面向岩石取样过程的超声纵扭变幅杆设计

针对超声岩石取样加工过程需要不同比例纵扭振动输出需求,设计一种具有斜槽结构的纵扭复合阶梯型超声变幅杆。根据超声变幅杆的纵扭复合振动机理,利用有限元法分析确定可产生扭转振动的带斜槽阶梯型变幅杆基本结构,研究斜槽结构参数变化对超声变幅杆输出纵振振幅与扭转振幅比值的影响规律。研究结果表明,在阶梯型变幅杆上合理设定斜槽的位置和结构参数可实现不同比例的纵扭振动输出,满足不同材质超声岩石取样加工需求。     

圆锥形复合变幅杆纵-扭复合振动的实现

为解决纵-扭复合振动超声加工中复合振动的实现难题,对单激励纵-扭复合振动圆锥形复合变幅杆展开研究。基于变截面杆一维纵向振动和扭转振动理论,推导出圆锥形复合变幅杆纵向振动和扭转振动的频率方程,并确定其振动特性参数。阐释了单激励下圆锥形复合变幅杆纵-扭复合振动的实现机理,并通过应用实例给予验证。理论计算、数值分析与测试结果表明,选择合适的几何结构参数,圆锥形复合变幅杆可以实现纵-扭复合振动。     

基于ANSYS的超声切削传振杆结构优化设计

利用传振杆的基频共振频率方程,设计出传振杆,对传振杆开斜槽与不开斜槽两种情况进行仿真对比,有斜槽的传振杆中产生了螺旋波,实现纵-扭复合振动。对传振杆的长度,斜槽的个数,斜槽的宽度进行仿真分析,得到较接近设计理论值的参数,并通过阻抗实验测试验证了分析结果,对实际应用有重要的参考。     

旋转超声加工用纵扭共振变幅杆的动力学分析

旋转超声振动加工在加工硬脆性复合材料方面应用越来越广,旋转超声振动系统性能的好坏直接影响超声加工的质量,而超声变幅杆是该系统中必不可少的结构器件。针对超声铣磨加工,设计了一种纵扭共振复合型变幅杆。计算了纵振圆锥—圆柱复合变幅杆的结构参数和功能参数,并与有限元分析结果做了比较。阐述了通过圆环斜槽来实现振型转换的基本原理,并通过有限元分析的方法,分析了斜槽的几何参数对变幅杆振动模态和性能参数的影响规律。     

超声纵—扭振动铣削系统的研制

研究了超声声学系统,斜槽式变幅杆形成纵—扭振动的基本原理,对变幅杆的振动形式进行仿真,对超声纵扭振动装置系统进行了研制和测试。试验结果表明:斜槽式变幅杆能有效地将纵向振动转化为纵—扭振动。研制的超声纵扭振动系统匹配特性好,振动稳定性高,能够满足加工要求。     

对滚式齿轮纵扭复合超声滚压系统设计与分析

为解决目前齿轮超声滚压强化因设备的限制及振动的单一性导致强化效率低、作用范围小等问题,提出了一种新的对滚式齿轮纵扭复合超声滚压系统,包括纵扭复合变幅杆及与之匹配的工具齿轮.基于理论计算的方法推导出圆锥形复合变幅杆频率方程,求得相关设计参数.在圆锥段开螺旋槽并装配齿轮,利用有限元分析方法研究纵扭复合振动、计算齿面处纵扭复合振动位移及轨迹.采用单因素变量法及有限元分析方法并引入参数扭纵振比,研究槽数、槽深、槽宽、螺旋角等不同螺旋槽参数对纵扭复合超声振动的影响规律,得到最优的参数组合,采用轻量化方法设计出工具齿轮.结果证明,纵扭复合变幅杆设计满足要求,齿轮轻量化设计并装配后得到有效纵扭复合振动.在圆锥形复合变幅杆圆锥段开槽可产生纵扭复合振动,扭转振动效果主要与螺旋槽槽数、槽深、槽宽、螺旋角等参数相关;与工具齿轮装配得到对滚式齿轮纵扭复合超声滚压系统,为新的齿轮纵扭复合超声滚压装置工作性能达成提供了技术支撑.     

