展和科学实验的需要，很多工业部门，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术向着高精度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展。因此，特种加工作为一个时代强音等上舞台，它就具备了上述特点。超声波加工是利用工具断面的超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。特别对于一些常规加工方式无法完成的或者加工精度无法达到要求的工件。目前经过几十年的发展，超声波加工技术已逐步成熟，并已在一些要求条件高、加工工艺复杂、精度要求高的领域逐步发展起来，相信随着技术的发展它的应用围及领域会越来越广。 关键词：超声波；研究前沿；应用领域；超声加工的应用 引言：超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步奠定自己在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。特别在现代这个迅猛发展的社会它的地位越来越重要，我们应该加快它的发展速度，为我们所用。 超声波加工（USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。 与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。 一、超声波加工的原理 1.1 超声波概述 “超声波”这个名词术语，用来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz以上的所有频率。超声波的上限频率围主要是取决
超声变幅杆外文翻译--超声加工技术中超声变幅杆的设计
4300汉字，2500单词，1.5万英文字符 出处：Nad M. Ultrasonic horn design for ultrasonic machining technologies[J]. Západo?eská Univerzita, 2010, 4(1). 毕业设计（论文）外文文献翻译 毕业设计（论文）题目 翻译题目超声加工中超声变幅杆的设计 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
超声加工技术中超声变幅杆的设计 M Nad 摘要：许多工业的应用领域和生产技术都基于超声波的应用。在许多情况下，超声现象也运用于加工材料的工艺流程中。使超声加工技术起作用的设备主要元件就是超声变幅杆，也就是所谓的超声波发生器。超声波设备尤其是超声加工设备的性能取决于超声变幅杆外形的合理设计。本文展示了不同几何形状的超声变幅杆的动态特性。对各种不同形状的超声变幅杆的几何参数特性（固有频率、振动形态）都进行了分析。模态分析的模型是用有限元（FEM）数字模拟的方法实现的。本文也展示了各种超声变幅杆的可比参数。 ? 2010 西波西米亚大学版权所有 关键词：超声波；超声加工技术；模态特性；超声变幅杆；纵向振动；有限元理论 1.绪论 超声现象的使用在许多工业应用中日趋增多。超声波振动被应用于各个生产领域且有较好的效果，例如：超声波清洗，塑料焊接，等等。且已经被证明在其他许多应用中有很好的作用。这些应用包括汽车、食品加工、医疗、纺织和材料连接，且主要应用于加工制造业。性能和质量的显著提升是通过在加工工艺中使用超声振动实现的。 超声振动能量在加工技术中的应用是由两种不同的途径实现的。第一种途径，称为超声波加工，是基于材料去除的研磨原理。刀具的一端连接在变幅杆上，制成精确的外形对工件进行研磨。第二种方法是基于超声波辅助加工的普通加工技术。超声波振动被直接传递到切割工具上，直接运用于切割过程中。这些技术被应用于高精密加工和韧性材料还有难切削材料的加工，如高碳钢，镍基合金，钛铝—碳化硅金属基复合材料。反复的高频振动冲击模式带来了一些独特的性能并被改进成金属切削工艺[2，5，9，10]，其中工件和刀具之间的相互作用被看成是一个微振动的过程。 超声波振动能量在加工过程中的应用带来了许多好处和切割工艺的改进。据报道，在最近公开的研究工作中，切削工具的高频超声波振动已显著降低切削力和刀具磨损，表面光滑度达到了25—40%，圆度改善达到40—50%。在切割低碳合金钢时，超声波振动装置中切削力降低了50%左右，并可生产出比传统切削更小和表面光洁度更高的芯片。
超声波加工技术
超声波加工技术 1.绪论 人耳能感受到的声波频率在20—20000HZ范围内，声波频率超过20000HZ被称为超声波。超声波加工（Ultrasonic Machining简称USM）是近几十年来发展起来的一种加工方法，它是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工的方法，或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，又或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。它弥补了电火花加工的电化学加工的不足。电火花加工和电化学加工一般只能加工导电材料，不能加工不导电的非金属材料。而超声波加工不仅能加工硬脆金属材料，而且更适合于加工不导电的硬脆非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等。