基于超声振动加工的阶梯形变幅杆焊头设计与性能分析

超声变幅杆是超声振动复合加工工艺中超声振动系统的重要部件,在塑料超声波焊接加工中,常常把变幅杆与焊接工具设计在一起,即业内通俗说的超声波变幅杆焊头。该文结合实际应用情况,通过理论计算得到阶梯形变幅杆焊头的几何模型,并基于Ansys Workbench分析软件对阶梯形变幅杆焊头进行模态分析和谐响应分析,获得了阶梯形变幅杆放大系数、截面突变处的过渡圆弧与最大应力的变化规律,为阶梯形复合变幅杆焊头的设计提供了参考,优化设计的阶梯形变幅杆焊头工作性能得到大幅度提升。     

带类余弦过渡段阶梯形变幅杆扭转振动特性研究

基于传递矩阵算法,推导出了变截面杆扭转振动时等效四端网络参量的一般表达式,研究了带类余弦过渡段阶梯形变幅杆扭转振动频率方程与角速度放大倍数及外表面切向速度放大倍数等的关系.结合阶梯形变幅杆两段长度相等的情况,分析了系统的扭转振动特性,得出了过渡段参数和阶梯形变幅杆参数的关系图像.结果表明,文中得出的一般表达式适用于带类余弦过渡段复合阶梯形变幅杆的扭转振动特性描述.     

余弦形过渡段阶梯形变幅杆研究

推导出余弦形单一超声变幅杆的等效四端网络参量.基于传递矩阵法,得到了具有余弦形过渡段阶梯形变幅杆的频率方程和振幅放大系数.在对前后段相等的这种复合变幅杆分析后发现,用余弦形变幅杆作阶梯形变幅杆的过渡段,可以得到较好的效果.     

多台阶过渡段阶梯型变幅杆的设计

为了减小阶梯型变幅杆截面突变处的应力及降低加工成本,提出了多台阶过渡段阶梯型变幅杆。基于声传输线方法推导了变幅杆的频率方程,求解了放大系数。利用有限元方法计算了沿轴向的位移和应力分布曲线。结果表明:与无过渡段的阶梯型变幅杆相比,多台阶过渡段阶梯型变幅杆的放大系数变化不大,应力相对值的峰值却明显减小;与圆锥、圆弧过渡段阶梯型变幅杆相比,放大系数相近,应力相对值的峰值相同。     

高频超声在变幅杆件中传播损耗的测试

应用2.5 MHz超声探头,在两组不同尺寸阶梯形变幅杆中获得了相同测试条件下的超声回波信号.再利用数字示波器对信号进行采样,得到了数字化超声回波时域信号.根据傅里叶变换理论,得出了回波信号的波形和功率谱图,进而发现超声能量在这些不同尺寸变幅杆中谐振频率附近传播衰减的规律.结果表明,变幅杆放大系数大,从一端传递到另一端的平均声能量密度大.超声在阶梯形变幅杆中传播,其谐振频率附近回波功率谱线幅度与变幅杆几何尺寸有关.     

大振幅比直孔型指数形变幅杆

为了降低直孔型指数形变幅杆加工成本,满足应力加载下的实际应用并追求大的放大系数,提出了用螺栓连接的直孔型指数形变幅杆.推导并计算了变幅杆的频率方程和放大系数;有限元法分析了在谐振状态下,螺栓连接的直孔型指数形变幅杆的位移和应力分布曲线.结果表明,在谐振频率和外形几何尺寸相同时,螺栓连接的两段直孔型指数形变幅杆的放大系数比实心变幅杆大,比直孔型指数形变幅杆略小,且应力曲线基本光滑,可以用于实际的超声加工.     