二维超声椭圆振动变幅杆的设计

运用振动基本理论研究了二维简谐运动的合成规律并通过仿真验证了其正确性,并运用弹性波入射理论解释了开斜槽式阶梯型变幅杆实现纵—弯复合振动的机制;对开斜槽式阶梯型变幅杆进行了设计,分析了变幅杆结构参数与振动参数及放大倍数的关系;给出了设计实例,应用有限元法对变幅杆进行了模态分析、瞬时动力学分析和振动轨迹分析。研究结果表明,开斜槽阶梯型变幅杆能实现二维椭圆振动轨迹,对超声振动辅助精整加工的工具系统设计具有一定的指导意义。     

超声波去除小孔毛刺试验及装置中变幅杆设计

根据超声波去除毛刺的原理设计了去除小孔毛刺试验装置;运用声学波动理论设计了单一纵振圆锥过渡阶梯形变幅杆,并对纵扭共振变幅杆的结构进行了设计;通过ANSYS仿真分析,得出了纵扭共振变幅杆的结构参数对其谐振频率及扭转振幅与纵振振幅之比的影响规律,并由此规律设计出纵扭共振变幅杆实例;将所设计的单一纵振与纵扭复合振动变幅杆用于超声去毛刺的试验。结果表明:所设计的变幅杆有较好的振动性能;在磨料悬浮液浓度处于合适的范围内,纵扭复合振动较单一纵振对毛刺有更好的去除效果。     

超声纵-扭复合空心变幅杆的振动特性分析

超声纵-扭复合振动加工具有加工效率高、切削力及切削热量较低、可降低刀具磨损等优势,而纵-扭复合空心变幅杆可提供较好的冷却和排屑效果。利用四端网络法设计了圆锥过渡空心复合变幅杆,在其锥面开设螺旋沟槽作为"模态转换器",从而在变幅杆末端成功输出纵-扭复合振动。通过有限元仿真探究了螺旋沟槽数目n、螺旋沟槽角度θ及沟槽槽宽w对谐振频率f的影响规律及敏感度,结合中心孔直径d对变幅杆节点位置、谐振频率f、放大倍数m、扭纵分量比i等的影响规律,针对开设沟槽后频率偏移问题,提出一种谐振频率修正方法,并设计试验进行了验证。     

螺旋沟槽参数对纵-扭变幅杆振动分量的影响

为更好地探究纵-扭复合超声振动加工技术在硬脆材料加工中的优势,提出一种新型扭转振动测评方法,设计纵-扭复合超声变幅杆。首先,理论推导了螺旋沟槽结构的纵-扭模态转换,揭示了纵、扭振动分量对变幅杆振动轨迹的影响;然后,在有限元分析中定义了扭纵分量比j,并分析了螺旋沟槽数目n、螺旋角度θ和槽宽d等参数对扭纵分量比j的影响规律。结果表明:扭纵分量比j随螺旋沟槽数目n及槽宽d的增加而变大,随螺旋角度θ的增加而先变大后减小,并利用正交参数的极差分析法得到各参数对其影响力度大小的主次。通过实验验证了有限元分析结果。     

非均匀介质超声铣削系统振动特性研究

采用纵扭复合超声振动铣削进行加工时,由于加工中心等空间受限场合对超声振动系统的尺寸限制,利用四分之一波长理论设计集换能器和复合变幅杆为一体的非均匀介质超声振动变幅系统,在变幅杆部分设计螺旋槽结构实现纵扭共振,并研究纵扭模态转换理论。对非均匀介质变幅系统进行有限元分析,仿真结果表明纵振系统固有频率理论值与仿真值接近,偏差仅为0.245%;对螺旋槽结构进行仿真发现槽深对其对超声变幅系统固有频率、扭纵幅值比例影响较大,螺旋角的影响次之,槽宽影响最小,振动系统测试实验表明固有频率和扭纵幅值比的仿真结果与实验结果变化趋势一致。分别对TC4钛合金和C/C碳纤维进行纵扭超声振动铣削和传统铣削实验对比,结果显示相对于传统铣削,在纵扭超声振动铣削加工中两组材料表面粗糙度值Ra分别下降78%和47%。纵扭复合非均匀介质超声振动铣削系统结构简单紧凑、振动幅值和方向可控性较好,采用纵扭超声振动铣削能有效提高工件表面加工质量。     

圆环斜槽传振杆的纵扭振动转换

工具的复合振动在切削和焊接加工中能得到优于单向振动输出模态加工的质量,并可大幅提高加工效率和延长工具寿命.利用圆环斜槽传振杆可使单向模态的纵振换能器实现超声纵扭共振模态的输出.这种方法结构简单、使用方便,并具有很高的转换效率.研究从斜槽对应力波的反射作用原理出发,推出纵波在斜槽作用后的应力波应力状态.研究这种应力波在圆环斜槽传振杆中的传播形式,指出它是沿螺旋线传播的主应力波并推出了其传播声速.在此基础上,证明圆环斜槽传振杆存在纵扭共振模态,利用传输线等效电路导出传振杆的频率方程.通过分析圆环斜槽传振杆的振动特性,得出影响纵扭振动输出参数的因素.根据加工要求的振动输出参数,在实际应用中可准确地确定圆环斜槽传振杆的几何尺寸.有限元模态分析、试验结果与理论分析一致.     