同时超声波还可用于清洗、焊接和探伤等。 1.1超声波加工的发展状况 超声波加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中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作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。超声波发生器的作用是将220V或380V的交流电转换成超声频电振荡信号；换能器的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动振幅放大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使工具以一定的能量与工件作用，进行加工。 超声加工技术是超声学的一个重要分支。超声加工技术是伴随着超声学的发展而逐渐发展的。 早在1830年，为探讨人耳究竟能听到多高的频率，F.Savrt曾用一多齿的齿轮，第一次人工产生了2.44 HZ的超声波，1876年加尔顿的气哨实验产生的超声波的频 10
CSiC复合材料旋转超声振动辅助铣削实验研究
C/SiC复合材料旋转超声振动辅助铣削实验研究通过碳纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC)是一种耐高温、耐磨损、抗氧化和力学性能出色的航空级复合材料,采用传统的机械加工工艺对其进行加工,因加工性差,精度不高且加工成本高导致无法满足当今航空航天等领域的需求。利用旋转超声振动辅助加工技术,将旋转超声振动引入到C/SiC复合材料的铣削加工中,可有效地降低铣削力、切削热,减小刀具的损耗,提高加工质量。 本文主要完成了以下工作内容:利用压电陶瓷的逆压电效应,根据夹心式压电换能器的设计理论,设计了一款可用于旋转超声铣削加工的纵振型超声振子;采用PZFlex仿真软件对影响超声振子谐振频率的因素进行了仿真分析,结果表明:超声振子的谐振频率随刀具有效长度和过渡圆柱长度的增加而减小,随预紧螺栓长度和后端盖孔深度的增加而增大;依据仿真结果加工了纵振型超声振子,并对其进行阻抗分析,测得纵振型超声振子在有无刀具及夹头螺母两种状态下的谐振频率分别为17.41 kHz、18.71kHz,与仿真结果中模型的谐振频率18.4762 kHz和19.312 kHz,误差率分别为5.7636%和3.1428%;基于超声振子的谐振频率,对有夹头螺母及刀具状态下的超声振子振幅输出进行测量,结果表明:在100 V、140 V和200 V电压激励下振子输出的振幅与电压成正比,且在200 V电压激励时纵向振幅为2.016 um,可以满足旋转超声振动辅助铣削加工的要求,证实了纵振型超声振子设计的可行性,为纵振型超声振子模型的优化设计提供参考。设计纵振型超声振子的夹持装置、桥接盘和机床主轴连接装置,实现超声振子与机床主轴的连接;设计电能传输装置对纵振型超声振子进行供电;设计保护外壳、安装插销等装置,建立起旋转超声振动辅助铣削加工系统;依据该系统采用单因素实验法和正交试验法,研究了传统铣削下不同切削参数对C/SiC复合材料铣槽和铣
变幅杆设计理论
变幅杆设计理论 超声变幅杆又称超声变速杆、超声聚能器。在超声技术中，特别在高声强超声设备的振动系统中是很重要的。其主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积上，即聚能作用。我们知道，超声换能器辐射面的振动幅度在20kH范围内只有几微米。而在高声强声应用中，如超声加工、超声焊接、超声金属成型（包括超声冷拔管飞丝和铆接等）和某些超声外科设备及超声疲劳试验应用中，辐射面的振动幅度一般需要几十到几百微米。因此必须在换能器的端面连接超声波变幅杆，将机械振动幅度放大。除此以外，超声波变幅杆还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量有效地从换能器向负载传输。 超声波变幅杆的性能可以用许多参数来描述。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、输入力阻抗和弯曲劲度等。放大系数是指变幅杆工作在共振频率时输出端和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。输入力阻抗定义输入端策动力与质点振动速度的复数比值。在实际应用中常常要求输入力阻抗随频率及负荷的变化要小。弯曲劲度是弯曲柔顺性的倒数。变幅杆越长，弯曲柔顺性越大，在许多实际应用中这是需要避免的。弯曲劲度也与变幅杆的几何形状有关。 在超声波焊接的应用中，人们根据实际需要研究出各种类型的变
幅杆。最简单也是较常用的变幅杆有：指数形，悬链线形，阶梯形和圆锥形变幅杆。这类变幅杆称为单一变幅杆。此外，为改善变幅杆的某些性能，如提高形状因数，增加放大系数等，还研究出各种组合型变幅杆，这类变幅杆由两种以上不同形状的杆组成。在实际应用中还出现一些由多个单一变幅杆级联工作的组合系统，这是另一个问题。除了上面提到的变幅杆外，在某些应用中有时还需要一些非杆形的振动振幅变换器，其形状有盘形、长方形等，我们称其为变幅器。有些变幅器不但有振动变幅的变换功能，而且还有振动方向的变换功能。
超声波加工
