纵向压电式换能器模态分析及实验研究

超声换能器是超声加工乃至超声学的核心部件,在研究功率超声换能器基本理论的基础上,进行大功率纵向压电式复合换能器的研制,得出了适应超声加工的大功率纵向压电式换能器的合理结构形式和设计参数,确定了所用压电换能器结构参数及前后盖板振速比,并采用有限元法对换能器进行振动模态分析,确定换能器辐射端面的最佳振动模态及其纵向谐振频率,并通过实验研究加以验证.研究表明,换能器辐射端面振幅在谐振点处最大;当频率一定时,振幅随着功率的增大而增大,当频率离开谐振点频率越远,振幅逐渐减小.     

高Q_M值夹心式压电超声换能器的设计

为了改善换能器的QM值,降低换能器工作时损耗,设计了一种工作在并联谐振频率的压电超声换能器。根据换能器的频率要求,利用换能器的频率方程完成换能器结构尺寸的设计;使用有限元方法对换能器的结构和性能进行了仿真分析;通过实验分析了压电陶瓷晶片关键参数对换能器性能的影响,提出陶瓷晶片匹配原则,为生产高QM值压电换能器提供了参考。     

研齿振动系统开槽参数对振动特性的影响研究

在弧齿锥齿轮的精密加工技术领域,超声研齿加工技术得到广大学者的密切关注和研究。设计了一种重负载弧齿锥齿轮的超声研齿振动系统,在材料的属性设置、网格划分和模态分析设置等均相同条件下,利用Ansys Workbench软件研究分析了槽的数量、宽度、长度和位置对研齿振动系统的谐振频率、振动模态、位移节点和齿轮形变的影响规律;建立了通过在圆柱体上开槽的方式对传振圆柱体产生的耦合振动进行控制的方法。进一步丰富和完善了现有的超声研齿加工振动系统的设计理论。     

轴齿轮超声谐振振动系统设计

相对于传统的加工方法,超声研齿加工具有较高的效率和较好的齿面质量。依据一维波动理论,设计了一种普通变幅杆和带轴的锥齿轮组合形成的复合变幅杆,使其达到所需的谐振频率。然后通过有限元的方法对所设计的复合变幅杆与所选用的换能器组成的超声研齿系统进行分析,验证了理论设计方法的正确性。并在此超声研齿系统的基础上,从带轴的锥齿轮的结构出发,分析了锥齿轮部分结构参数的变化对轴齿轮超声研齿系统的谐振频率和振幅的影响规律,为轴齿轮超声加工系统的设计提供了依据。     

带轴锥齿轮超声研齿振动系统的设计与试验

为了满足带轴锥齿轮超声研磨加工的谐振频率要求,利用波动理论对不同结构的3种带轴锥齿轮的超声变幅系统进行谐振设计,建立了统一的谐振频率方程,并对位移放大系数和最大应力进行了比较。运用有限元方法,对由复合变幅杆和换能器组成的超声激励-变幅振动系统进行了模态分析和谐响应分析。最后对超声振动系统进行了阻抗分析和频率测试。试验结果表明：实际超声振动系统的谐振频率为23.269kHz,与设计频率误差约1.17%,试验结果与有限元分析和理论分析结果基本吻合,验证了理论设计的准确性。     

高效压电陶瓷加工原理探讨

针对波导管等特殊管状物体内壁的加工,提出了内腔压电超声换能推挤原理,采用了具有频率自动跟踪系统的超声波发生器,自行设计了用于管内腔超声推挤的压电陶瓷换能器,并设计给出了变幅杆--推刀振动子系统的谐振频率、位移节点、放大倍数等计算公式,测出了声学系统的电导--电纳特性,并进行了工艺试验,探讨了超声推挤过程.     

