新型超声变幅杆的优化设计

超声变幅杆外文翻译--超声加工技术中超声变幅杆的设计

4300汉字，2500单词，1.5万英文字符 出处：Nad M. Ultrasonic horn design for ultrasonic machining technologies[J]. Západo?eská Univerzita, 2010, 4(1). 毕业设计（论文）外文文献翻译 毕业设计（论文）题目 翻译题目超声加工中超声变幅杆的设计 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

超声加工技术中超声变幅杆的设计 M Nad 摘要：许多工业的应用领域和生产技术都基于超声波的应用。在许多情况下，超声现象也运用于加工材料的工艺流程中。使超声加工技术起作用的设备主要元件就是超声变幅杆，也就是所谓的超声波发生器。超声波设备尤其是超声加工设备的性能取决于超声变幅杆外形的合理设计。本文展示了不同几何形状的超声变幅杆的动态特性。对各种不同形状的超声变幅杆的几何参数特性（固有频率、振动形态）都进行了分析。模态分析的模型是用有限元（FEM）数字模拟的方法实现的。本文也展示了各种超声变幅杆的可比参数。 ? 2010 西波西米亚大学版权所有 关键词：超声波；超声加工技术；模态特性；超声变幅杆；纵向振动；有限元理论 1.绪论 超声现象的使用在许多工业应用中日趋增多。超声波振动被应用于各个生产领域且有较好的效果，例如：超声波清洗，塑料焊接，等等。且已经被证明在其他许多应用中有很好的作用。这些应用包括汽车、食品加工、医疗、纺织和材料连接，且主要应用于加工制造业。性能和质量的显著提升是通过在加工工艺中使用超声振动实现的。 超声振动能量在加工技术中的应用是由两种不同的途径实现的。第一种途径，称为超声波加工，是基于材料去除的研磨原理。刀具的一端连接在变幅杆上，制成精确的外形对工件进行研磨。第二种方法是基于超声波辅助加工的普通加工技术。超声波振动被直接传递到切割工具上，直接运用于切割过程中。这些技术被应用于高精密加工和韧性材料还有难切削材料的加工，如高碳钢，镍基合金，钛铝—碳化硅金属基复合材料。反复的高频振动冲击模式带来了一些独特的性能并被改进成金属切削工艺[2，5，9，10]，其中工件和刀具之间的相互作用被看成是一个微振动的过程。 超声波振动能量在加工过程中的应用带来了许多好处和切割工艺的改进。据报道，在最近公开的研究工作中，切削工具的高频超声波振动已显著降低切削力和刀具磨损，表面光滑度达到了25—40%，圆度改善达到40—50%。在切割低碳合金钢时，超声波振动装置中切削力降低了50%左右，并可生产出比传统切削更小和表面光洁度更高的芯片。

变幅杆设计理论

变幅杆设计理论 超声变幅杆又称超声变速杆、超声聚能器。在超声技术中，特别在高声强超声设备的振动系统中是很重要的。其主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积上，即聚能作用。我们知道，超声换能器辐射面的振动幅度在20kH范围内只有几微米。而在高声强声应用中，如超声加工、超声焊接、超声金属成型（包括超声冷拔管飞丝和铆接等）和某些超声外科设备及超声疲劳试验应用中，辐射面的振动幅度一般需要几十到几百微米。因此必须在换能器的端面连接超声波变幅杆，将机械振动幅度放大。除此以外，超声波变幅杆还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量有效地从换能器向负载传输。 超声波变幅杆的性能可以用许多参数来描述。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、输入力阻抗和弯曲劲度等。放大系数是指变幅杆工作在共振频率时输出端和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，所能达到的最大振动速度也越大。输入力阻抗定义输入端策动力与质点振动速度的复数比值。在实际应用中常常要求输入力阻抗随频率及负荷的变化要小。弯曲劲度是弯曲柔顺性的倒数。变幅杆越长，弯曲柔顺性越大，在许多实际应用中这是需要避免的。弯曲劲度也与变幅杆的几何形状有关。 在超声波焊接的应用中，人们根据实际需要研究出各种类型的变