第四节超声波加工 人耳能感受到的声波频率在16—16000Hz范围内。当声波频率超过16000Hz时，就是超声波。前两节所介绍的电火花加工和电解加工，一般只能加工导电材料，而利用超声波振动，则不但能加工像淬火钢、硬质合金等硬脆的导电材料，而且更适合加工像玻璃、陶瓷、宝石和金刚石等硬脆非金属材料。 1．超声波加工原理 超声波加工是利用工具端面的超声频振动，或借助于磨料悬浮液加工硬脆材料的一种工艺方法。超声波发生器产生的超声频电振荡，通过换能器转变为超声频的机械振动。变幅杆将振幅放大到0.01一0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动。在加工过程中，有“超声空化”现象产生。因此，超声波加工过程是磨粒在工具端面的超声振动下，以机械锤击和研抛为主，以超声空化为辅的综合作用过程. 2．超声波加工的特点 (1)超声波加工适宜加工各种硬脆材料，尤其是利用电火花和电解难以加工的不导电材料和半导体材料，如玻璃、陶瓷、玛瑙、宝石、金刚石以及锗和硅等。对于韧性好的材料，由于它对冲击有缓冲作用而难以加工，因此可用作工具材料，如45钢常被选作工具材料。 (2)由于超声波加工中的宏观机械力小，因此能获得良好的加工精度和表面粗糙度。尺寸精度可达0.02～0.01mm；表面粗糙度R a值可达0.8一0.1μm。 (3)采用的工具材料较软，易制成复杂形状，工具和工件无需作复杂的相对运动，因此普通的超声波加工设备结构较简单。但若需要加工复杂精密的三维结构，可以预见，仍需设计与制造三坐标数控超声波加工机床。 二、超声波加工的基本工艺规律 1．加工速度及其影响因素 加工速度指单位时间内去除材料的多少，通常以g／min或mm3／min为单位表示。影响加工速度的主要因素有： (1)进给压力的影响超声波加工时，工具对工件应有一个适当的进给压力。工具端面与工件加工表面间的间隙随进给压力的大小而改变。压力减小，间隙增大，从而减弱磨料对工件的锤击力；压力增大，间隙减小，当间隙减小到一定程度，则会降低磨料和工作液的循环更新速度，从而降低加工速度。 (2)工具振幅和频率的影响超声波加工中，设备的振幅和频率都在一定范围内可
超声波旋转加工设备的详细介绍
超声波旋转加工设备的详细介绍 随着传统加工技术和高新技术的发展，超声波旋转加工技术的应用日益广泛，超声波旋转加工设备机理的研究日趋深入，随着技术的发展，对零件的加工精度、加工表面粗糙度和加工表面质量提出了很高的要求，因此使超声波旋转加工设备加工向精密与超精密加工方向发展是非常必要的,因此，越来越引起人们的重视而受到世界各国的瞩目。 一、超声波旋转加工设备的工作原理 超声波加工是利用工具端面做超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。加工时，在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。 二、超声波旋转加工设备的特点 第一超声波旋转加工设备可以使切削力大幅度降低,使摩擦热减小、刀具寿命提高和已加工表面粗糙度值减少,即有以下特点:
1）在钻铣过程中,刀具前面不是始终与工件保持接触状态,而是处于有规律的接触、分离状态。 2）有规律的脉冲冲击切削力取代了连续切削力。 3）刀具(或工件)的有规律强迫振动取代了刀具和工件无规律的自激振动。 4）切削力大部分来自刀具(或工件)的振动,刀具(或工件)的运动仅是为了满足工件加工几何形状而设置的。 第二在振动钻铣中,因振动提高了实际的瞬间钻铣速度,并以动态冲击力作用于工件,使得局部变形减少、作用力集中、瞬间切削力增大。从而获得较大的波前切应力,有利于金属的塑性脆化，减小塑性变形,利于切削。在超硬材料的加工方面,这一优点更为突出。 第三超声钻铣设备，在超声波的作用下有利于刀具的冷却。刀具的高速振动对刀具的散热十分有利,同时由于刀具的前面周期性脱离工件,使得切削液更容易进入刀具和工件之间,也增加了系统的散热能力。 三、超声波钻铣设备的应用范围 超声钻铣设备可加工一些普通钻铣床加工不了的材料，难切削材料的加工。如不锈钢、淬硬钢、高速钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁以及陶瓷、玻璃、石材等非金属材料，由于力学、物理、化学等特性而难以加工的材料等。主要适用行业有航空、汽车零件、电极制作、电子、计算机等相关配件及医疗器材、光学仪器等紧密组件的制造加工业，是机械制造、模具、仪器、仪表、汽车等行业理想加工设备。
超声波加工论文
超声波加工 摘要：超声波加工是利用工具断面的超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。它能广泛应用于各个领域，特别对于一些常规加工方式无法完成的或者加工精度无法达到要求的工件。目前经过几十年的发展，超声波加工技术已逐步成熟，并已在一些要求条件高、加工工艺复杂、精度要求高的领域逐步发展起来，相信随着技术的发展它的应用范围及领域会越来越广。 关键词：超声波；研究前沿；应用领域 引言：超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步奠定自己在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。特别在现代这个迅猛发展的社会它的地位越来越重要，我们应该加快它的发展速度，为我们所用。 超声波加工（USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。 