（机械制造及其自动化专业论文）旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究.pdf

太原理j i 大学硕士研究生学位论文 旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究 摘要 随着科学技术的发展，各种高性能的陶瓷材料不断涌现。由于陶瓷材 料具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能，在机械、电子、航 空、汽车等领域上具有广阔的应用前景。但由于其硬度和脆性高，难以加 工，应用受到制造成本的限制。超声加工己被证明是陶瓷、石英、金刚石、 半导体等硬脆性材料加工的有效方法。 传统的磨料悬浮液超声加工工具磨损大，加工精度和加工效率也不高， 因此国内外都在寻找新的加工方法并研制相应的新型设备。研究表明，在 传统超声加工的基础上发展的采用金刚石工具的旋转式超声加工是加工硬 脆材料的一种有效方法，具有良好的发展前景。 超声加工装置主要由超声波发生器、换能器和变幅杆组成，其中的变 幅杆在加工过程中处于极其重要的地位，它的主要作用是在其输出端：睁换 能器输入的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。振幅放大比是变幅杆的重要性能参数，对加工过程中的材料去 除率有较大影响。各种传统形状的变幅杆各有优点，但都不是最理想的。 指数形和圆锥形变幅杆的放大倍数较低，降低了加工效率；阶梯形虽然有 比圆锥形和指数形变幅杆大的多的放大倍数，但其直径突变引起过高的工 作应力，即使在突变处采用圆锥或圆角过渡可以降低工作应力，也要损失 较大的振幅放大比。随着有限兀理沦的完善和相关应用软件的发展，通过 计算机育接进行变幅杆的设计成为可能。 本文以提高超声加t 装置的效率为j 斗j 发点，设计并制造了旋转超声加 工振动装置；通过对变幅杆的研究，设计出具有大振幅比的新型超声变幅 杆。主要研究内容有： 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 1 选购大功率超声波发声器与压电式换能器，设计并制造旋转超声加 工机床振动装置。 2 应用解析法对传统的指数形、圆锥形、阶梯形变幅杆进行设计，求 出其振幅放大比、节点位置、谐振长度等参数。 3 基于a n s y s 有限元模态分析、谐响应分析与优化设计模块对指数形、 圆锥形、阶梯形变幅杆进行设计，通过对比用两种方法分别设计出的变幅 杆，验证应用a n s y s 有限元设计变幅杆的可靠性。 4 应用a n s y s ，以三次样条曲线作为变幅杆轴向截面母线，通过对样 条曲线形状与变幅杆谐振长度的优化，设计出了一种与传统形状变幅杆相 比具有较大振幅放大比的新型变幅杆。 5 通过加工实验，检验振动系统运行的可靠性。测量新型变幅杆的谐 振频率、节点位置、振幅放大比等参数，检验新型变幅杆的性能。 关键词：旋转超声加工，变幅杆，a n s y s 软件，有限元法，优化设计 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 d e s l g n0 fr o t a r yu l t r a s o n i cm a c h i n i n g e q u i p m e n t a n dr e s e a r c ho nn e w t y p eo fu i j r a s o n i ch o r n a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，v a r i o u sc e r a m i cm a t e r i a l w i t ha d v a n c e dp e r f o r m a n c e so c c u rc o n t i n u o u s l y b e c a u s ei th a sag r e a td e a lo f e x i m i o u sp e r f o r m a n c es u c ha st h eh i g hr i g i d i t y ，h i g ht h e r m a lr e s i s t a n c e ，a b r a s i o n r e s i s t a n c ea n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，c e r a m i cm a t e r i a l sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di n m a c h i n e r y ，e l e c t r o n i c s ，a e r o s p a c ea n da u t o m o t i v ei n d u s t r i e se t c b u tt h eh i g h r i g i d i t ya n dh i g hb r i t t l e n e s s l e a dt h a ti ti sd i f f i c u l tt ob em a n u f a c t u r e d ，t h e a p p l i c a t i o no fc e r a m i c s i sr e s t r i