幅杆。最简单也是较常用的变幅杆有：指数形，悬链线形，阶梯形和圆锥形变幅杆。这类变幅杆称为单一变幅杆。此外，为改善变幅杆的某些性能，如提高形状因数，增加放大系数等，还研究出各种组合型变幅杆，这类变幅杆由两种以上不同形状的杆组成。在实际应用中还出现一些由多个单一变幅杆级联工作的组合系统，这是另一个问题。除了上面提到的变幅杆外，在某些应用中有时还需要一些非杆形的振动振幅变换器，其形状有盘形、长方形等，我们称其为变幅器。有些变幅器不但有振动变幅的变换功能，而且还有振动方向的变换功能。

超声变幅杆及其性能参数测试平台设计-本科毕业论文

本科毕业论文 (2015届) 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 班级 学号 学生姓名 指导教师 完成日期2015年5月

诚信承诺 我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《超声变幅杆及其性能参数测试平台设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人(签名)： 年月日

摘要 本文从已知的变幅杆大小端直径、工作频率和材料出发，对超声加工系统中的变幅杆进行了研究。本文主要包括以下研究内容： 1.根据已有的变幅杆大小端直径，通过波动方程理论，完成对阶梯型、指数形、圆锥形三种变幅杆的外形设计计算。 2.利用有限元方法，借助有限元软件ANSYS对设计出的三种变幅杆进行动力学分析。先在SolidWorks中建立三种变幅杆的三维模型，再导入ANSYS中进行模态分析和谐响应分析。模态分析是指在规定超声波发生器所产生的振动的频率范围内，测定出变幅杆的各个固有频率。谐响应分析是指确定变幅杆的一个固有频率，并在变幅杆的一个固定断面施加一个正弦规律的振动，再测定变幅杆的自由端的振动变化。通过比较自由端和固定端的振幅大小变化，求出所设计的变幅杆的振幅放大比。 3.搭建实验测定平台。搭建了单独测定变幅杆放大系数的实验平台，还搭建了测定超声振动系统性能的实验平台，并对已有的变幅杆加以实验测定。通过阻抗分析仪、激光位移传感器等得到谐振频率、放大系数的实际测量数据，并判定了已有的超声振动系统的性能。 关键词：超声变幅杆；有限元；模态分析；谐响应分析；实验平台

ABSTRACT Starting from the known diameters of both ends of ultrasonic horn, the working frequency and the material, the horn with the ultrasonic processing system were studied. This paper mainly includes the following contents: 1.According to the diameters of both ends of ultrasonic, and by the theory of wave equation, complete the size calculation of tapered, exponential and stepped ultrasonic horn. https://www.360docs.net/doc/9913064853.html,ing the finite element method, complete the dynamics analysis of three horn by the finite element software ANSYS. First, we should set up 3D models of three horn in SolidWorks, and then import 3D models to ANSYS for modal analysis and harmonic response analysis. Modal analysis is in accordance with the ultrasonic generator vibration frequency range and determine each natural frequency of the horn. Harmonic response analysis is in the determined natural frequency of a horn, and the horn of a fixed section applied a sinusoidal vibration, to determine the vibration change of the free end of the horn. By comparing the amplitude change of the free end and the fixed to get the amplification ratio of the designed horn. 3.Set up the experimental test platform.The experimental platform of measuring the amplification coefficient of variable amplitude rod is established, and then the experimental platform of measuring the ultrasonic vibration system performance is established, and the existing variable amplitude rod was measured experimentally. The actual measurement data of the resonant frequency and the amplification coefficient are obtained by the impedance analyzer and laser displacement sensor, and the performance of the ultrasonic vibration system is determined. Keywords: ultrasonic horn；finite element；modal analysis；harmonic response analysis；experimental platform

