本文關(guān)鍵詞：縱扭復(fù)合型超聲換能器的設(shè)計(jì)研究

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【摘要】：在生物醫(yī)療、國防科技、航空技術(shù)等各種行業(yè)中,經(jīng)常會(huì)面對一些對硬脆型材料如陶瓷、玻璃和氧化鋁的加工以及一些薄壁零件、小徑深孔零件和細(xì)長易彎曲桿狀零件的加工等狀況,如果采用現(xiàn)有機(jī)械加工技術(shù)或是加工精度不高,或是難以加工,或是根本不能加工,甚至使用普通的超聲加工方法如超聲縱振、扭轉(zhuǎn)或者彎曲振動(dòng)的加工工藝也不能達(dá)到所需要的精度。因而研究新型、高效的加工方法的意義性和重要性是不言而喻的。近期,人們紛紛把目光轉(zhuǎn)向了縱扭復(fù)合型超聲換能器的研制,主要是一方面它可以充分利用運(yùn)動(dòng)過程中的間隙實(shí)現(xiàn)熱量的散發(fā),減少了切削時(shí)的熱量對相關(guān)材料和刀具所造成的影響；另一方面它還能實(shí)現(xiàn)磨削和車削的效果,減弱甚至消除切削過程中產(chǎn)生的軌跡或者痕跡,大大降低表面加工所造成的細(xì)微裂紋或者表面碎裂現(xiàn)象,從而提高表面的加工精度。因而,縱扭復(fù)合型超聲振動(dòng)切削已經(jīng)成為世界公認(rèn)取得高尺寸精度、高表面加工質(zhì)量和高工作效率的新型加工方式。 本文就是在此背景下,根據(jù)一維縱振理論和能量傳遞原理,設(shè)計(jì)了一種既能產(chǎn)生縱向位移又能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)位移的復(fù)合型振動(dòng)超聲換能器。主要是在分析了螺旋槽對縱扭復(fù)合型超聲換能器的影響之后設(shè)計(jì)了一個(gè)在前端蓋加工有導(dǎo)程為30mmm的三頭均布式螺旋槽結(jié)構(gòu)的換能器,同時(shí)利用ANSYS對所設(shè)計(jì)的縱扭復(fù)合型超聲換能器進(jìn)行了模態(tài)分析,提取了各階振動(dòng)模態(tài),得到了縱扭共振頻率為20.047kHz,并利用ANSYS的諧響應(yīng)分析采集了在該共振頻率下的振幅數(shù)據(jù),從而通過仿真分析驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。進(jìn)一步利用山東海特XK7132系列具有四軸聯(lián)動(dòng)功能的數(shù)控銑床對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加工制造,并對各部分零件精密組裝后運(yùn)用USM300-A型的超聲波發(fā)生器振動(dòng)控制系統(tǒng)對換能器進(jìn)行激勵(lì),測得實(shí)際的縱扭共振頻率為20.1728kHz,與理論設(shè)計(jì)目標(biāo)值20kHz相差0.864%,與仿真分析值20.047kHz相差0.62%。表明了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常合理的。同時(shí)利用基恩士公司的LK-H020型號具有雙通道同時(shí)檢測功能的激光振動(dòng)分析儀分別測量了在5W、10W、20W和40W四種不同功率下縱扭復(fù)合型換能器的縱向振幅和扭轉(zhuǎn)振幅,分析了所設(shè)計(jì)的縱扭復(fù)合型超聲換能器的工作特性,同時(shí)也驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)產(chǎn)生縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
【關(guān)鍵詞】：縱-扭復(fù)合型 螺旋槽 超聲換能器 模擬仿真
【學(xué)位授予單位】：北方工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB552
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 緒論8-13
• 1.1 縱扭復(fù)合型超聲換能器的概述8-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-11
• 1.3 本文的主要工作11-13
• 2 縱-扭復(fù)合型換能器的設(shè)計(jì)13-22
• 2.1 縱扭復(fù)合型超聲換能器的結(jié)構(gòu)概述13-15
• 2.2 縱扭復(fù)合型超聲換能器的扭振原理15-16
• 2.3 縱扭復(fù)合型超聲換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論16-18
• 2.3.1 任意截面處的一維縱向振動(dòng)方程16-17
• 2.3.2 截面為指數(shù)形和圓柱形時(shí)的頻率方程17-18
• 2.4 縱-扭復(fù)合型超聲換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)18-21
• 2.5 本章小結(jié)21-22
• 3 螺旋槽的結(jié)構(gòu)對換能器的影響22-38
• 3.1 單螺旋結(jié)構(gòu)對換能器的影響分析22-27
• 3.2 雙螺旋結(jié)構(gòu)對換能器的影響分析27-31
• 3.3 三螺旋結(jié)構(gòu)對換能器的影響分析31-34
• 3.4 螺旋槽結(jié)構(gòu)對縱扭共振頻率的影響34-35
• 3.5 螺旋槽結(jié)構(gòu)對縱扭共振相對振幅的影響35-37
• 3.6 本章小結(jié)37-38
• 4 縱-扭復(fù)合型超聲換能器結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析38-52
• 4.1 壓電分析介紹38-41
• 4.1.1 介電系數(shù)矩陣概述38-39
• 4.1.2 介質(zhì)損耗概述39-40
• 4.1.3 彈性矩陣概述40-41
• 4.1.4 壓電矩陣概述41
• 4.2 ANSYS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換41-43
• 4.3 壓電耦合結(jié)構(gòu)的分析求解43-48
• 4.3.1 模態(tài)分析43-45
• 4.3.2 模態(tài)分析結(jié)果處理45-46
• 4.3.3 諧響應(yīng)分析求解46-48
• 4.4 縱-扭復(fù)合換能器的結(jié)構(gòu)優(yōu)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 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)分析51
• 4.6 本章小結(jié)51-52
• 5 縱扭復(fù)合型超聲換能器加工及實(shí)驗(yàn)研究52-60
• 5.1 縱扭復(fù)合型超聲換能器數(shù)控加工52-54
• 5.2 縱扭復(fù)合型超聲換能器的實(shí)驗(yàn)分析54-59
• 5.2.1 縱扭共振頻率的實(shí)驗(yàn)分析54-56
• 5.2.2 縱扭共振振幅數(shù)據(jù)的分析56-58
• 5.2.3 縱扭換能器功率與振幅分析58-59
• 5.3 本章小結(jié)59-60
• 結(jié)論60-61
• 參考文獻(xiàn)61-65
• 申請學(xué)位期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文65-66
• 致謝66

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：674363