c t e db yt h ec o s to fm a n u f a c t u r e i th a sb e e n p r o v e dt h a tt h eu l t r a s o n i cm a c h i n i n gi st h ea v a i l a b l ea p p r o a c ht om a c h i n i n gt h e r i g i da n df r a g i l em a t e r i a ls u c ha sc e r a m i c s ，q u a r t z ，d i a m o n da n ds e m i c o n d u c t o r t h et o o l so ft r a d i t i o n a lu l t r a s o n i cm a c h i n i n ga r ef r a y e dl a r g e l ya n di t s p r e c i s i o na n de f f i c i e n c ya r el o w , s on e wm a c h i n i n gm e t h o d sa r es e a r c h e da n d n e wt y p e so fe q u i p m e n t sa r ep r o d u c e da th o m ea n da b r o a d i ti si n d i c a t e dt h a t t h er o t a r yu l t r a s o n i cm a c h i n i n gw h i c hm a k e su s eo fd i a m o n dt o o la n dh a sb e e n d e v e l o p e db a s e do nt h et r a d i t i o n a lu l t r a s o n i cm a c h i n i n gi sa ne f f e c t i v ew a yt o 1 ii 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 m a c h i n i n gt h er i g i da n df r a g i l em a t e r i a l t h er o t a r yu l t r a s o n i cm a c h i n i n gh a s n i c e rd e v e l o p m e n tf o r e f r o n t u l t r a s o n i c m a c h i n i n ge q u i p m e n t c o n s i s t so fu l t r a s o n i c g e n e r a t o r ， t r a n s d u c e ra n dh o r n t h eu l t r a s o n i ch o r np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nu l t r a s o n i c m a c h i n i n gp r o c e s s i t sm a i nf u n c t i o ni st oa m p l i f yt h ev e l o c i t ya n da m p l i t u d eo f m e c h a n i c a lv i b r a t i o nf r o mt r a n s d u c e ra ti t so u t p u te n do rt of o c u su l t r a s o n i c v i b r a t o r ye n e r g yo nas m a l la r e a a m p l i t u d er a t i oi sa ni m p o r t a n tp e r f o r m a n c e p a r a m e t e ro fa nu l t r a s o n i ch o r n ，a n di th a sn o t a b l ei n f l u e n c eo nt h em a t e r i a l r e m o v a lr a t eo fw o r k p i e c e s d i f f e r e n tk i n d so fh o r n sh a v ei t so w na d v a n t a g e s ， b u tn o n eo f t h e mi st h eb e s t t h ea m p l i t u d er a t i oo ft h ee x p o n e n t i a la n dt h e c o n i c a lh o r na r el o w , w h i c hr e d u c e st h em a c h i n i n ge f f i c i e n c y t h ea m p l i t u d e r a t i oo ft h es t e p p e dh o r ni sh i g h e rt h a nt h a to ft h ee x p o n e n t i a la n dc o n i c a lh o r