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。
但是，锥面连接会导致一个问题——超声能量传递面积减小，前一级杆件的前端面有部分悬空，该部分的超声能量形成全反射，与入射波一起形成驻波，导致一部分超声能量在该杆件中来回传递，最终变成热能，损耗在该杆件中，因而锥面定位不能实现超声定向传递的能量最大化。
两面定位结构。
锥面定位的变幅杆能较好地解决超声振动系统的垂直精度问题，但不能最大化地实现超声能量的定向传递。
结合传统定位和锥面定位的优点。
故提出了两面定位的变幅杆连接结构，该种连接结构利用锥面进行径向定位，利用圆柱体的上端面进行超声能量传递，理论上可同时满足垂直精度和超声能量传递两方面的要求。
两面定位如何实现实现，采用的是分解组合的方法，首先实现良好的锥面定位，然后精确测量两个圆柱端面之间的距离，加工一个垫片放入两个端面之间，从而实现轴向定位。
8.
总结。
1）在系统良好谐振的情形下，传统结构变幅杆的输出超声能量最大(其次是两面定位的变幅杆，最小的是锥面定位变幅杆。
2）同时兼顾超声能量传递和回转精度两方面要求，两面定位的变幅杆最为理想。
超声变幅杆设计资料
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 轴是变幅杆的中心对称轴，作用在微小体元（ ， 所限定的区间）上的张应力为 ，利用牛顿定律，加以推导,可以得处变幅杆理论的关键动力学方程［9]：
二、课题研究的基本内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课题主要完成内容和工作量要求
（1）查阅和收集超声变幅杆相关方面的资料。
放大系数mp就是指变幅杆工作在共振频率时输出端与输入端得质点位移或速度振幅得比值形状因数就是衡量变幅杆所能达到最大振动速度得指标之一它仅与变幅杆得几何形状有关值越大所能达到得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得复数比值变截面杆纵振动得波动方程考虑由均匀各向同性材料所构成得变截面杆在杆得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得横截面上应力分布就是均所示得就是变截面杆纵振得示意图图中得轴就是变幅杆得中心对称轴作用在微小体元所限定得区间上得张应力为利用牛顿定律加以推导可以得处变幅杆理论得关键动力学方程其中
（3。1)
其中: ——杆的横截面积函数；
--质点位移；
——应力函数;
—-杆材料的密度；
-—杨氏模量。
当处于简谐振动的情况下，式（3。3）又可以改写成
（3.2）
超声波焊接变幅杆原理
超声波焊接变幅杆原理引言：超声波焊接是一种常用于金属、塑料等材料连接的高效、环保的焊接方法。
在超声波焊接过程中，变幅杆是起到关键作用的零件之一。
本文将详细介绍超声波焊接变幅杆的原理及其作用。
一、超声波焊接的原理超声波焊接利用了声波的高频振动和热能的特性，将工件通过摩擦产生的热能熔接在一起。
其基本原理是将电能转化为机械振动，通过焊接头传导到工件表面，从而使工件产生摩擦热，达到熔接的目的。
二、超声波焊接的变幅杆作用超声波焊接中的变幅杆是焊接头的核心组成部分，起到传递超声波振动能量和控制焊接压力的作用。
具体来说，变幅杆通过与超声波振动系统连接，将超声波振动传递到焊接头，从而实现工件的摩擦加热和熔接。
三、超声波焊接变幅杆的工作原理1. 超声波振动传递超声波振动系统产生的振动能量通过变幅杆传递到焊接头。
变幅杆的设计和材料的选择对振动能量的传递效果有直接影响。
合理的变幅杆设计可以提高超声波能量的传递效率，从而提高焊接质量。
2. 焊接压力控制变幅杆通过调整焊接头与工件之间的压力来控制焊接过程的质量。
在超声波焊接中，焊接头需要施加一定的压力才能使工件产生足够的摩擦热量。
变幅杆通过调整焊接头的压力，保证焊接过程中的稳定性和一致性。
3. 变幅杆材料的选择变幅杆一般采用高强度、高刚性的材料，如钛合金或不锈钢等。
这些材料能够有效地传递超声波振动能量，并且具有良好的耐磨损性和耐腐蚀性，以保证长时间稳定的工作。
四、超声波焊接变幅杆的优势1. 高效节能超声波焊接利用振动摩擦产生的热能进行焊接，无需额外加热，大大节省了能源消耗。
2. 环保无污染超声波焊接不需要使用焊接剂或添加剂，无需产生废气、废水和废渣，对环境无污染。
3. 焊接质量高超声波焊接的焊缝强度高、密封性好，焊接效果稳定可靠。