超声激励下弧齿锥齿轮研齿系统动态研磨力分析

在综合考虑超声激励和齿面几何传动误差激励的情况下，建立了有间隙的两自由度周向振动的弧齿锥齿轮研齿动力学模型，得到了齿面间动态研磨力的计算公式。通过算例分析表明，与普通研齿效果对比，超声激励增大了齿面间的动态研磨力，使齿面在啮合过程中出现了碰撞，当超声激励振幅值为16．5N·m时，超声研齿系统由周期运动进入到混沌状态。     

超声调制电加工振动系统研制及试验

根据超声调制电加工振动系统对换能器的要求,设计PZT陶瓷片组合的压电换能器,利用ANSYS分析换能器、变幅杆及工具电极的频率、振幅等参数变化规律;进行变幅杆与工具电极设计,利用数控车削、微细放电及微细线切割制作变幅杆与工具电极;通过超声振动系统的振动特性测试,验证超声振动系统的稳定性及工具电极设计的合理性;进行多种微结构超声调制电加工试验,验证超声电加工系统的可靠性及在微结构加工中精度好、效率高的技术优势。     

超声换能器过固有谐振区匹配理论

超声压电换能器是一个能量转换系统,在超声波振动加工中将超声波电源输出的电能转换为机械振动,由于超声压电换能器是一个容性负载,为保证超声电源输出的电能有效地转换为超声压电换能器的机械振动,需要在超声电源和超声压电换能器之间加一个适当大小的电感进行匹配,但超声压电换能器又是一个强非线性时变系统,在不同的工作频率下其阻抗特性以及机械振动特性差别显著,因此如何将超声压电换能器匹配在一个恰当的工作频率,是提高振动加工质量的关键.通过正确选取超声压电换能器的等效电路模型,并对由此推导出的阻抗圆进行深入分析、研究,可以得出:如将换能器工作频率匹配在大于其内部固有谐振频率的某一频段,可以使换能器振幅最大,振动波形质量也最好,是换能器的最佳工作频段,从而提出超声压电换能器"过固有谐振区"匹配理论.试验结果证明该理论正确.     

具有不同腹板孔的弧齿锥齿轮模态分析

弧齿锥齿轮是机械传动中的一种重要元件,易产生共振破坏。弧齿锥齿轮的固有振动特性取决于齿轮结构参数,可以通过改变某些参数使固有频率远离工作频率。通过对不同腹板孔结构的4个弧齿锥齿轮的固有频率和主振型的研究,找出了其固有特性受腹板孔影响的变化规律。结果表明,腹板孔的大小和数量对弧齿锥齿轮的固有频率、振动变形和振动应力都有一定的影响。     

超声波轴承用挤压式压电换能器的共振频率

设计了一种超声悬浮轴承用新型径向挤压式压电换能器,用于验证超声波轴承径向共振频率理论计算的正确性。基于弹性理论、压电方程和机电类比原理,建立压电换能器机电等效电路图,理论推导出了压电换能器径向振动的共振频率方程;然后,应用Matlab软件计算出了压电换能器的共振频率。采用有限元软件对已知结构尺寸的换能器进行模态分析,计算出压电换能器所需振型及该振型下的共振频率,数值仿真分析了换能器结构尺寸对换能器共振频率和径向振幅的影响。最后,设计了 一台样机,从理论、仿真及实验三方面对其共振频率进行验证。实验结果显示：换能器径向振动共振频率的理论值与实验结果相对误差为5.89%,仿真值与实验结果误差为3.53%。实验结果证明了理论计算方法的正确性,为压电挤压换能器的设计提供了理论依据。     

刀具负载对蜂窝复合材料超声切割声学系统阻抗特性的影响

针对刀具负载对蜂窝复合材料超声切割声学系统的影响,利用四端网络法,将压电换能器与变幅杆结合在一起,提出了声学系统的整体设计方程,得出了负载与声学系统阻抗特性的关系式。利用有限元软件对声学系统进行模态分析及谐响应分析,并利用阻抗分析仪和激光位移传感器对声学系统的阻抗﹑谐振频率和输出振幅进行检测。仿真和实验结果表明：随着刀具负载的增大,声学系统的阻抗值增大,谐振频率减小,但仿真与实验得出的输出振幅与理论分析不同,这是由于刀具的放大作用造成的。研究结果对声学系统的设计及实际应用有指导意义。     