n ， b u tt h ea b r u p tc h a n g ea td i a m e t e rl e a d st oh i g h e rw o r k i n gs t r e s s e v e ni ft h e c o n i c a lo rr o u n dt r a n s i t i o ni sa d o p t e dt or e d u c ew o r k i n gs t r e s s ，t h ea m p l i t u d e r a t i ow i l lb el o s t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ff i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h e d e v e l o p m e n to fc o r r e l a t e da p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，i t i s p o s s i b l e t o d e s i g n u l t r a s o n i ch o r nt h r o u g hc o m p u t e r i nt h i sp a p e r ，f r o mt h ev i e w p o i n to fe n h a n c i n gt h ee f f i c i e n c yo fu l t r a s o n i c m a c h i n i n ge q u i p m e n t ，t h ev i b r a t i n gs y s t e mo fr o t a r y u l t r a s o n i cm a c h i n i n g e q u i p m e n tw a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h r o u g ht h er e s e a r c ho nu l t r a s o n i c h o r n ，an e wt y p eo fu l t r a s o n i ch o r nw i t hl a r g ea m p l i t u d er a t i ow a sd e s i g n e d t h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： i v 太原理i = 人学硕十研究生学位论文 1 t h eu l t r a s o n i cg e n e r a t o rw i t hl a r g ep o w e ra n dp i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r w e r ea d o p t e d ，a n du l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d 2 e x p o n e n t i a l ，c o n i c a la n ds t e p p e dh o r n sw e r ed e s i g n e db yu s i n gt h e a n a l y t i c a lm e t h o db a s e do nu l t r a s o n i ct h e o r y ，a n dt h er e s o n a n c el e n g t h ，s t a n d i n g n o d ea n da m p l i t u d ea m p li f i c a t i o nr a t i oo ft h e s eh o r n sw e r eo b t a i n e d 3 b a s e do nm o d e la n a l y s i s ，h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i sa n do p t i m u m d e s i g no fa n s y s ，e x p o n e n t i a l ，c o n i c a la n ds t e p p e dh o r n sw e r ed e s i g n e d c o m p a r i n gt h er e s u l t su s i n gt h et w od i f f e r e n tw a y so fh o r nd e s i g n ，t h ev a li d i t y o fa n s y si sp r o v e d 4 t h r o u g ha p p l y i n ga n s y sa n dt a k i n gt h et h r i c es p l i n e c u r v ea st h e g e n e r a t r i xo fa x i a ld i r e c t i o ns e c t i o no fu l t r a s o n i ch o r n ，t h es h a p ea n dr e s o n a n c e l e n g t ho ft h eh o r na r eo