4. 焊接适应性强超声波焊接适用于多种材料的焊接，如金属、塑料、玻璃等。
五、结论超声波焊接变幅杆作为超声波焊接的核心组成部分，通过传递超声波振动能量和控制焊接压力，实现工件的摩擦加热和熔接。
超声波清创机的变幅杆组合结构[实用新型专利]
![超声波清创机的变幅杆组合结构[实用新型专利]](https://360docs-1393072327.cos.ap-beijing.myqcloud.com/1201bdcbbcd126fff6050b72.webp)
专利名称：超声波清创机的变幅杆组合结构专利类型：实用新型专利
发明人：冯子成,詹建国
申请号：CN201120381622.5
申请日：20111010
公开号：CN202236556U
公开日：
20120530
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型提供一种超声波清创机的变幅杆组合结构，包括中空的变幅杆、超声波换能器和压紧螺栓，压紧螺栓的中轴线上具有用于清洗液流通的通孔，变幅杆的一端设有内螺纹，压紧螺栓旋入变幅杆的内螺纹端，超声波换能器套在压紧螺栓的螺杆部，其特征在于，压紧螺栓的螺杆部上还依次套有第一压板、第二压板和第三压板，超声波换能器位于第二压板和第三压板之间，第一压板和第二压板之间设有螺旋弹簧，该螺旋弹簧套设在压紧螺栓的螺杆部。
螺旋弹簧能够防止压紧螺栓过度旋入，同时能够防止压紧螺栓与变幅杆之间产生松动，从而提高了本实用新型的使用可靠性。
申请人：重庆川仪自动化股份有限公司
地址：400700 重庆市北碚区人民村1号
国籍：CN
代理机构：重庆志合专利事务所
代理人：贺珠平
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一种圆弧过渡阶梯型超声变幅杆的节点法兰优化与参数型设计
一种圆弧过渡阶梯型超声变幅杆的节点法兰优化与参数型设计路崧;周成全;冯广智;刘家郡;李明雨;刘正锋【摘要】超声波塑料焊接的纵振变幅杆需要易于装夹的无振动法兰,但薄片状法兰不易保证足够的刚度和加工质量,而厚片法兰易造成变幅杆的共振频率偏移,针对上述问题,对一种圆弧过渡阶梯型变幅杆进行了初步设计.在变幅杆的节点位置添加了薄片状法兰,然后对薄法兰的外侧加块,再利用ANSYS Workbench的Shape Optimization工具对块结构进行了优化,实现了在质量增加较少的情况下保证法兰处的强度;之后以两圆柱的长度为设计变量,对变幅杆进行了参数型设计,修正了变幅杆的长度,使其共振频率在19.75 kHz～20.15 kHz范围内,且节点恰好位于法兰处.研究结果表明:优化后的变幅杆振型呈轴向阶梯型分布,法兰无振动且易于装夹,薄片状法兰式变幅杆质量为0.85 kg;优化后的变幅杆质量为0.914 kg,质量增长了7.5％,等效应力减少了21.4％,最大主应力减少了59.6％.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2018(035)012【总页数】5页(P1324-1328)【关键词】超声变幅杆;节点法兰优化;ANSYSDesignxplorer;ANSYSShapeOptimization【作者】路崧;周成全;冯广智;刘家郡;李明雨;刘正锋【作者单位】哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳518118;大族激光科技产业股份有限公司,广东深圳518103;大族激光科技产业股份有限公司,广东深圳518103;大族激光科技产业股份有限公司,广东深圳518103;吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春130012;哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳518118;大族激光科技产业股份有限公司,广东深圳518103【正文语种】中文【中图分类】TH122;TB510 引言在功率超声加工设备中，超声振动系统主要由超声波发生器、换能器、超声变幅杆和工具头(有时又叫模具头)组成[1]。
旋转超声加工变幅杆有限元分析
在原设计中，变幅杆细端直径为15mm献] [1]郑书友.旋转超声加工机床的研制及实验研究[D].华侨大
学,2008. [2]林仲茂.超声变幅杆的原理和设计[M].北京:科学出版社,1987. [3]霍树青,高长水.夹心式换能器设计中节面位置的选择与分析[J].