复合盘压电超声换能器的径向振动频率方程

提出并研究一种复合盘压电超声换能器的径向振动特性。依据机电类比原理,建立复合系统的径向振动等效电路,并推导出其径向振动频率方程。数值计算表明,当换能器半径比一定时,对给定材料换能器径向共振频率与压电晶片直径的积为常数。此外,径向复合换能器不满足传统的“半波长”级联规律,必须进行整体设计。作为算例,给出常用材料钢、铝和钛与PZT-4复合压电超声换能器的径向共振频率常数与其半径比的拟合关系曲线。试验加工两个径向复合压电超声换能器,并测定其共振基频。结果表明,换能器谐振频率误差小于3%,能够满足工程应用需要。     

复合管功率超声压电换能器的径向振动特性

在纵向复合压电超声换能器基础上,提出并研究带预应力外壳的径向复合管压电超声换能器的径向振动特性。换能器由径向极化薄壁压电陶瓷圆管与预应力金属圆管外壳径向复合而成。依据机电类比原理,建立起复合系统的径向振动等效电路,并给出其径向振动共振频率方程。结合数值计算例,探讨换能器的共振和反共振频率以及有效机电耦合系数与预应力圆管半径比之间的关系。设计制作4个径向复合管压电超声换能器样品,通过试验测量换能器径向振动共振和反共振频率。结果表明,换能器径向共振频率的理论值与测量结果符合较好,误差小于5%。     

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。     

Ultrasonic assisted turning of an aluminium-based metal matrix composite reinforced with SiC particles

In this study, diamond turning of an aluminium-based metal matrix composite (MMC) reinforced with SiC particles was conducted with the assistance of ultrasonic vibrations. A simple and small size vibration device was designed to mount a piezoelectric transducer and a diamond insert onto a CNC machine. Turning experiments were carried out using a factorial design to investigate the effects of vibration and turning conditions on the surface finish of the turned MMC samples. The experimental results show that surface roughness of the MMC sample turned with ultrasonic vibrations is better than that of the MMC sample turned without ultrasonic vibrations. Turning with vibrations creates regular surface profiles along the turning and vibration direction, resulting in a light dispersion phenomenon, which is not reported in other articles. This phenomenon can only be observed when the pitch of the regular profiles is within a particular range. The pitch is determined by the cutting speed when the vibration frequency is fixed.     

超声研齿的材料去除模型与试验

提出了超声研磨弧齿锥齿轮的理论与方法。分析了超声研齿中磨粒锤击微切削、弹跳冲击与研磨液空化效应等材料去除机理,建立了超声研齿锤击微切削材料去除模型。进行了普通与超声研齿的对比试验,试验证明,超声研齿材料去除率可达到普通研磨的三倍,且齿面质量明显提高,齿面粗糙度Ra低至0.2μm,轮廓支承长度率Rmr100%的水平截距c为1.2mm。     

超声研齿振动子系统的研究与变幅杆设计

介绍了超声研齿的原理与方法,对超声研齿振动子系统进行了研究与分析。依据四端网络的基本原理,利用力电类比的方法,给出了换能—变幅器的等效电路图,并通过电路运算,推导出换能—变幅器的频率方程和放大倍数的计算公式。据此,设计出了谐振特性良好的超声研齿换能—变幅器。最后对超声研齿振动系统的谐振特性进行了测量,理论计算与试验基本相符。     

螺旋锥齿轮振动研磨的运动模型研究与分析

首次提出螺旋锥齿轮振动复合研齿法 ,建立了V/H与齿面啮合关系的数学模型与振动研齿法的运动学模型。利用TCA方法 ,通过对齿面的接触路径与印痕、齿面相对运动速度与研磨轨迹、切削速度数值仿真 ,证明该模型能对齿面研磨中接触路径与印痕进行准确的控制 ,振动研磨加工的质量效率明显优于传统方法