与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。 一、超声波加工的原理 1.1 超声波概述 “超声波”这个名词术语，用来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz以上的所有频率。超声波的上限频率范围主要是取决于发生器，实际用的最高频率的界限，是在5000MHz的范围以内。在不同介质中的波长范围非常广阔，例如在固体介质中传播，频率为25kHz的波长约为200mm；而频率为500MHz的波长约为0.008mm。 超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播。由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振以及损耗等现象更显著。在不同的介质中，超声波传播的速度c亦不同，例如c空气=331m/s；c水=1430m/s；
圆锥形及阶梯型变幅杆模态分析
超声波变幅杆的设计及修正 摘要:超声变幅杆是超声波振动系统中一个重要的组成部分。本文结合超声变幅杆理论对设计变幅杆进行结果分析及参数修正,采用ANSYS 12.1对变幅杆进行了有限元模态分析，在此基础上，设计并加工了一个应用于超声显微切割系统中的、谐 振频率为70 kHz的半波长圆锥型变幅杆，和用于超声波近场悬浮的、谐振频率是20kHz的阶梯型变幅杆，并进行了相关实 验。实验结果表明，利用ANSYS软件辅助设计方法得到的超声变幅杆，其谐振频率与模态分析值非常接近，修正理论也可以 让变幅杆谐振频率更加接近设计值，为超声变幅杆的设计、校核和优化提供了一种新途径。 关键词:变幅杆;有限元;模态分析 Design and Revise of Ultrasonic horn Abstract：Ultrasonic horns apply widely in ultrasonic processing. Combined with ultrasonic horn theory, correct the ultrasonic horn by formula, analysis the modal of horn by ANSYS 12.1, on this basis, design a half-wavelength conical horn which resonant frequency is 60kHz, used by a ultrasonic micro dissection system, and a stepped ultrasonic horn which resonant frequency is 20kHz, used by a near-field acoustic levitation system, then make the related experiment. The results show that the resonant frequency of the ultrasonic horn designed by ANSYS is approaching the theory value, the correction coefficient also can make the resonant frequency approach the theory value, that provides a new way to design, checking or optimization. Key word:Ultrasonic horn; Finite element; Modal analysis 引言 超声变幅杆是超声振动系统的重要组成部件，它在振动系统中的主要作用是把机械振动的质点位移量或运动速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上[1]。在高强度超声应用中，如超声加工、超声焊接、超声切割、超声波悬浮等场合，所需要的振幅大约为几十至几百微米，但是超声换能器辐射面所产生的振动幅度较小，一般只有几微米，所以必须借助变幅杆将机械振动质点的位移或速度放大至满足工程应用要求。目前，有关超声变幅杆的设计，国内外主要采用传统解析法、等效电路法与替代法等，但是这些方法普遍存在计算量大而且设计精度不高的缺陷。运用有限元分析软件ANSYS，可以有效地解决传统设计方法中存在的不足[2]。因此，运用ANSYS，通过对超声变幅杆进行模态分析和参数优化，可以大大提高设计效率和精度。本研究结合ANSYS软件，设计一个在超声显微切割系统应用的、谐振频率为60 kHz的半波长圆锥型变幅杆和超声波悬浮中应用的谐振频率为20kHz圆柱型变幅杆。 1 超声变幅杆的理论分析与设计 1. 1 变截面杆纵向振动的理论分析 物体在弹性介质中发生振动时会引起介质的振动。在研究振动波时，假设把弹性介质分成若干层，每一层看作是由许多彼此紧密相连的质点组成，一旦介质中的某个质点受到某种扰动，此质点便产生偏离其平衡位置的运动[3]，由于介质各点之间存在着弹性的联系，这一运动势必推动与其相邻的质点也开始运动，这样，物体的振动就在弹性介质中传播出去，这种物体的振动在弹性介质中的传播被称为波动。以质点和简单机械振动系统的振动及超声波的传播原理为理论基础，建立数学模型，根据牛顿定理可以确定变截面杆纵向振动的波动方程。 为了便于研究，设定理想状态，假定变截面杆是由均匀、各向同性材料所构成的，略去机械损耗，当杆的横截面尺寸远小于波长时，可以认定，平面纵波沿杆轴向传播，在杆的横截面上应力分布是均匀的[4]。
