現(xiàn)階段,由于加工需求的不斷增長(zhǎng),超聲加工在生活中的應(yīng)用越來越普遍。作為現(xiàn)代加工的一種新型手段,功率超聲加工技術(shù)備受人們喜愛。超聲加工與傳統(tǒng)的機(jī)械加工相比,加工的時(shí)間明顯縮短,提高了工作效能,還能夠克服傳統(tǒng)加工弊端,改善加工工件的質(zhì)量,尤其是在硬脆材料、難加工材料、航天航空等特殊材料領(lǐng)域解決了很多關(guān)鍵性的問題。超聲振動(dòng)系統(tǒng)是功率超聲加工設(shè)備的重要組成部分,其設(shè)計(jì)是學(xué)者們一直以來的研究熱點(diǎn)。換能器、變幅桿和工具頭是超聲振動(dòng)系統(tǒng)的主要組成元件。超聲變幅桿,又名超聲變速桿或超聲聚能器。它在超聲振動(dòng)系統(tǒng)中的主要作用是聚集機(jī)械能量、放大機(jī)械振幅和匹配機(jī)械阻抗等。在設(shè)計(jì)變幅桿時(shí),需要考慮實(shí)際使用和性能參數(shù)。在變幅桿的研究歷程中,學(xué)者們根據(jù)不同的應(yīng)用情況或者是為了追求某些性能參數(shù),設(shè)計(jì)了很多不同種類的變幅桿。例如,為了提升超聲輔助珩磨和鉆削加工過程中的冷卻和排屑能力,此時(shí)需要設(shè)計(jì)一類中心有孔變幅桿。超聲振動(dòng)鉆削深小孔與深腔零件和大面積工件的加工過程中一般都使用階梯形變幅桿,但階梯形變幅桿由于截面突變會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中,加載過程中極易斷裂,需要提出一種方法解決階梯桿的應(yīng)力集中。本文將指數(shù)形變幅桿中間開孔進(jìn)行研究,并為加工開孔過程中的成本問題提出了解決的方法;同時(shí)為了解決階梯形變幅桿的截面突變問題,在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,提出了一種新型的過渡段即多臺(tái)階過渡段階梯型變幅桿,多臺(tái)階過渡段的設(shè)計(jì)降低了加工成本和對(duì)加工設(shè)備的要求,增加了大功率工作狀態(tài)下階梯形變幅桿可以承受的機(jī)械強(qiáng)度,同時(shí)保證了放大系數(shù)。本文對(duì)中空指數(shù)型變幅桿和多臺(tái)階過渡段階梯型變幅桿的性能參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算和分析,并與其它變幅桿進(jìn)行了比較。具體工作如下:(1)研究了中間開直孔(直孔型)和中間開圓錐孔(錐孔型)指數(shù)形變幅桿,利用傳統(tǒng)解析法分別推導(dǎo)了對(duì)應(yīng)變幅桿性能參數(shù)的表達(dá)式并進(jìn)行了計(jì)算,有限元法分析了直孔型和錐孔型指數(shù)形變幅桿的應(yīng)力與位移分布曲線,并與傳統(tǒng)指數(shù)桿進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的變幅桿具有相同的諧振頻率,面積系數(shù)相等時(shí),傳統(tǒng)指數(shù)形桿的放大系數(shù)比中空變幅桿小,而其中錐孔型桿的放大系數(shù)是最大的,形狀因數(shù)也是如此。并將中空指數(shù)桿與放大系數(shù)最大的階梯形變幅桿相比較,可知直孔型變幅桿的放大系數(shù)與階梯桿相近,而錐孔形比階梯形還大15%。對(duì)指數(shù)形變幅桿中間開孔的方法能夠有效提高性能參數(shù)。(2)設(shè)計(jì)變幅桿的頻率和面積系數(shù)相同時(shí),直孔型指數(shù)形變幅桿的放大系數(shù)雖然大于實(shí)心桿,接近于階梯桿變幅桿。但諧振長(zhǎng)度較長(zhǎng),軸向整體中心開孔成本較高。為了縮減成本,滿足實(shí)際應(yīng)用情況,并追求較大的放大系數(shù),將幾段較短的直孔型指數(shù)形變幅桿中間用螺栓連接,稱為螺栓連接的直孔型指數(shù)形變幅桿。解析法推導(dǎo)了變幅桿的頻率方程,并求解了放大系數(shù)。有限元法分析了諧振模態(tài)時(shí),螺栓連接的直孔型指數(shù)形變幅桿的位移和應(yīng)力分布曲線。結(jié)果表明,相同的諧振頻率下,面積系數(shù)相等時(shí),解析法計(jì)算的螺栓連接的兩段直孔型指數(shù)形變幅桿的放大系數(shù)略小于無螺栓的直孔型指數(shù)形變幅桿,但還是大于實(shí)心桿。有限元軟件計(jì)算得出的應(yīng)力曲線也基本光滑。(3)傳統(tǒng)形狀的單一變幅桿中,放大系數(shù)最大的是階梯形變幅桿,但因外形突變,階梯桿在加載工作時(shí)會(huì)有應(yīng)力集中。在實(shí)際使用過程中,為了減小截面突變處應(yīng)力集中,縮減過渡段階梯形變幅桿的加工成本,降低對(duì)加工設(shè)備的要求,同時(shí)追求較大的放大系數(shù),提出并設(shè)計(jì)了一種新型的過渡段階梯形變幅桿,這種新型過渡段階梯變幅桿稱為多臺(tái)階過渡段階梯型變幅桿。基于聲傳輸線的方法推導(dǎo)了多臺(tái)階過渡段的頻率方程,并求解了放大系數(shù)。有限元方法計(jì)算了變幅桿沿軸向的位移和應(yīng)力相對(duì)值分布曲線。結(jié)果表明,在階梯形變幅桿截面突變處加多臺(tái)階過渡段后,放大系數(shù)的犧牲較小,但應(yīng)力相對(duì)值峰值卻小了很多,并且這種多臺(tái)階過渡段的設(shè)計(jì)對(duì)加工設(shè)備的要求較低,并不需要數(shù)控機(jī)床,有效降低了成本,可以在實(shí)際中使用。
【學(xué)位單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB55

【參考文獻(xiàn)】

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