p t i m i z e ds i m u l t a n e o u s l y ，a n dan e wt y p eo fu l t r a s o n i c h o r nw i t hl a r g ea m p l i t u d er a t i ow a sd e s i g n e d 5 t h er e l i a b i l i t yo fv i b r a t i o ns y s t e mw a sp r o v e db ye x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h ep a r a m e t e r ss u c ha sr e s o n a n c ef r e q u e n c y ，l o c a t i o no fs t a n d i n gn o d ea n d a m p li t u d ea m p l i f i c a t i o nr a t i oe t cw e r et e s t e di no r d e rt oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo f n e wu l t r a s o n i ch o r n k e yw o r d s ：r o t a r yu l t r a s o n i cm a c h i n i n g ，u l t r a s o n i ch o r n ，a n s y ss o f t w a r e ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，o p t i m a ld e s i g n v 声明，尸明 一 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：楹耋：盛 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学梭可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 ： 签名：盘：查趁日期：竺鲨：兰：盟 导师签名：p m 日期： 08 g 弓口 太原理l 人学硕士研究生学位论文 1 1 选题的目的与意义 第一章绪论 超声加工是一种重要的特种加工方法，其加工分为磨料冲击超声加工、超声磨削、 超声车削、钻孔与镗孔、超声抛光、超声喷丸、超声清洗、超声焊接等1 1 1 。本文研究的 超声加工装置主要针对的是磨料冲击超声加工( 以下简称超声加工) 。 传统的磨料冲击超声加工是利用加工工具作超声振动，并通过磨料冲击被加工工件 表曲来砰除材料，加工材料一般为工程陶瓷与玻璃。在传统超声加工的基础上发展的旋 转式超声加工是将旋转运动叠加在作超声振动的工具上，工具是由在钢表面电镀立方氮 化硼磨料( 或余刚石) 或由金属粉末和立方氮化硼磨料( 或金刚石) 高温烧结而成。在加工 过程中，工具中的磨粒不断地冲击和划擦工件表面，把工件材料粉碎成很小的微粒去除， 不需要加入磨料悬浮液，只需用水来带走被加工材料的微粒并且对工具进行冷却。实践 证明旋转超声加工与传统超声加工相比，具有加t 精度高、加工效率高、可以加工深孔 等优点【2 l 。 各种超声加工方法的加工机理虽然不同，但其加丁装置都主要l 【j 超声波发生器、换 能器和变幅杆组成。超声波发生器的作用是将工频交流电转换为超声频振荡，以供给工 具端面往复振动和去除工件材料的能量。换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振 动，将电能转变为机械能。变幅杆在加工过程中处于极其重要的地位，其丰要作用是在 其输出j 南耳每换i 邑器输入的机械振动的质点位移或速度放火，并且将超声能量集中在较小 的面积上。振幅放大比是变幅杆的重要性能参数。变幅杆的形状与材料对于振幅放大比 有较大影响，研究表明变幅杆输出端的振幅存一定范围内越大，工具对材料的去除率就 越大i i _ 2 】。由此可见设计出具有大振幅比的变幅卡t 对于提高材料的去除率，提高超声加 工装置的效率具有重大意义。 本文以提高超声加工装置效率为目的，设计行制造了旋转超声加工振动装置；通过 对变幅卡t 的研究，基于a n s y s 自限元软件完成了具自人振幅比的新型史幅卡的设计。 太原理i ：人。学硕十研究生学位论文 1 2 课题的国内外研究动态 1 2 1 超声振动系统及加工机床的研究进展 超声振动系统主要由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。 在传统应用中，超声振动系统大都采用一维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。 但近年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要，对振动系 统的工作方式、设计计算、及其应用研究都取得了新的进展。 r 本成功研制成一种新型“纵弯”型振动系统，并已在手持式超声复合振动研 磨机上成功应用【3 1 。该系统压电换能器采用半圆形压电陶瓷，上下各两片，组成上下两 个半圆形压电换能器( 压电振子) ，产生“纵弯”型复合振动，其特点是小型化，结 构简单，刚性增强。 