圆锥形及阶梯型变幅杆模态分析

超声波变幅杆的设计及修正 摘要:超声变幅杆是超声波振动系统中一个重要的组成部分。本文结合超声变幅杆理论对设计变幅杆进行结果分析及参数修正,采用ANSYS 12.1对变幅杆进行了有限元模态分析，在此基础上，设计并加工了一个应用于超声显微切割系统中的、谐 振频率为70 kHz的半波长圆锥型变幅杆，和用于超声波近场悬浮的、谐振频率是20kHz的阶梯型变幅杆，并进行了相关实 验。实验结果表明，利用ANSYS软件辅助设计方法得到的超声变幅杆，其谐振频率与模态分析值非常接近，修正理论也可以 让变幅杆谐振频率更加接近设计值，为超声变幅杆的设计、校核和优化提供了一种新途径。 关键词:变幅杆;有限元;模态分析 Design and Revise of Ultrasonic horn Abstract：Ultrasonic horns apply widely in ultrasonic processing. Combined with ultrasonic horn theory, correct the ultrasonic horn by formula, analysis the modal of horn by ANSYS 12.1, on this basis, design a half-wavelength conical horn which resonant frequency is 60kHz, used by a ultrasonic micro dissection system, and a stepped ultrasonic horn which resonant frequency is 20kHz, used by a near-field acoustic levitation system, then make the related experiment. The results show that the resonant frequency of the ultrasonic horn designed by ANSYS is approaching the theory value, the correction coefficient also can make the resonant frequency approach the theory value, that provides a new way to design, checking or optimization. Key word:Ultrasonic horn; Finite element; Modal analysis 引言 超声变幅杆是超声振动系统的重要组成部件，它在振动系统中的主要作用是把机械振动的质点位移量或运动速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上[1]。在高强度超声应用中，如超声加工、超声焊接、超声切割、超声波悬浮等场合，所需要的振幅大约为几十至几百微米，但是超声换能器辐射面所产生的振动幅度较小，一般只有几微米，所以必须借助变幅杆将机械振动质点的位移或速度放大至满足工程应用要求。目前，有关超声变幅杆的设计，国内外主要采用传统解析法、等效电路法与替代法等，但是这些方法普遍存在计算量大而且设计精度不高的缺陷。运用有限元分析软件ANSYS，可以有效地解决传统设计方法中存在的不足[2]。因此，运用ANSYS，通过对超声变幅杆进行模态分析和参数优化，可以大大提高设计效率和精度。本研究结合ANSYS软件，设计一个在超声显微切割系统应用的、谐振频率为60 kHz的半波长圆锥型变幅杆和超声波悬浮中应用的谐振频率为20kHz圆柱型变幅杆。 1 超声变幅杆的理论分析与设计 1. 1 变截面杆纵向振动的理论分析 物体在弹性介质中发生振动时会引起介质的振动。在研究振动波时，假设把弹性介质分成若干层，每一层看作是由许多彼此紧密相连的质点组成，一旦介质中的某个质点受到某种扰动，此质点便产生偏离其平衡位置的运动[3]，由于介质各点之间存在着弹性的联系，这一运动势必推动与其相邻的质点也开始运动，这样，物体的振动就在弹性介质中传播出去，这种物体的振动在弹性介质中的传播被称为波动。以质点和简单机械振动系统的振动及超声波的传播原理为理论基础，建立数学模型，根据牛顿定理可以确定变截面杆纵向振动的波动方程。 为了便于研究，设定理想状态，假定变截面杆是由均匀、各向同性材料所构成的，略去机械损耗，当杆的横截面尺寸远小于波长时，可以认定，平面纵波沿杆轴向传播，在杆的横截面上应力分布是均匀的[4]。

超声变幅杆设计资料

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范围内变化，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，扩大适应温度范围，延长换能器的使用寿命的作用。超声波换能器
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讲解稿：超声变幅杆连接结构

声变幅杆是超声波振动系统中一个重要的组成部分，它主要在振动系统中把机械振动的质点位移或速度放大(改变换能器的振幅(一般是增大)、提高振速比、提高效率，提高机械品质因数，加强耐热性，扩大适应温度范围，延长换能器的使用寿命。)，并将超声能量集中在较小的面积上即聚能，因此也称超声变速杆或超声聚能器。同时，超声波换能器通过安装变幅杆(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，让它在谐振频率工作，提高了电能转换为声能的转换效率，有效降低了超声波换能器的发热量，提高使用寿命。 2. 超声振动辅助模压加工，要求超声能量尽可能多地传递到工具端面部分，因而较好的变幅杆连接结构应尽可能多地实现超声能量的定向传递。由于连接结构的不同，将导致超声波在分界面处的传播规律有所差异，所以有必要从超声能量传递的角度出发，分析一下各种连接结构的超声能量传递效果。

传统连接结构。 径向定位靠一段圆柱面，超声能量传递主要靠大圆柱的上端面与其他构件紧密配合进行。

刚刚曾提到过的，由于连接结构的不同，将导致超声波在分界面处的传播规律有所差异。在传统的链接结构中，由于分界面两边的特性阻抗不一样，一般来讲会有一部分超声波反射回去，另一部分投射入媒质2中。