幂函数超声变幅杆理论研究与模态分析

依据变截面杆纵向振动波动方程，给出了幂函数形变幅杆的频率方程及重要参数计算公式，并与其他类型变幅杆进行比较．结果表明，幂函数变幅杆具有与指数形变幅杆相同的放大系数，与阶梯形变幅杆有相同的谐振长度，且这种变幅杆不存在截止频率．用有限元软件Ansys进行模态分析表明，幂函数形变幅杆共振频率的模态分析值与一维理论值吻合．     

纵-扭同频复合超声振动变幅杆设计

为了在切削与焊接加工过程中获得超声变幅杆的纵-扭复合振动,本文通过对纵-扭转振动模式下的圆锥过渡阶梯形复合变幅杆进行理论分析,得出其纵-扭振动的共振频率方程以及振速放大倍数,并对复合变幅杆的三段长度进行控制,实现了纵-扭复合同频共振.利用有限元软件ANSYS对理论设计的复合变幅杆进行结构动力学仿真分析,结果表明有限元分析与理论计算结果吻合较好.     

粗细端不等长阶梯形变幅杆谐振频率的实验研究

研究了粗细端不等长阶梯形变幅杆的谐振频率,分析了谐振频率的降低系数β随面积比的对数lnN2变化的规律,发现粗细端不等长变幅杆与等长变幅杆谐振频率系数随面积比对数的变化关系相似,并且在lnN2>2.40时与局部共振现象吻合.这为阶梯形变幅杆的研究和设计提供了一定依据.     

带压电片的阶梯形变幅杆的优选

在功率超声中,经常将压电片和阶梯形变幅杆组合在一起使用,其组合形式是多种多样的,到底那一种形式的结构最优,我们通过改变阶梯形变幅杆的粗棒长度;研究细杆长度的变化;位移、振幅、放大倍数的变化;细杆输出端位移、振幅的变化;给出三个理论和实验分析曲线图,优选出该变幅杆的粗端长度。     

傅里叶变幅杆的外形函数与性能分析

为设计振幅放大系数和形状因数均优良的变幅杆,研究了以不同阶次的傅里叶级数为振动位移函数的傅里叶变幅杆模型。推导了不同阶次傅里叶级数时变幅杆的外形函数,计算了相应的形状因数和位移节点。利用有限元方法计算了变幅杆的谐振频率、位移幅值和位移节点,并比较了其与传统变幅杆的性能优劣。结果表明：当面积系数较大时(大于3.34),阶梯形变幅杆的振幅放大系数最大,其次是二阶傅里叶、悬链线形、指数形,最小为圆锥形;圆锥形变幅杆的形状因数最大,其次是指数形、悬链线形、二阶傅里叶,最小为阶梯形。谐振频率与面积系数相同的条件下,二阶傅里叶变幅杆的振幅放大系数远大于指数形、悬链线形和圆锥形变幅杆的相应值,其形状因数远大于阶梯形变幅杆。在同时考虑振幅放大系数和形状因数的条件下,相较于传统变幅杆,二阶傅里叶变幅杆综合性能更好。     

抗性负载下常见形状函数变幅杆振动特性的比较

利用数值计算方法，分析和比较了3种常见形状函数变幅杆在抗性负载下的振动特性．结果表明，变幅杆的共振频率随容性负载增大而升高，随感性负载增大而降低；位移振幅放大系数随容性负载增大而减小，随感性负载增大先增大后减小．圆锥形变幅杆的共振频率和位移振幅放大系数受负载的影响相对较小，但是在小负载情况下，悬链线形变幅杆和指数形变幅杆有位移振幅放大系数大的优势。     

大铸锭铝熔体中超声振动系统空化区域分析及实验研究

根据比值校正法利用激光测距仪对超声系统辐射杆振动进行测试,其结果进行幅值谱校正后得到辐射杆位移幅值分布,分别对超声变幅杆浸入铝溶液及水中不同深度进行空蚀分布实验,运用有限元法对水及铝熔体中空化区域进行模拟。研究结果表明:振动系统在谐振点以下电流更加稳定,声流效应不易产生突变;超声振动系统辐射杆以纵向振动为主,声压幅值在铝熔体中辐射杆端面法线上单调递减;侧面横向振动的最大振动幅值约为端面纵振幅1/2,位置约为端面以上15~55 mm处;空化区域仿真结果与实验结果基本吻合。     