超声波加工以及机床设计-机械设计论文设计
1. 绪论 1.1 论文的提出及其应用价值 1.1.1 课题所属研究领域 由于各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的问题。对这些材料用传统加工方法十分困难，于是产生了特种加工技术，双面超声波加工就是其中一种。 超声波加工(USM)是利用超声波振动工具在有磨料的液体介质中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作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声波频振动进行振动加工，或利用超声波振动使工件相互结合的加工方法。几十年来，超声波加工技术的发展迅速，在超声波振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声波复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。超声波加工非常适合于加工硬脆材料，而且不会损害工件表面，所以是加工硅工件的理想方法[1]。 超声波加工方法是近50年来逐步发展的一种新型加工方法。在难加工材料和精密加工中，超声波加工方法具有普通加工无法比拟的工艺效果，具有广泛的应用围。超声波加工技术横跨机械学、电学、和声学三个学科，因而可把超声波加工视为交叉学科[1]。 1.1.2 课题的理论意义和应用价值 如今的一些材料，如硅晶体具有强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、比重低和自润滑等优良特性，已在电子、机械、能源、航空航天等众多领域显示出相当广泛的应用前景。然而，硅材料的加工十分困难，尤其是对于具有复杂型面的硅材料零件至今尚无有效的加工手段。目前硅材料的加工技术已成为制造业研究的热点。 材料的加工技术中，金刚石磨削方法只能加工简单型面的零件，而对于较复杂的型面，如有锐角要求的槽形零件和非回转体表面，就无能为力了；激光束加工（LBM）技术虽然可用于硅零件的加工，但会使加工表面产生达50m 的微观裂纹，很难适应航空航天重要零件的要求；此外，由于硅材料电导率低且化学稳定性好的限制，使得电火花（EDM）及电化学（ECM）加工方法不适于加工硅零件。而超声波加工（USM）不需工件导电，可加工任何超硬材料，且不属于热过程，
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
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一、课题研究的依据和意义
1.1 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 1.1。
图 1.1 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
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超声波旋转加工机结构设计
摘要 超声加工技术是近30年来逐步发展的一种特种加工方法，并以它的工艺效果得到了广泛的应用。由于它横跨机械学、电学和声学三个学科，因而也可把超声加工技术视为边缘学科。 超声加工，是指给工具或工件沿一定方向施加超声振动进行振动加工的方法。超声加工系统，由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。超声波发生器的作用是，将220V或380V的交流电源转换成超声频电振荡信号；换能器的作用是，将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是，将换能器的振动振幅进行放大。 近20多年来，国外采用烧结或镀金刚石的先进工具，既作超声波频振动，同时又绕本身轴线以1000—5000r/min的高速旋转的超声波旋转加工，比一般超声波加工具有更高的生产效率和孔加工的深度，同时直线性好、尺寸精度高、工具磨损小，除可加工硬脆材料外，还可加工碳化钢、二氧化钢、二氧化铁和硼环氧复合材料，以及不锈钢与钛合金叠层的材料等。目前，已用于航空、原子能工业，效果良好。 本文设计的超声波旋转加工机，包括整机的工具头、进给装置等机械结构设计和驱动元件的选择。 关键词:超声波；结构设计；旋转加工；变幅杆；换能器 全套图纸，加153893706
