超声变幅杆设计资料

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毕业设计（论文）开题报告
题 目 超声变幅杆及其性能参数测试平台设计
学院
机械工程学院
专业
机械设计制造及其自动化
姓名
班级
学号
指导教师
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一、课题研究的依据和意义
1.1 超声变幅杆综述 超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质或干磨料中产生磨料的冲
击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加 超声频振动进行加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法[1]。如图 1.1。
图 1.1 超声加工示意图[2]
近几十年以来，超声加工，包括复合加工的发展极为迅速，工艺技术在深小孔加 工、难加工材料加工方面有极为广泛的应用，尤其是在难加工材料领域解决了很多的 技术问题，得到了良好的效果。难加工材料的研究促进了超声加工技术的发展，从而 进一步促进了新材料的发展，不难发现，超声加工技术的应用会越来越广泛[3]。
而本课题所要研究的超声变幅杆是超声波振动系统中一个重要的组成部分。它与 超声波换能器一起共同组成了超声波振子。超声波换能器是一种能把高频电能转化为 机械能的装置，超声波变幅杆是一个无源器件，本身不产生振动，只是将超声波换能 器输入的振动改变振幅后再传递出去，完成了阻抗变换。
超声波换能器在合适的电场激励下能产生有规律的振动，其振幅一般在 10 m 左 右，这样的振幅要直接完成焊接和加工工序是远远不够的。因此将换能器合理地连接 一个超声变幅杆，超声波的振幅便能在很大的围变化，只要材料强度足够，振幅可以 超过 100 m 。超声波变幅杆亦可起到提高振速比、提高效率，提高机械品质因数， 加强耐热性，扩大适应温度围，延长换能器的使用寿命的作用。超声波换能器通过安
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装变幅杆(超声波变幅器)调整了换能器与超声波工具头之间的负载匹配，减小了谐振 阻抗，使其在谐振频率工作提高了电声转换效率，有效降低了超声波换能器的发热量， 提高使用寿命。 1.2 超声变幅杆的发展及国外研究动态
最初，为了高强大功率超声波的应用，在上世纪 40 年代发明了纵振指数型变幅 杆。50 年代原联学者又提出了悬链线型变幅杆和多级组合变幅杆。60 年代提出了描 述变幅杆形状因数的概念，并发展了一种应力沿杆件均匀分布的高斯型变幅杆，获得 了高位移振幅。森荣司提出振动方向变换器，开辟了用变幅杆件功率合成方法获得高 强特大功率(50KW 以上)超声的途径。上世纪 80 年代森荣司等又提出夹心弯曲换能器 结构。90 年代根本佐久良雄等人则提出了夹心扭转换能器结构，大大推动了超声变 幅杆的发展。随后又出现了弯曲振动变幅杆和扭转振动变幅杆，扩大了工业应用围。 除了以上杆件形状外，在大功率超声冷拔丝、管等应用中出现了等厚度或变厚度的盘 形或环形聚能器；在超声焊接、切割中又出现了大型块状变幅杆件。
按照振动类型，可分为纵振、扭振、弯振以及复合振动(纵弯、纵扭、弯扭)，四 类。在功率超声的加工和处理应用中，纵振型应用最为普遍。从单一变幅杆的母线形 状来分类，又可分为阶梯、指数、悬链线、圆锥、高斯、傅里叶、余弦等类型，若将 这些单一形状变幅杆组合起来进行设计，则是复合型变幅杆。按其功能来分，又可分 为二分之一波长和四分之一波长两种。虽然分类较多，但纵振、扭振和弯振变幅杆的 设计都是从其相应的振动方程出发，设计过程及步骤都是一样的。超声波变幅杆被广 泛应用于化工、石油、塑料焊接、金属焊接、打孔、车削、清洗、机械加工等诸多领 域。
对超声波变幅杆设计方面的研究进展主要有：师大学的 Shuyulin 研究了超声指数 形变幅杆在纵向扭转时的能量传播特性曲线，以及对指数衰减系数的选择。现在有限 元模型已被用来设计轴对称形状的变幅杆。K.H.W.Seah，Y.S.Wong 和 L.C.Lee 等人用 有限元方法分析变幅杆的固有频率，在此基础上设计变幅杆的形状使其更接近固有频 率。埃及学者 S.G.Amin,M.H.M.Ahmed，H.A.Youssef 提出了用有限元 ANSYS 软件对 双锥形变幅杆进行分析，采用的是面单元进行，得出了不同的端面处的应力值与振幅 值，为选择最佳的变幅杆外形提供了一种方法。理工大学的福令等人推导出安装简单 工具的双曲过渡形复合变幅杆频率方程和放大系数的一般公式。并讨论了超声波加工 工具对复合变幅杆谐振性能的影响。廖华丽等人研究了功率超声变幅杆在有负载情况 下的速度波、力波和功率传递的特性，从理论上进行了研究并得到了一些相关结论。 综合变幅杆设计方面的文献，有限元方法己经被用来设计变幅杆[1]。 1.3 课题研究的依据和意义
二分之一波长的纵振变幅杆有多种设计方案： ①传统解析法