同本会泽工业学院的研究人员研制了加工硬脆材料的超声低频振动组合钻孔系统 1 4 】。该设备将会刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合，并能检测钻孔力的变 化以及钻孔精度, t d 孑l 的表面质量。用该组合设备在不同的振动条件下进行了一系列实 验，实验结果表明：将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合是加工硬脆材 料的一种有效方法。 我国东南大学研制了一种新型超声振动切削系统【5 】。该系统采用压电换能器，由超 声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调节机构及刀具等部分组成。 当发生器输出超声电压时，它将使级联晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现 超声振动。该装置的特点足：能量传递环节少，能量泄漏减小，机电转换效率高达9 0 左右，而且结构简单、体积小，便于操作。 沈阳航空工业学院建立了镗孔用超声扭转振动系统，采用磁致伸缩换能器，扭转变 幅杆作纵向振动时在扭转变幅杆的小端输出沿圆周方向的扭转振动1 6 】。镗刀与扭转变幅 卡t 之问采用莫氏锥及螺纹连接，输出功率5 0 0 w ，频率为1 6 2 3k h z ，具有频率自动跟 踪件能。 西北工业大学设计了一种可在内圆磨床上加工硬脆材料的超声振动磨削装置p 】。该 装置由超声振动系统、冷却循环系统、磨床连接系统和超声波发生器等组成，其超声换 能嚣采用纵向复合式换能器结构，冷却循环系统中使用磨削液作为冷却液；磨床连接系 统由辅助支承、制动机构和内圆磨床连接杆等组成。该磨削装置工具头旋转精度由内圆 磨床主轴精度保证，结构比专用超声波磨床的主轴系统要简单得多，因此成本低廉，适 2 太原理i ：人! 学硕十研究生：学位论文 合予在生产中应用。 清华大学已经开发了完全数控化的旋转超声加工机床，以工控p c 为硬件基础，其数 控系统由z 轴进给控制、旋转电机控制、自动频率跟踪控制等功能模块组成。 近年来日本研制生产了多种超声加工机床，如：u m 一5 0 v n r 2 型超声加工机床，是 微小孔的专用超声加工机床。采用数控系统，自动化程度高，加工孔的最小直径为 矽0 1 m m ，位置精度可达到+ 3 声t m ，操作简单，变幅杆和工具采用可拆卸式，更换工具容 易。生产的u m5 0 0 d a 自动型超声加工机床适合加工直径为矽o 5 m m 砂0 6 r a m 的孔， 当加工完成后能自动回到原来位置，x 、y 车f f l 的进给精度为5 工册，且磨料供给系统好， 深孔加工效率高。u m 1 5 0 b 型超声加工机床主要用于成型研磨加工、精密细孔加工， 加工尺寸范围为矽o 1 m m 矽0 2 m m 。u m 一3 0 0 d a p 自动吸引式超声加工机床适用于深孔 加工和对超硬合会等高硬度材料的加工。有吸引式磨料供给装置，工具振幅大，且采用 中空形式，可迫使磨料不断循环，使参与加工的磨粒更新更快，故加工效率高( 为常规 加工的2 5 4 倍) 【引。 一f 灞贬j 。；警 鐾豁渣赛 爹罄攀墨警 名，甄 一伊 确髓 渤缓遁凌 量，黏 霉雾“ 蠡簧 图1 1 超声铣床与超声打孔机 l - i g i j lh eu l t r a s o n i cm j l l i n gm a c h i n ea n du l t r a s o n i cd r i l l i n gm a c h i n e 图卜1fa ) 为美圈奥泰公司生产的超声铣床，图l l ( b ) 为我国科林公司研制的超声 打孑l 机，该打孔机。台柳相当于如台以卜- 币针打孔机的1f | ；效率。 太原理j 入学硕士研究生学位论文 警，量 图1 2 超声加工中心 f i g 1 2t h eu l t r a s o n i cm a c h i n i n gc e n t r e 图l 一2 为在第八届中国国际机床展览会上，德国d m g 公司展出的d m s 3 5 u l t r a s o n i c 超声振动加工中心，该机床主轴转速3 0 0 0 4 0 0 0 0 r m i n ，特别适合加工陶瓷、玻璃、 硅等硬脆材利，与传统加工方式相比，生产效率提高5 倍，加工表面粗糙度r ，o 2 , u m ， 可加工痧0 3 r a m 精密4 , - 孑l 。 1 2 2 超声变幅杆及换能器的研究进展 超声变幅市丁是超声振动系统中的一个重要组成部分，它在振动系统中的主要作用是 把换能器产生的机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上， 即聚能，因此也称超声变速杆或超声聚能器f 9 1 。在超声加工应用中，辐射面的振动幅度 一般需要儿f 剑几白微米，只有在换能器的端面连接超声变幅杆，才能将机械振动幅度 放大到符合的要求。另外，超声变幅卡t 还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和声负载 之问进行阻抗匹配，使超声能量更有效地从换能器向负载传输。 第一次世界大战期间法国科学家p l a n g e v i n 发明的钢石英钢结构的夹心压 电换能器在低频大功率超声设备的应用上取得了重大进展。2 0 世纪4 0 年代wp m a s o n 发 明了变幅杆，它与压电换能器连接而获得了高强度超声，丌创了功率超声在固体媒质中 的应用【1 0 l 。