一种新型纵扭复合超声振动系统的研究

提出了一种新型纵扭复合超声振动系统的设计方法,并应用有限元软件对其正确性进行仿真验证。利用矩阵传输理论得出了指数过渡变幅杆的纵扭共振频率方程及放大倍数,其间利用MATLAB软件对此频率方程进行了求解;然后通过对圆棒中有纵扭复合振动时的应力状况进行分析,得出了一种新型的纵扭同频激励方式。按此法设计纵扭复合超声振动系统,并应用有限元软件ANSYS进行模态分析与瞬态动力学分析。结果表明:有限元分析与理论计算结果吻合较好。     

纵扭超声变幅杆的优化设计研究

为了减少纵扭超声加工过程中能量的损失,文中从纵扭超声振动中纵向振动与扭转振动中的同一变幅杆中同频共振条件出发,基于ANSYS有限元模态分析、谐响应分析模块,利用ANSYS优化设计方法对变幅杆结构与尺寸进行优化,设计出在同一变幅杆中纵向振动与扭转振动有共同位移节点,同时变幅杆满足许用应力且具较大振幅放大倍数。通过ANSYS仿真验证在共同节点处可对纵扭超声变幅杆进行固定。     

悬链型复合变幅杆动力学及相关特性分析

基于声学波动理论设计一种带有悬链型的复合变幅杆,利用ANSYS软件对其进行有限元分析,并对设计的变幅杆进行振动特性试验。试验结果表明:所设计的变幅杆结构较为合理,变幅杆的放大系数、节点长度和振动频率等参数接近理论值。     

圆锥过渡段阶梯形复合变幅杆的模态分析及优化设计

基于传统变幅杆的设计理论,对圆锥过渡段阶梯形变幅杆进行理论研究;利用有限元软件ANSYS建立复合变幅杆的有限元模型,并对其振动特性进行分析,计算得到复合变幅杆的振动频率、节点长度和放大系数等性能参数,与理论计算值比较表明,有限元法可获得很高的计算精度.利用ANSYS的优化设计功能,得到了变幅杆的最优化设计尺寸.     

指数形过渡段阶梯形复合变幅杆的有限元分析

基于传统变幅杆的设计理论,对指数形过渡段阶梯形复合变幅杆进行研究；利用有限元软件ANSYS建立指数形过渡段阶梯形复合变幅杆的有限元模型,并对其振动分析,得到复合变幅样的放大系数、节点长度和振动频率等性能参数,与理论计算值比较表明,有限元法可获得很高的计算精度.     

纵-扭复合模式压电超声换能器设计分析

提出了一种螺旋槽纵-扭复合模式振动压电超声换能器结构,并对其纵-扭复合模式振动进行了理论分析。重点研究了螺旋槽的尺寸对换能器频率的影响,通过模拟分析发现螺旋槽的深度对换能器的共振频率影响比较大,并得到了纵扭共振时换能器的几何尺寸。理论模拟与试验结果吻合较好。     

基于四端网络法的超声珩齿振动系统设计

从变截面杆作一维纵振动的运动方程出发,建立机械四端网络的数学模型及传输特性方程,导出了超声珩齿复合振动系统的频率方程和放大系数计算公式。将小端接圆柱杆的复合圆锥形变幅杆与被加工齿轮组成复合振动系统,将齿轮简化为圆柱杆,采用四端网络方法,得出了复合振动系统的频率方程与放大系数公式。     

纵扭复合超声换能器的频率灵敏度及其结构优化研究

针对现有超声换能器结构设计方法存在效率低、计算繁琐及与实际应用偏差较大等问题,提出了一种基于有限元模态频率灵敏度的结构优化方法.本文以纵扭复合超声换能器为例,从传统解析法与实际应用尺寸边界约束条件相结合角度,初步确定换能器结构参数;在此基础上,采用模态频率灵敏度方法,通过改变对换能器模态频率影响较大的主要结构参数值,优化得到符合实际应用的换能器结构,并通过阻抗分析与振幅测试试验对结构模型进行了验证.试验结果表明,换能器谐振频率为27.6 kHz,纵向振幅为4μm,扭转振幅为1.33μm,纵扭比为33.25％,与仿真值相比误差较小,能够实现纵扭复合振动,且谐振频率、振幅及阻抗均可满足大部分超声加工要求,验证了设计方法的有效性及结构设计的合理性.