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②等效电路法 ③替代法(机械阻抗相等法) ④传输矩阵法 ⑤有限元法 ⑥其他方法：变幅杆设计方法还有传输线法、分段趋近法、 表观弹性法等 本课题主要是利用解析法完成对阶梯形、圆锥形、指数形三种类型超声变幅杆的 设计。其意义在于比较上述三种变幅杆各自的优缺点，从而对变幅杆的理论设计和实 际的生产生活中变幅杆的选择提供重要参考依据。
二、课题研究的基本容和拟解决的主要问题
2.1 课题的主要技术参数或研究目标 超声变幅杆的大端与换能器连接，小端与刀具连接，主要数据：大端直径 87mm，
小端直径 17mm（圆锥形变幅杆大端 87mm，小端 37mm），工作频率 20KHz，所用 材料为 45 钢。 2.2 课题主要完成容和工作量要求 （1）查阅和收集超声变幅杆相关方面的资料。 （2）学习 Matlab、SolidWorks、ANSYS 等相关软件。 （3）了解超声变幅杆的作用和理论设计方法。 （4）利用解析法完成对三种类型超声变幅杆的设计 （5）对所设计变幅杆进行三维建模并完成有限元分析。 （6）搭建实验平台，熟悉各仪器操作规则，测定变幅杆的主要性能参数。 （7）撰写和完成毕业设计论文。 （8）完成手工绘制机械技能训练图一（0 号或 1 号图幅的机械装配图）。 2.3 课题拟解决的主要问题
设计任务主要在于根据实际应用需要设计出阶梯形、圆锥形、指数形的变幅杆， 并对已有变幅杆进行实验研究，得出其主要性能参数。设计过程是根据波动理论对三 种类型变幅杆进行参数计算，从而得出变幅杆的外形尺寸和性能参数，再利用有限元 对所设计变幅杆进行对比分析，总结各类型变幅杆的优缺点，最后搭建实验平台对已 有变幅杆进行性能测试，得出其主要性能参数，对理论设计具有实际指导意义。
三、研究步骤、方法及措施
3.1 超声变幅杆的设计原理 超声变幅杆的性能可以用许多参量来描述。在实际应用中最常用的是：共振频率，
共振长度，放大系数，形状因数，输入力阻抗等等。放大系数 Mp，是指变幅杆工作 在共振频率时输出端与输入端的质点位移或速度振幅的比值，形状因数 是衡量变幅 杆所能达到最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关， 值越大，所
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能达到的最大振动速度也越大，输入力阻抗 Zi，定义为输入端策动力与质点振动速 度的复数比值[6]。 3.2 变截面杆纵振动的波动方程
考虑由均匀、各向同性材料所构成的变截面杆，在杆的横截面尺寸远小于波长时， 不计其机械损耗，并设平面纵波沿杆轴向传播，即在杆的横截面上应力分布是均匀的。
图 3.1 变截面杆的纵振动[2]
图 3.1 所示的是变截面杆纵振的示意图，图中的 x 轴是变幅杆的中心对称轴， 作用在微小体元（ x ， x dx 所限定的区间）上的应力为 dx ，利用牛顿定律，加以
x
推导，可以得处变幅杆理论的关键动力学方程[9]：
(S x
)
dx
S
2 t 2
dx
（3.1）
其中： S S (x) ——杆的横截面积函数；
(x) ——质点位移；
(x) E ——应力函数； x
——杆材料的密度；
E ——氏模量。
当处于简谐振动的情况下，式（3.3）又可以改写成
2 x 2
1 S
S x
x
k 2
0
3.3 超声变幅杆的有限元分析
（3.2）
在超声波加工中，要使变幅杆有效和可靠地工作，保证所加工零件的精度和加工
效率，变幅杆必须具有良好的动态特性，因此，必须对变幅杆进行动力学研究。其容
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包括两个方面：固有振动特性分析和响应特性分析。所谓固有振动特性分析，是研究 在无阻尼自由振动的条件下，变幅杆的固有特征，即固有频率和振动应力。响应分析 是用于确定变幅杆在承受随时间按正弦规律变化的轴向载荷时的稳态响应，目的是计 算出变幅杆的动力响应，并得到响应位移和响应应力。对于谐响应分析，峰值响应发 生在激振频率和变幅杆的固有频率相等时，换句话说，只有当工作频率和变幅杆的固 有频率相等时，变幅杆端面才能达到最大位移。因此，在谐响应分析之前，应该首先 做模态分析以确定变幅杆的固有频率。由于变幅杆有很多固有频率，我们只需求得工 作频率附近的一个固有频率[5]。 3.4 搭建实验平台，测定变幅杆的主要性能参数[11]
3.4.1 实验条件 (1) 超声波发生器：型号为 H66MC，电源电压 220V，频率 50Hz，输出功率大于 250W，频率可调围为 18 ～22kHz。 (2) 压电式加速度传感器：采用 YD 系列的压电式加速度传感器，型号 YD10D， 电荷灵敏度 0.002Pc/ms－2，频率围 1 ～20kHz，量程 300000ms－2±10%。 (3) INV－4 多功能抗混滤波放大器精度 2%，电荷输入时频率围为 0.1 ～20kHz。 (4) 智能信号采集处理分析仪：型号为 INV3060F－5120。 (5) PCI 数据采集卡；Labview 7.1 测试软件。 3.4.2 试验方法