ABSTRACT The technology of ultrasonic process is a special method process in recent 30 years, and it has a wide application because of its good crafty result. Since the technology of ultrasonic process is relative with mechanism, electricity and acoustics, it can be considered as frontier science. Ultrasonic process, it is a processing method which manufacture the work piece ultrasonic vibration at a direction. The system of ultrasonic process is consist of the manufacturing install of ultrasound, the ultrasonic transforming install, the pole of changed flap , the system of transmitting vibration, tools, and the system of craft, and so on. The function of the manufacturing install of ultrasound is to transform the 220 or 380 mains to the ultrasonic electric vibrating signal；the function of the ultrasonic transforming install is to transform the ultrasonic electric vibrating signal to the machining vibration；and the function of the pole of changed flap is to amplify the amplitude. The Rotary Ultrasonic Machining that the text designed, which include tools,feeding device etc. selection of driver is either included. Key words:Ultrasonic; Structure Design; Rotary Ultrasonic Machining Amplitude Transformer；Transducer
超声变幅杆及其性能参数测试平台设计-本科毕业论文
本科毕业论文 (2015届) 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 班级 学号 学生姓名 指导教师 完成日期2015年5月
诚信承诺 我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《超声变幅杆及其性能参数测试平台设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人(签名)： 年月日
摘要 本文从已知的变幅杆大小端直径、工作频率和材料出发，对超声加工系统中的变幅杆进行了研究。本文主要包括以下研究内容： 1.根据已有的变幅杆大小端直径，通过波动方程理论，完成对阶梯型、指数形、圆锥形三种变幅杆的外形设计计算。 2.利用有限元方法，借助有限元软件ANSYS对设计出的三种变幅杆进行动力学分析。先在SolidWorks中建立三种变幅杆的三维模型，再导入ANSYS中进行模态分析和谐响应分析。模态分析是指在规定超声波发生器所产生的振动的频率范围内，测定出变幅杆的各个固有频率。谐响应分析是指确定变幅杆的一个固有频率，并在变幅杆的一个固定断面施加一个正弦规律的振动，再测定变幅杆的自由端的振动变化。通过比较自由端和固定端的振幅大小变化，求出所设计的变幅杆的振幅放大比。 3.搭建实验测定平台。搭建了单独测定变幅杆放大系数的实验平台，还搭建了测定超声振动系统性能的实验平台，并对已有的变幅杆加以实验测定。通过阻抗分析仪、激光位移传感器等得到谐振频率、放大系数的实际测量数据，并判定了已有的超声振动系统的性能。 关键词：超声变幅杆；有限元；模态分析；谐响应分析；实验平台
ABSTRACT Starting from the known diameters of both ends of ultrasonic horn, the working frequency and the material, the horn with the ultrasonic processing system were studied. This paper mainly includes the following contents: 1.According to the diameters of both ends of ultrasonic, and by the theory of wave equation, complete the size calculation of tapered, exponential and stepped ultrasonic horn. https://www.sodocs.net/doc/ce11965450.html,ing the finite element method, complete the dynamics analysis of three horn by the finite element software ANSYS. First, we should set up 3D models of three horn in SolidWorks, and then import 3D models to