非傳統(tǒng)超聲加工裝置的聲學(xué)特性研究.pdf

1、當(dāng)前國防軍工、新能源等領(lǐng)域的高端裝備技術(shù)飛速發(fā)展，對(duì)大尺寸、異形、深腔、曲面等復(fù)合材料構(gòu)件的整體制造技術(shù)要求越來越苛刻，而超聲輔助加工在硬脆材料的加工領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此適用于大尺寸、異形深腔、曲面等構(gòu)件整體加工的超聲輔助加工系統(tǒng)的研制也備受關(guān)注。目前，該系統(tǒng)中的大長徑比變幅桿和杯形變幅桿的研制尚未得到很好的解決，本文對(duì)此系統(tǒng)展開如下研究：
　　一、對(duì)超聲換能器進(jìn)行了解析設(shè)計(jì)和優(yōu)化，利用仿真對(duì)換能器進(jìn)行了模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、

2、導(dǎo)納特性分析，分別獲得了換能器的諧振頻率、振型與前后輸出端的幅頻曲線和導(dǎo)納特性圖。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)換能器進(jìn)行了阻抗和振幅的測(cè)量，可穩(wěn)定輸出工作頻率25.3kHz，振幅為4.2μm。闡述了非接觸電能傳輸裝置的結(jié)構(gòu)和原理，同時(shí)分析了原、副邊電路的匹配形式。仿真表明：該裝置的磁芯間隙為0.5mm時(shí)傳遞效率達(dá)到75％左右，磁芯間隙為1mm時(shí)傳遞效率達(dá)到60%左右。
　　二、基于傳輸矩陣?yán)碚撛O(shè)計(jì)了圓錐復(fù)合、指數(shù)復(fù)合和懸鏈復(fù)合的三種大長徑比變幅桿，

3、并建立有限元模型對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和剛度分析。研制了三種變幅桿并對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)性能測(cè)試和工作穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明設(shè)計(jì)頻率與仿真和實(shí)驗(yàn)頻率基本一致，且懸鏈復(fù)合變幅桿桿各項(xiàng)性能表現(xiàn)最好。
　　三、基于彎曲振動(dòng)理論、耦合振動(dòng)理論和變幅桿設(shè)計(jì)理論，結(jié)合有限元分析，設(shè)計(jì)了一種超聲杯形變幅桿。研究了其結(jié)構(gòu)剛度和耦合動(dòng)力學(xué)，研究表明杯形桿的剛度較好，且當(dāng)變幅桿與杯形頭的諧振頻率相同或相近時(shí)，耦合效果最好，輸出振幅最大。利用限元仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究了

4、杯形頭的壁高、底厚、內(nèi)徑和外圓倒角對(duì)杯形變幅桿模態(tài)的影響，研究表明：杯形變幅桿的固有頻率隨著杯形頭的底厚減小而降低；隨著杯形頭的壁高、內(nèi)徑減小而升高；隨著外圓倒角的增大變化不大，且實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真分析基本一致。對(duì)設(shè)計(jì)的杯形變幅桿進(jìn)行阻抗特性和振幅特性分析，實(shí)驗(yàn)表明：振動(dòng)系統(tǒng)聲電轉(zhuǎn)換效率高，工作性能穩(wěn)定，杯形頭輸出端面振幅變化不大，為7~8.0μm，與軸向夾角為70.2度左右，且沿軸向方向越靠近輸出端輸出振幅越大，兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致