5 0 年代原苏联学者提出了悬链线型变幅f l - 币n 多级组合变幅孝1 ：1 l 。6 0 年代 e i s n e r e 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1 他1 。森荣司提出了振动方向变换器，刀二辟了用变幅杆件功 率合成方泣获得特人j ：j 4 - - ( 5 0 k w 以上：) 超声的途径。上 t ? 多6 8 0 年代森荣司等又提出央心 弯曲换能器结构。9 0 年代根本佐久良雄等人则提出了夹心扭转换能器结构【】；随后又 4 太原理工人学硕士研究生学位论文 出现了弯曲振动变幅韦i ：【15 - 1 6 1 和扭转振动变幅杆f 】，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【1 8 1 9 】；在超声焊接、切割中又出现了大型块状变幅杆件1 2 0 】。随着有限元理论的完善和 相关软件的发展，在变幅杆的设计上，埃及学者s g a m i n 、m h m a h m e d 、h a y o u s s e f 等用有限元对双锥面变幅杆进行分析，采用面单元进行，得出了不同端面处的应力值与 振幅值，为选择最佳的变幅杆外形提供了一种方浏2 1 】。k h w s e a h 、y s w o n g 和l c l e e 等人用有限元方法分析了变幅杆的固有频率，在此基础上设计变幅杆的形状，使其 更接近固有频率2 2 1 。b d u b u s 等人用有限元方法分析了高效压电式换能器的机械局限性 - 3 1 。y s w o n g 、w k h s e a h 研究了圆截面或在一定范围内近似为圆截面的指数彤变幅 卡t 的c n c j j n 工【2 4 1 。 我国于2 0 世纪5 0 年代以研究超声加工、清洗、焊接、粉碎和乳化等应用为先导，进 而研究磁致伸缩换能器、压电换能器。2 0 世纪6 0 年代以后集中研究夹心式压电换能器， 用等效网络建立了一维理论。首先给出有力、电负载损耗时换能器的共振频率和等效表 达式。提出决定换能器最大效率的参量，指m 换能器的最佳设计方向陋2 6 1 。提出一一种新 型可调频率换能器1 2 ”。2 0 世纪7 0 8 0 年代发展并提出两种新型的功率超声换能器。一种 是半穿孔结构宽频带压电换能器，广泛应用于超声清洗设备【2 8 】：另一种是双向辐射换 能器，用于超声乳化设备【2 9 1 。提出声匹配问题，为改进功率超声换能器的设计指出了方 向1 3 0 l 。2 0 世f 己9 0 年代以来开展了大尺寸压电换能器的二维分析，弯曲振动、扭转振动和 复合振动的压电换能器设计计算，为这类换能器在工业方面的应用奠定了基础【3 1 - 3 5 1 。2 0 世纪6 0 年代以来列纵向振动的单一和组合变幅杆的特性进行了系统的分析m l 。8 u 年代初 首次用复变函数解析映象理论研究了有负载的变幅柯，建立了有负载变幅杆的阻抗映象 图3 7 】。8 0 年代中期出版了国内外第一部有关超声变幅杆的专著f 3 6 1 。2 0 世纪9 0 年代以来研 究了大尺寸单一和复合变幅器的二维振动【3 9 4 、弯曲振动变幅杆以及纵扭、纵一 一弯复合振动模式的变幅杆【4 l 】；提出了3 种新型扭转振动变幅杆和一种纵向变幅杆，完 善了扭转变幅卡t 参数计算方程，创造了扭转变幅杆凿振参数测试方泫艿分析了几种扭转 复台变幅杆，填补了这一方面的空白【4 2 - 4 钉。 近年来有限元法及相关应用软件的发展，使利用软件设计变幅杆成为可能。太原理 j 一大学赵莉等人利用a n s y s - 自限兀软件对变幅柯进行丫结构动力学分析，通过实验结 果、仿真结果与理论值的对比，验证了用a n s y s 有限元软件对变幅杆进行仂真的可靠性 h 6 l 。上海大学的原十霞基于a n s y s ，从阶梯形变幅杆具有大振幅放大倍数的优点和直 b 太原理f + 人- ”7 - 硕f - 研究生学位论文 径灾变处j 逦力集中的缺点出发，对其形状进行了优化设计，得到了一种既具有大振幅比 又保征了各部分应力在材料的许用应力范围内的复合型变幅杆4 7 1 。中国科学研究院的贾 杨、沈建中计算了圆柱截面阶梯形变幅杆的一阶到六阶的纵振动模式的谐振频率，系统 的分析了带与不带过渡的阶梯杆的谐振频率随其粗细段长度变化比的变化规律【4 8 】。 图】- 3 超声焊接变幅杆 f i g 1 3t h eu l t r a s o n i cs o l d e r i n gh o m 图卜4 各种用途的超声雯幅杆 f 嘻1 47 f h eu l t r a s o n i ch o r n sa p p l y i n gd i f f e r e n lp u r p o s e s 图卜： 为德固海尔曼公司生产的用于超声焊接的变幅杆，其特点是振幅分布均匀， 使吲寿命长图l 一4 为s ( ) n 1 c s 公司运用有限元法设计的各种用途的变幅车t 。 6 太原理i ：人学硕十研究生学f 7 ：论文 1 3 课题的主要内容 1 ) 选购大功率超声波发声器与压电式换能器，设计并制造旋转超声加工机床振动 装置。 2 ) 应用解析法对传统的指数形、阶梯形、圆锥形变幅杆进行设计，求出其振幅放 大比、节点位置、谐振长度等参数。 