中空与多台阶大振幅比纵振动变幅杆的设计

发布时间：2020-09-25 10:08

　　现阶段,由于加工需求的不断增长,超声加工在生活中的应用越来越普遍。作为现代加工的一种新型手段,功率超声加工技术备受人们喜爱。超声加工与传统的机械加工相比,加工的时间明显缩短,提高了工作效能,还能够克服传统加工弊端,改善加工工件的质量,尤其是在硬脆材料、难加工材料、航天航空等特殊材料领域解决了很多关键性的问题。超声振动系统是功率超声加工设备的重要组成部分,其设计是学者们一直以来的研究热点。换能器、变幅杆和工具头是超声振动系统的主要组成元件。超声变幅杆,又名超声变速杆或超声聚能器。它在超声振动系统中的主要作用是聚集机械能量、放大机械振幅和匹配机械阻抗等。在设计变幅杆时,需要考虑实际使用和性能参数。在变幅杆的研究历程中,学者们根据不同的应用情况或者是为了追求某些性能参数,设计了很多不同种类的变幅杆。例如,为了提升超声辅助珩磨和钻削加工过程中的冷却和排屑能力,此时需要设计一类中心有孔变幅杆。超声振动钻削深小孔与深腔零件和大面积工件的加工过程中一般都使用阶梯形变幅杆,但阶梯形变幅杆由于截面突变会发生应力集中,加载过程中极易断裂,需要提出一种方法解决阶梯杆的应力集中。本文将指数形变幅杆中间开孔进行研究,并为加工开孔过程中的成本问题提出了解决的方法;同时为了解决阶梯形变幅杆的截面突变问题,在现有研究的基础上,提出了一种新型的过渡段即多台阶过渡段阶梯型变幅杆,多台阶过渡段的设计降低了加工成本和对加工设备的要求,增加了大功率工作状态下阶梯形变幅杆可以承受的机械强度,同时保证了放大系数。本文对中空指数型变幅杆和多台阶过渡段阶梯型变幅杆的性能参数进行了相应的计算和分析,并与其它变幅杆进行了比较。具体工作如下:(1)研究了中间开直孔(直孔型)和中间开圆锥孔(锥孔型)指数形变幅杆,利用传统解析法分别推导了对应变幅杆性能参数的表达式并进行了计算,有限元法分析了直孔型和锥孔型指数形变幅杆的应力与位移分布曲线,并与传统指数杆进行了比较。结果表明,设计的变幅杆具有相同的谐振频率,面积系数相等时,传统指数形杆的放大系数比中空变幅杆小,而其中锥孔型杆的放大系数是最大的,形状因数也是如此。并将中空指数杆与放大系数最大的阶梯形变幅杆相比较,可知直孔型变幅杆的放大系数与阶梯杆相近,而锥孔形比阶梯形还大15%。对指数形变幅杆中间开孔的方法能够有效提高性能参数。(2)设计变幅杆的频率和面积系数相同时,直孔型指数形变幅杆的放大系数虽然大于实心杆,接近于阶梯杆变幅杆。但谐振长度较长,轴向整体中心开孔成本较高。为了缩减成本,满足实际应用情况,并追求较大的放大系数,将几段较短的直孔型指数形变幅杆中间用螺栓连接,称为螺栓连接的直孔型指数形变幅杆。解析法推导了变幅杆的频率方程,并求解了放大系数。有限元法分析了谐振模态时,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,相同的谐振频率下,面积系数相等时,解析法计算的螺栓连接的两段直孔型指数形变幅杆的放大系数略小于无螺栓的直孔型指数形变幅杆,但还是大于实心杆。有限元软件计算得出的应力曲线也基本光滑。(3)传统形状的单一变幅杆中,放大系数最大的是阶梯形变幅杆,但因外形突变,阶梯杆在加载工作时会有应力集中。在实际使用过程中,为了减小截面突变处应力集中,缩减过渡段阶梯形变幅杆的加工成本,降低对加工设备的要求,同时追求较大的放大系数,提出并设计了一种新型的过渡段阶梯形变幅杆,这种新型过渡段阶梯变幅杆称为多台阶过渡段阶梯型变幅杆。基于声传输线的方法推导了多台阶过渡段的频率方程,并求解了放大系数。有限元方法计算了变幅杆沿轴向的位移和应力相对值分布曲线。结果表明,在阶梯形变幅杆截面突变处加多台阶过渡段后,放大系数的牺牲较小,但应力相对值峰值却小了很多,并且这种多台阶过渡段的设计对加工设备的要求较低,并不需要数控机床,有效降低了成本,可以在实际中使用。
【学位单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB55

【参考文献】