纵扭复合型超声换能器的设计研究

发布时间：2017-08-14 19:32

  本文关键词：纵扭复合型超声换能器的设计研究

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【摘要】：在生物医疗、国防科技、航空技术等各种行业中,经常会面对一些对硬脆型材料如陶瓷、玻璃和氧化铝的加工以及一些薄壁零件、小径深孔零件和细长易弯曲杆状零件的加工等状况,如果采用现有机械加工技术或是加工精度不高,或是难以加工,或是根本不能加工,甚至使用普通的超声加工方法如超声纵振、扭转或者弯曲振动的加工工艺也不能达到所需要的精度。因而研究新型、高效的加工方法的意义性和重要性是不言而喻的。近期,人们纷纷把目光转向了纵扭复合型超声换能器的研制,主要是一方面它可以充分利用运动过程中的间隙实现热量的散发,减少了切削时的热量对相关材料和刀具所造成的影响；另一方面它还能实现磨削和车削的效果,减弱甚至消除切削过程中产生的轨迹或者痕迹,大大降低表面加工所造成的细微裂纹或者表面碎裂现象,从而提高表面的加工精度。因而,纵扭复合型超声振动切削已经成为世界公认取得高尺寸精度、高表面加工质量和高工作效率的新型加工方式。 本文就是在此背景下,根据一维纵振理论和能量传递原理,设计了一种既能产生纵向位移又能产生扭转位移的复合型振动超声换能器。主要是在分析了螺旋槽对纵扭复合型超声换能器的影响之后设计了一个在前端盖加工有导程为30mmm的三头均布式螺旋槽结构的换能器,同时利用ANSYS对所设计的纵扭复合型超声换能器进行了模态分析,提取了各阶振动模态,得到了纵扭共振频率为20.047kHz,并利用ANSYS的谐响应分析采集了在该共振频率下的振幅数据,从而通过仿真分析验证了结构设计的合理性。进一步利用山东海特XK7132系列具有四轴联动功能的数控铣床对所设计的结构进行了加工制造,并对各部分零件精密组装后运用USM300-A型的超声波发生器振动控制系统对换能器进行激励,测得实际的纵扭共振频率为20.1728kHz,与理论设计目标值20kHz相差0.864%,与仿真分析值20.047kHz相差0.62%。表明了结构设计是非常合理的。同时利用基恩士公司的LK-H020型号具有双通道同时检测功能的激光振动分析仪分别测量了在5W、10W、20W和40W四种不同功率下纵扭复合型换能器的纵向振幅和扭转振幅,分析了所设计的纵扭复合型超声换能器的工作特性,同时也验证了所设计的结构能够同时产生纵向振动和扭转振动,达到了设计要求。
【关键词】：纵-扭复合型 螺旋槽 超声换能器 模拟仿真
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB552
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-13
• 1.1 纵扭复合型超声换能器的概述8-10
• 1.2 国内外研究现状10-11
• 1.3 本文的主要工作11-13
• 2 纵-扭复合型换能器的设计13-22
• 2.1 纵扭复合型超声换能器的结构概述13-15
• 2.2 纵扭复合型超声换能器的扭振原理15-16
• 2.3 纵扭复合型超声换能器的结构设计理论16-18
• 2.3.1 任意截面处的一维纵向振动方程16-17
• 2.3.2 截面为指数形和圆柱形时的频率方程17-18
• 2.4 纵-扭复合型超声换能器的结构设计18-21
• 2.5 本章小结21-22
• 3 螺旋槽的结构对换能器的影响22-38
• 3.1 单螺旋结构对换能器的影响分析22-27
• 3.2 双螺旋结构对换能器的影响分析27-31
• 3.3 三螺旋结构对换能器的影响分析31-34
• 3.4 螺旋槽结构对纵扭共振频率的影响34-35
• 3.5 螺旋槽结构对纵扭共振相对振幅的影响35-37
• 3.6 本章小结37-38
• 4 纵-扭复合型超声换能器结构的有限元仿真分析38-52
• 4.1 压电分析介绍38-41
• 4.1.1 介电系数矩阵概述38-39
• 4.1.2 介质损耗概述39-40
• 4.1.3 弹性矩阵概述40-41
• 4.1.4 压电矩阵概述41
• 4.2 ANSYS数据转换41-43
• 4.3 压电耦合结构的分析求解43-48
• 4.3.1 模态分析43-45
• 4.3.2 模态分析结果处理45-46
• 4.3.3 谐响应分析求解46-48
• 4.4 纵-扭复合换能器的结构优化48-51
• 4.4.1 ANSYS仿真分析48-50
• 4.4.2 ANSYS仿真分析50-51
• 4.5 优化前后结构分析51
• 4.6 本章小结51-52
• 5 纵扭复合型超声换能器加工及实验研究52-60
• 5.1 纵扭复合型超声换能器数控加工52-54
• 5.2 纵扭复合型超声换能器的实验分析54-59
• 5.2.1 纵扭共振频率的实验分析54-56
• 5.2.2 纵扭共振振幅数据的分析56-58
• 5.2.3 纵扭换能器功率与振幅分析58-59
• 5.3 本章小结59-60
• 结论60-61
• 参考文献61-65
• 申请学位期间的研究成果及发表的学术论文65-66
• 致谢66

【参考文献】

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本文编号：674363