锥面链接结构。 由于变幅杆与连接构件之间是螺纹连接，以圆柱面定位只能采用数值较大的间隙配合，导致变幅杆与连接构件之间的同轴度较差，因而传统连接结构不能满足旋转超声加工的精度要求，特别是两级或多级变幅杆连接之后，工具端面的径向跳动较大，锥面定位的变幅杆连接结构可解决上述问题。 锥面定位的变幅杆，在连接分界面处超声波为斜入射，是否存在波形转化，这是必须考虑的问题。已有资料证明在分界面处前后材料相同的情形下，纵向入射的超声波呈直线方式直接进入第二种介质，如同没有分界面存在一样。

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
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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范围内变化，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，扩大适应温度范围，延长换能器的使用寿命的作用。超声波换能器
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圆锥形及阶梯型变幅杆模态分析资料讲解

圆锥形及阶梯型变幅杆模态分析

超声波变幅杆的设计及修正 摘要:超声变幅杆是超声波振动系统中一个重要的组成部分。本文结合超声变幅杆理论对设计变幅杆进行结果分析及参数修正,采用ANSYS 12.1对变幅杆进行了有限元模态分析，在此基础上，设计并加工了一个应用于超声显微切割系统中的、 谐振频率为70 kHz的半波长圆锥型变幅杆，和用于超声波近场悬浮的、谐振频率是20kHz的阶梯型变幅杆，并进行了相关 实验。实验结果表明，利用ANSYS软件辅助设计方法得到的超声变幅杆，其谐振频率与模态分析值非常接近，修正理论也 可以让变幅杆谐振频率更加接近设计值，为超声变幅杆的设计、校核和优化提供了一种新途径。 关键词:变幅杆;有限元;模态分析 Design and Revise of Ultrasonic horn Abstract：Ultrasonic horns apply widely in ultrasonic processing. Combined with ultrasonic horn theory, correct the ultrasonic horn by formula, analysis the modal of horn by ANSYS 12.1, on this basis, design a half-wavelength conical horn which resonant frequency is 60kHz, used by a ultrasonic micro dissection system, and a stepped ultrasonic horn which resonant frequency is 20kHz, used by a near-field acoustic levitation system, then make the related experiment. The results show that the resonant frequency of the ultrasonic horn designed by ANSYS is approaching the theory value, the correction coefficient also can make the resonant frequency approach the theory value, that provides a new way to design, checking or optimization. Key word:Ultrasonic horn; Finite element; Modal analysis 引言 超声变幅杆是超声振动系统的重要组成部件，它在振动系统中的主要作用是把机械振动的质点位移量或运动速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上[1]。在高强度超声应用中，如超声加工、超声焊接、超声切割、超声波悬浮等场合，所需要的振幅大约为几十至几百微米，但是超声换能器辐射面所产生的振动幅度较小，一般只有几微米，所以必须借助变幅杆将机械振动质点的位移或速度放大至满足工程应用要求。目前，有关超声变幅杆的设计，国内外主要采用传统解析法、等效电路法与替代法等，但是这些方法普遍存在计算量大而且设计精度不高的缺陷。运用有限元分析软件ANSYS，可以有效地解决传统设计方法中存在的不足[2]。因此，运用ANSYS，通过对超声变幅杆进行模态分析和参数优化，可以大大提高设计效率和精度。本研究结合ANSYS软件，设计一个在超声显微切割系统应用的、谐振频率为60 kHz的半波长圆锥型变幅杆和超声波悬浮中应用的谐振频率为20kHz圆柱型变幅杆。 1 超声变幅杆的理论分析与设计 1. 1 变截面杆纵向振动的理论分析 物体在弹性介质中发生振动时会引起介质的振动。在研究振动波时，假设把弹性介质分成若干层，每一层看作是由许多彼此紧密相连的质点组成，一旦介质中的某个质点受到某种扰动，此质点便产生偏离其平衡位置的运动[3]，由于介质各点之间存在着弹性的联系，这一运动势必推动与其相邻的质点也开始运动，这样，物体的振动就在弹性介质中传播出去，这种物体的振动在弹性介质中的传播被称为波动。以质点和简单机械振动系统的振动及超声波的传播原理为理论基础，建立数学模型，根据牛顿定理可以确定变截面杆纵向振动的波动方程。 为了便于研究，设定理想状态，假定变截面杆是由均匀、各向同性材料所构成的，略去机械损耗，当杆的横截面尺寸远小于波长时，可以认定，平面纵波沿杆轴向传播，在杆的横截面上应力分布是均匀的[4]。