ANSYS for modal analysis and harmonic response analysis. Modal analysis is in accordance with the ultrasonic generator vibration frequency range and determine each natural frequency of the horn. Harmonic response analysis is in the determined natural frequency of a horn, and the horn of a fixed section applied a sinusoidal vibration, to determine the vibration change of the free end of the horn. By comparing the amplitude change of the free end and the fixed to get the amplification ratio of the designed horn. 3.Set up the experimental test platform.The experimental platform of measuring the amplification coefficient of variable amplitude rod is established, and then the experimental platform of measuring the ultrasonic vibration system performance is established, and the existing variable amplitude rod was measured experimentally. The actual measurement data of the resonant frequency and the amplification coefficient are obtained by the impedance analyzer and laser displacement sensor, and the performance of the ultrasonic vibration system is determined. Keywords: ultrasonic horn；finite element；modal analysis；harmonic response analysis；experimental platform
超声波加工在模具行业中的应用
超声波加工在模具行业中的应用 传统的机械加工技术对推动人类的进步和社会的发展起到了重大的作用。随着科学技术的迅速发展，新型工程材料不断涌现和被采用，工件的复杂程度以及加工精度的要求越来越高，对机械制造工艺技术提出了更高的要求。由于受刀具材料性能、结构、设备加工能力的限制，使用传统的切削加工方法很难完成，为了解决这些加工的难题，新型特种加工方法应运而生。 各种硬脆材料和硬脆复合材料很难用传统刀具进行加工,因而往往采用非传统的工艺方法进行加工,这些非传统工艺方法多数直接使用各种能量,如超声波加工和激光加工等。超声波加工始于1927年,几十年来,超声加工技术的发展迅速,在超声振动系统、超声复合加工等领域均有较广泛的研究和应用,尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题,如玻璃、陶瓷、石英、金刚石、硅等,取得了良好的效果 一、超声波加工的系统构成:在工件和工具间加入磨料悬浮液,由超声波发生器产生超声振动波,经换能器转换成超声机械振动,使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工表面,把硬而脆的被加工材料局部破坏而撞击下来。在工件表面瞬间正负交替的正压冲击波和负压空化作用下强化了加工过程。因此,超声波加工实质上是磨料的机械冲击与超声冲击及空化作用的综合结果。超声波加工系统由机床、超声波电源、超声振动系统、主轴旋转系统、主轴轴向进给系统、轴向力反馈保护系统等组成,其中超声振动系统是超声加工设备的核心部分,由换能器、变幅杆和工具头等部分组成。 下面将系统的各个部分分别介绍。 1．1 超声波换能器超声波换能器的作用是将高频电振动转变为机械振动。实现这种转变主要采用以下2种方法。 1)磁致伸缩法:某些铁磁体或铁氧化体在变化的磁场中,由于磁场的变化,其长度也发生变化的现象,称为磁致伸缩效应。磁致伸缩换能器因为具有较低的Q 值(Q是能量峰值的锐度) ,所以它能传递很宽的频率。这使变幅杆设计的灵活性增大,也使与变幅杆连接在一起的刀具允许在加工中磨损后可重磨。磁致伸缩换能器工作时会大量生热,产生较大的电能损失,且使电声转换效率降低。 2)压电效应法:利用压电晶片在外电场中随电场方向的改变而形变发生相反变化的压电效应原理,将高频电振动转变为机械振动的器件称为压电换能器。压电换能器电声转换效率高,不易有热量损失,不需要任何冷却措施,适应旋转操作,生产容易;但要加工0.1～1 GHz级的超高频超声波换能器是很困难,日本中村等提出用钛扩散、周期地形成自发极化反相区域,同时在表面配置叉指电极作成新型超高频超声换能器,可得到变换损失低于5.5dB、相对带宽为0.9的宽频带横波超声换能器。 1．2 变幅杆及工具:变幅杆的作用是将来自换能器的超声振幅由0.005 mm～0.01 mm放大至0.01mm～0.1 mm,以便进行超声波加工。变幅杆之所以能放大振幅,是由于通过其任一截面的振动能量是不变的(传播损耗不计) ,截面小的地方能量密度大,振动振幅也就越大。在进行大功率的超声加工及精密加工时,往往将变幅杆与工具设计制成一个整体;在进行小功率的超声加工及加工精度不高时,则将变幅杆与工具设计制成可拆卸式。目前,对超声变幅杆的研究和优化已广泛应用了CAD /CAM技术和有限元分析技术。如使用ANSYS软件对变幅杆进行优化:首先分析需要的所有数据(材料属性、频率范围等) ,定义结构的几何形状;然后求解,