3 ) 基于a n s y s 有限元模态分析、谐响应分析与优化设计模块对指数形、阶梯形、 圆锥形变幅杆进行设计，通过对比用两种方法分别设计出的变幅杆，验证应用a n s y s 设计变幅杆的可靠性。 4 ) 应用a n s y s ，以三次样条曲线作为变幅杆轴向截面母线，通过对样条曲线形状 与变幅市t 谐振长度的优化，设计出了一种与传统形状变幅杆相比具有较大振幅放大比的 新犁变幅杆。 5 ) 通过加工实验， 检验装置运行的可靠性。实验测量设计的新型变幅杆的谐振频 率、节点位置、振幅放大比等参数，验证变幅杆的性能。 7 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 第二章旋转超声加工机床振动装置的设计 陶瓷具有高硬度、耐高温、耐磨损、抗腐蚀、绝热性好等优异性能，在能源、航天、 计算机等领域日益显示出广阔的应用前景。但由于陶瓷材料结构所决定的高硬度和脆性 给加工带来了极大的困难，传统的机械加工方法会给工件带来较大的损伤且表面质量 差。超声加工不依靠工件的导电性，且是非热加工过程，不受工件的电、化学特性影响， 已被证明是陶瓷、半导体等硬脆材料加工的有效方法。传统磨料悬浮液超声加工，虽然 己成功应用多年，并存孔加工方面显示出一些独特的特点，但工具磨损大，加工精度和 加工效率也不高，因此国内外都在寻找新的加工方法并研制相应的新型设备。研究表明 【4 引，采用金刚石工具的旋转超声加工是加工硬脆材料的一种有效方法，具有良好的发展 前景。本章就是通过对已有的超声加工装置进行研究，设计了用于本课题组实验研究的 旋转超声加工装置。 2 1 超声波及其特性 声波是人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为1 6 1 6 0 0 0 h z 。当声波的频率高于 1 6 0 0 0 h z 则称为超声波。 超声波具有如下特性： 1 ) 超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质密度 等有关，可用公式表示： c = 砑 式中f 一超声波传播速度( m s ) ； 兄一波长( m ) ： 厂一频率( h z ) 。 2 ) 超声波在各种介质中传播，其运动轨迹都按余弦函数规律变化，其位移为： x = a c o s ( o o l + 伊) 式中x 质点运动的位移( m ) ； a 一振幅( m ) ； 0 9 一劂频率( r a d s ) ； 8 太原理l 人学硕七研究生学位论文 够一振动的相位角( r a d ) 。 3 ) 超声波可传递很强的能量，其能量强度可用垂直于波的传播方向单位面积的能量 来表示，超声加工中的能量强度高达几百瓦厘米2 ，且9 0 作用于工件表面。 t = 0 t = t t 4 t = t 2 【= t 入射波2 一反射波3 一合成波 图2 1 弹性杆内质点振动状况 f i g 2 1t h ev i b r a t i o ns i t u a t i o no ft h ep a r t i c l ei ne l a s t i cp o l e 4 ) 在固体弹性杆中传播时，超声波会产生反射、干涉和共振现象，出现波的叠加作 用，使弹性杆中某处质点始终不动，而某处质点的振幅则大大增加，从而获得更大的超 声加工能量( 参见图2 一1 ) 。这是因为，超声波在同一弹性杆的一端向另一端传播时， 在不同介质的介面上会产生一次或多次波的反射，结果在有限长弹性杆，将存在若干个 周期相同、振幅相等、传播方向相同或相反的波。于是在弹性杆中传播的波会出现波的 叠加，致使某处振动始终加强或某处振动始终减弱，产生波的干涉现象。如图2 一l 中， t = t 4 或3 t 4 的情况是当弹性杆的长度恰为半波长的整数倍，且相位相同时便会出 现波的干涉而产生振幅增加的驻波，即波共振现象。而t = 0 、t 2 和t 的情况，则是 相位相反时出现的干涉现象，使叠加后的振幅为零，不产生振动。由上述分析可知，为 了提高超声加工的生产效率，必须使弹性杆处于最大振幅的共振状态，其设计长度为半 9 太原理i ：人学硕十二研究生学位论文 波长或四分之一波长的整数倍，杆的支点选在振动过程中的不动点，即波节点上，而杆 的工作端部应选在最大振幅的波腹处。 5 ) 超声波在液体介质中传播时可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，强化加工过 程的进行。因为超声波通过悬浮磨粒的液体介质时，会使液体介质连续地产生压缩和稀 疏区域，出于压力差而形成气体的空腔，并随着稀疏区的扩展而增大，内部压力下降； 与此同时受周围液体压力及磨粒传递的冲击力作用又使气体空腔压缩而提高压力，于是 在转入压缩区状态时，迫使其破裂产生冲击波。由于进行的时问极短，因此会产生更大 的冲击力作用于工件表面，从而加速磨粒的切蚀过程。 2 2 超声加工的基本原理 超声加工时，超声波发生器连接超声换能器，由此将电振荡转换为同一频率、垂直 于工件表面的超声机械振动，其振幅经变幅杆放大驱动工具端面作超声振动。超声加工 有两类：传统超声加工与旋转超声加工。 传统超声加工的基本原理是磨料悬浮液中的磨粒在工具的超声振动和一定压力下， 高速不停地冲击加工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和粉末。同时由于磨料悬浮 液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面。