(1) 传感器的标定设电荷输入端传感器电荷灵敏度为 S g ，电压值为V mV ，多功
能抗混滤波放大器的设定增益为 K K1·K 2 。此时的被测信号值为：
U X V K Sg 。如果测量值为振幅，则标定值：V U X K S g 2f 2 ；如
果测量值为振速，则标定值为：V U X 2 f K Sg 。
(2) 将压电式加速度传感器通过螺纹连接在变幅杆小端。 (3)将压电式加速度传感器的输出端接入 INV－4 多功能抗混滤波放大器中进行 电荷放大，并进行低通滤波。 (4)将放大器接 INV3060F－5120 型智能信号采集处理分析仪，并将输出端数据线 与电脑连接。 (5)测量压电换能器的振动特性 测试仪器与装置:YM3371 数字频率计、 H66MC 超声波发生器、INV －4 多功能抗混滤波放大器、PCM 数据采集器、INV306DF 智 能信号采集处理分析仪及 YD10D 压电式加速度计。
四、研究工作进度：
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序号 1
时间 2014.10.27-2014.11.9
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容 熟悉课题具体情况，了解课题主要任务
2
2014.11.10-2015.1.8
课题调研、文献查阅、文献翻译以及及题报告
掌握 matlab、solidworks、ansys 等相关软件，
完成用解析法对三种类型超声变幅杆的设计，
3
2015.1.8-2015.3.31
完成机械技能训练图 0 号图纸量一份，完成总
工作量的 50％以上。
完成对三种超声变幅杆外形的设计计算工作，
4
2015.4.1-2015.4.20
并对所设计的变幅杆的尺寸进行确认。
完成变幅杆的有限元仿真工作，其中包括模态
5
2015.4.21-2015.5.7
分析和谐响应分析。
搭建实验平台，熟悉各仪器操作规则，测定变
6
2015.5.8-2015.5.26
幅杆的主要性能参数，撰写和完成毕业设计论
文，并准备答辩。
7
2015.5.27
答辩
五、主要参考文献：
[1] 云电. 超声加工及其应用[M]. : 国防工业，1995: 15-17. [2] 初涛. 超声变幅杆的设计及有限元分析[J]. 机电工程, 2009，1(01): 102-104. [3] 莉. 基于有限元的超声波加工中变幅杆的动力学分析与设计[D]. ：
理工大学, 2006. [4] 黄霞春. 超声变幅杆的参数计算及有限元分析[D]. : 大学, 2007. [5] 廖丽华，任先. 功率超声变幅杆振动能量传输性能的研究[J]. 机械设计与制造
1999, 21(5): 71-72. [6] 春节. 超声变幅杆的动态性能分析[J]. 现代制造工程, 2005, 12: 107.
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[7] M.Nad’a. Ultrasonic horn design for ultrasonic machining technologies[J]. Applied and Computational Mechanics, 2010, 4: 79–88.
[8] 林仲茂. 超声变幅杆的原理和设计[M]. : 科学, 1987: 80-82. [9] S.G.Amin, M.H.M.Ahmed, H.A.Youssef. Computer-aided design of acoustic
horns for ultrasonic machining using finite-element analysis[J]. Journal of Materials processing Technology, 1995, 55: 254-260. [10] 朱伯芳. 有限单元法原理与应用[M]. ：水利电力, 1978: 8-14. [11] 冬菊, 福令. 超声波加工工具对复合变幅杆谐振性能影响[N]. 理工大 学学报, 2004-9-25(1). [12] 王化祥, 淑英. 传感器原理及应用[M]. 天津：天津大学, 1999:1-3.
六、指导教师审核意见：
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七、系（教研室）评议意见：
指导教师签字： 年月日
八、开题小组评审意见：
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系（教研室）主任签字： 年月日

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开题小组负责人签字： 年月日
九、学院领导审核意见：
1．通过；
2．完善后通过；
３．未通过
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学院领导签字： 年月日