圆锥形及阶梯型变幅杆模态分析资料讲解
圆锥形及阶梯型变幅杆模态分析
超声波变幅杆的设计及修正 摘要:超声变幅杆是超声波振动系统中一个重要的组成部分。本文结合超声变幅杆理论对设计变幅杆进行结果分析及参数修正,采用ANSYS 12.1对变幅杆进行了有限元模态分析，在此基础上，设计并加工了一个应用于超声显微切割系统中的、 谐振频率为70 kHz的半波长圆锥型变幅杆，和用于超声波近场悬浮的、谐振频率是20kHz的阶梯型变幅杆，并进行了相关 实验。实验结果表明，利用ANSYS软件辅助设计方法得到的超声变幅杆，其谐振频率与模态分析值非常接近，修正理论也 可以让变幅杆谐振频率更加接近设计值，为超声变幅杆的设计、校核和优化提供了一种新途径。 关键词:变幅杆;有限元;模态分析 Design and Revise of Ultrasonic horn Abstract：Ultrasonic horns apply widely in ultrasonic processing. Combined with ultrasonic horn theory, correct the ultrasonic horn by formula, analysis the modal of horn by ANSYS 12.1, on this basis, design a half-wavelength conical horn which resonant frequency is 60kHz, used by a ultrasonic micro dissection system, and a stepped ultrasonic horn which resonant frequency is 20kHz, used by a near-field acoustic levitation system, then make the related experiment. The results show that the resonant frequency of the ultrasonic horn designed by ANSYS is approaching the theory value, the correction coefficient also can make the resonant frequency approach the theory value, that provides a new way to design, checking or optimization. Key word:Ultrasonic horn; Finite element; Modal analysis 引言 超声变幅杆是超声振动系统的重要组成部件，它在振动系统中的主要作用是把机械振动的质点位移量或运动速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上[1]。在高强度超声应用中，如超声加工、超声焊接、超声切割、超声波悬浮等场合，所需要的振幅大约为几十至几百微米，但是超声换能器辐射面所产生的振动幅度较小，一般只有几微米，所以必须借助变幅杆将机械振动质点的位移或速度放大至满足工程应用要求。目前，有关超声变幅杆的设计，国内外主要采用传统解析法、等效电路法与替代法等，但是这些方法普遍存在计算量大而且设计精度不高的缺陷。运用有限元分析软件ANSYS，可以有效地解决传统设计方法中存在的不足[2]。因此，运用ANSYS，通过对超声变幅杆进行模态分析和参数优化，可以大大提高设计效率和精度。本研究结合ANSYS软件，设计一个在超声显微切割系统应用的、谐振频率为60 kHz的半波长圆锥型变幅杆和超声波悬浮中应用的谐振频率为20kHz圆柱型变幅杆。 1 超声变幅杆的理论分析与设计 1. 1 变截面杆纵向振动的理论分析 物体在弹性介质中发生振动时会引起介质的振动。在研究振动波时，假设把弹性介质分成若干层，每一层看作是由许多彼此紧密相连的质点组成，一旦介质中的某个质点受到某种扰动，此质点便产生偏离其平衡位置的运动[3]，由于介质各点之间存在着弹性的联系，这一运动势必推动与其相邻的质点也开始运动，这样，物体的振动就在弹性介质中传播出去，这种物体的振动在弹性介质中的传播被称为波动。以质点和简单机械振动系统的振动及超声波的传播原理为理论基础，建立数学模型，根据牛顿定理可以确定变截面杆纵向振动的波动方程。 为了便于研究，设定理想状态，假定变截面杆是由均匀、各向同性材料所构成的，略去机械损耗，当杆的横截面尺寸远小于波长时，可以认定，平面纵波沿杆轴向传播，在杆的横截面上应力分布是均匀的[4]。