又由于超声振动产生的空化现象，在工件 表面形成液体空腔，促使磨剩悬浮液渗入工件材料的缝隙罩，而空腔的瞬时闭合产生强 烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅 拌和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不断地循坏，磨粒的不断更新，加工产物的不断 排除，实现了超声加工的目的。总之，超声加工是磨料悬浮液中的磨粒在超声振动下的 冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作用的结果，其中以磨粒不断冲击为主。 旋转超声加工采用烧结或电镀余刚石的工具，工具既作超声频振动，同时又绕本身 轴线以1 0 0 0 - - 5 0 0 0 r m i n 高速旋转。在加工过程中，工具中的磨粒不断地冲击和划擦工 件表面，把工件材料粉碎成很小的微粒，用水来带走被加工材料微粒和冷却工具。实验 表明该方法比传统超声加工具有更高的生产效率和孔加工深度，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，还可加工二氧化铁、硼环氧复合材料，以及 不锈钢与钛合会叠层的材料等。 2 3 超声加工装置的主要组成 各种超卢加工方法的加工机理不同，但其加工装置都主要由超声波发生器、换能器 1 0 太原理i l 人学硕士研究生学位论文 和变幅杆组成。 2 3 1 超声波发生器 图2 - 2 超声波发生器框图 f i g 2 - 2t h es y s t e mf l a m eo fu l t r a s o n i cg e n e r a t o r 超声波发生器的作用是将2 2 0 v 或3 8 0 v 的交流电转换成超声频的电振荡信号，它的 电路主要由振荡器、激励器、功率放大器及电源组成( 参见图2 2 ) 。其中，振荡器用 于产生高频振荡信号，一般系统保护电路也处于振荡器，以防在振荡系统未接好丌机而 造成电路空载工作。激励器用于将振荡信号传输至功率放大器，其中一般没有隔离电路。 功率放大器用于放大振荡信号以使之能驱动负载。振荡器是超声波发生器的核心，其可 以是他激式，也可以是自动跟踪式。后者是一种自激振荡推动多级放大的功率发生器。 自激频率j ) ( 决于超声波振动系统的共振频率。当出于某种原凶，如更换工具或工具头磨 损、部件受热或压力变化等，会引起超声波振动系统共振频率的变化，可通过“声反馈” 或“电反馈”使超声波发生器的工作频率能自动跟踪变化，保证超声波振动系统始终处于 良好的谐振状杰。为此，一般耍求韶声波特牛器府满足如下条件： ( 1 ) 输出阻抗与相应的超声波振动系统输入阻抗匹配； ( 2 ) 频率调节范围应与超声波振动系统频率变化范围相适应，并连续可调； ( 3 ) 输出功率尽可能具有较大的连续可调范围，以适应不同工件的加工； ( 4 ) 结构简单、工作可靠、效率高，便于操作和维修。 根掘超声加工的需要，超声波发生器的输出波形可以是正弦波，也可以是非讵弦波， f 日以正弦波最为多见。本装置中选用的为台湾明, w c s h - 2 2 0 0 超声波发生器。主要技术指 标如下： 最大输出功牢( k w ) ：2 2 超声频率( k h z ) ：15 输入电压( v ) a c ：2 2 0 3 1 0 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 负载阻抗( q ) ：1 5 电容( p f ) - 1 3 0 0 c s h 一2 2 0 0 超声波发生器具有自动频率跟踪功能，采用连续工作方式。 在超声波加工系统中，为了获得最大振幅以提高加工效率，工作过程中应调节超声 波发生器的频率，使其与换能器振动系统的谐振频率相等。但在实际工作中，由于负载、 温度等诸多因素的影响，引起了系统参数的变化，这时，若超声波发生器的频率不变， 则换能器的振幅下降。若要在新参数下获得最大振幅，就应及时调节超声波发生器的频 率。 2 3 2 超声换能器 超声换能器的作用是将高频电振荡转变为机械振动，将电能转换为机械能。目前所 使用的换能器主要有两种：一种是磁致伸缩换能器，一种是压电换能器。 1 ) 磁致伸缩换能器 磁致伸缩换能器是利用某些铁磁材料及铁氧体陶瓷材料的磁致伸缩效应制成的。磁 致伸缩效应是指铁、钻、镍及其合金，或铁氧体等材料的长度可随所处磁场强度变化而 伸缩的现缘。磁致伸缩换能器可分为会属和铁氧体磁致伸缩换能器两类。 金属磁致伸缩换能器的特点是：机械强度高、振动系统使用安全可靠、换能器寿命 长、频率范围宽，工具在磨损范围较大的情况下，仍能找到谐振频率点。单位面积辐射 功率大，电声转换效率般为3 0 - - 4 0 。会属磁致伸缩换能器中，由于镍磁致伸缩效 应较好，且用纯镍片叠成封闭磁路的镍换能器，若事先经处理的镍片有氧化绝缘膜，可 减少高频涡流损耗，镍片焊接性胡i 好，故通常用于大中功率换能器。铁氧体换能器电声 转换效率高，但其机械强度不高，单位面积辐射功率小，通常用于小功率的换能器。 在功率超声领域，磁致伸缩换能器是应用较多的一种换能器，但是与压电换能器相 比，由传统的磁致伸缩材料制成的磁致伸缩换能器的应用范围已经很小。造成这种情况 的原因在于磁致伸缩换能器的机电转换效率较低，而且其激励电路较复杂，然而由于磁 敛伸缩换能器具有结构简单、耐机械冲击能力强，因此在一些环境比较恶劣的情况下，