余弦形超声变幅杆的改进

推导了改进的余弦形超声变幅杆的频率方程、各参数的计算公式以及等效四端网络传输矩阵参量，并与其它类型的变幅杆进行比较．结果表明，余弦形变幅杆具有和指数形变幅杆相同的放大系数和频率方程，同样可作为单一变幅杆使用．     

悬链线形变幅杆的理论研究和有限元分析

根据一维变截面杆纵向振动的波动方程,推导了悬链线形变幅杆的等效电路,由等效电路得出了其纵向振动的频率方程.利用有限元软件ANSYS对一组悬链线变幅杆进行谐响应分析和模态分析,得到了位移-频率曲线和共振频率；结果表明,模态分析值与理论值吻合很好.这对悬链线形变幅杆的实际应用具有一定的参考意义.     

宽端接圆柱杆的复合指数形变幅杆的设计

利用替代法得到了复合指数形变幅杆的频率方程,在此基础上解算出谐振长度、放大系数等重要参数,并借助于ANSYS软件对复合变幅杆进行模态分析.结果表明该方法对复合形变幅杆的设计是可行的,也显示了ANSYS在变幅杆设计中的重要性.这给其他复合变幅杆的设计提供了参考.     

复合振动系统中“局部扭转共振”现象的研究

本文从扭转振动波动方程出发，推导出了具有“类圆锥”过渡段的复合阶梯型扭转变幅杆的频率方程和放大倍数的解析表达式．从实验和理论上对该复合变幅杆的谐振频率随细端长度和直径的变化进行了测量和计算．通过对比，首次证明了复合振动系统中“局部”扭转共振现象的存在，并给出了其产生条件．     

超声波在引线键合机变幅杆中的传递规律

基于解析模型的方法, 研究了超声波在热超声金丝球引线键合机变幅杆中的传递规律. 在忽略变幅杆横向惯性效应, 假定线弹性、无阻尼情况下, 考虑变幅杆纵向微小振动, 从一维变截面杆振动方程出发, 建立热超声金丝球引线键合机复合变幅杆的动力学方程, 推导它的频率方程, 获得各阶振型. 研究结果表明: 在变幅杆的各阶振型中, 两端都是位移腹点, 但是幅值不同, 这也是变幅杆可以传递超声波的原因;夹持器应只有位于位移节点, 才能为变幅杆系统提供支撑的同时不对超声波传递产生影响.     

夹角型纵振变幅杆的有限元设计

对夹角型纵振动变幅杆进行了有限元设计,计算了不同尺寸变幅杆纵振动谐振状态下的放大系数与纵振动位移分布。结果显示:放大系数主要受变幅杆输入杆与输出杆的长度及半径的影响,输入杆与输出杆间的夹角对放大系数影响不大。而纵振动位移分布与节点位置则受角度影响较大。加工了5个不同尺寸变幅杆并利用激光测振仪测量其振型与纵振动放大系数,测试显示纵振动可由输入端传递至输出端上,放大系数测试结果与有限元计算一致。     

前端开孔的大振幅柱型超声变幅杆

提出了一种前端开横向矩形通孔的柱型变幅杆.利用有限元方法计算了谐振频率下振幅放大倍数和输出端面位移分布,研究了孔尺寸对变幅杆谐振频率的影响并优化了孔尺寸,得到最大放大倍数,与传统变幅杆相比放大倍数有大幅提高.分析了优化前后变幅杆的应力.将变幅杆与换能器相连接,激光测振仪测试了振动系统的频率、振型、变幅杆的输出端面位移分布及相对于变幅杆输入端的振幅放大倍数,测试结果与有限元计算结果一致.测试结果还表明激励电压与变幅杆输出端位移具有线性关系.