电加工与模具,2009,(02). [4]冯冬菊,赵福令,徐占国.使用I n v e n t o r软件的超声变幅杆模态分
两处节点X1=0，X2=-109mm； 粗端长度a=163mm，细端长度b=53mm； 考虑到刀具长度，过渡圆弧设计为7.5mm[2]。 由于刀具尾部的结构为一个最大径为11.5mm的圆 锥体，刀具与变幅杆配合时需添加一个锁紧螺母。 如图2、3为变幅杆的剖视图和主轴装配的剖视图：
-a
0
b
X
图1 阶梯型变幅杆
-1-
研究与设计
2011年第6期
1 解析法设计计算 振动频率在16kHz以上的声波称为超声波，据厂方
提供的数据，压电晶体的振动频率在23kHz左右可调， 单片压电晶体产生的振幅为5～10μm，其最高功率可达 300W。考虑到压电晶体成对出现的需要和超声加工中 所需的振幅一般为100μm左右[1]，设计所用压电晶体片 数为2，振幅放大比为4～9，理论上可以确保超声加工的 需要。
图3 主轴装配剖视图
2 Inventor2010有限元分析论证 I nve ntor2010集成了A n s y s 有限元分析软件的
超声变幅杆与工具杆连接定位结构分析及传递能耗研究
超声变幅杆与工具杆连接定位结构分析及传递能耗研究邹爱成;李仁锁;王瑞【摘要】对旋转超声振动加工中变幅杆和工具杆的连接定位进行了力学和结构分析.并利用ABQUS软件,对连接结构在传递超声波能量过程中的能量损耗,进行了有限元模拟实验.从实验结果得出圆锥曲面在传递轴向纵波时,产生的热量这一能量损耗,主要是由于超声波斜入射形成驻波而形成.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2019(000)007【总页数】4页(P84-87)【关键词】变幅杆;能耗;ABQUS【作者】邹爱成;李仁锁;王瑞【作者单位】桂林航天工业学院机械工程学院,广西桂林541004;桂林航天工业学院机械工程学院,广西桂林541004;南京航空航天大学航空学院,江苏南京210016;桂林航天工业学院机械工程学院,广西桂林541004;广东工业大学机电工程学院,广东广州510520【正文语种】中文【中图分类】TG501.1近年来，超声振动切削随着国内各高校和研究机构重视，其研究和应用领域从军工到民用也日益广泛。
但相比国外，国内的超声加工设备制造方面依然有一定的差距。
差距主要体现在：高档化超声机床无大的突破；研究超声加工设备与数控机床本体的融合技术较少；超声加工设备系统本身的稳定性与互换性标准也急需解决等三个方面[1]。
而在超声加工设备与数控机床本体的融合技术中如何将超声能量高能效地传递给刀具就是其中的关键技术之一。
超声振动加工系统一般由超声换能器、变幅杆、工具等部分组成。
通关文献检索，对于变幅杆的材质和结构形状研究较多，而对于变幅杆和工具头之间的连接方式研究依然较少[1-3]。
因此本文对传统一销一端面定位连接、锥面定位连接、锥面加端面定位连接三种定位连接方式进行了系统的分析和研究。
1 超声振动旋转加工工具头受力理论分析超声振动加工铣削、磨削等旋转加工过程中，换能器与变幅杆相连，工具头装配在变幅杆上，旋转的工具头加工工件。
加工工件工程中工具头所受力有主切削力FC、进给抗力Ff、切深力Fp可由经验公式表达如下：其中 CFC、αp、xFC、KFC等应力系数、指数和工件材料切削系数可由加工工艺手册查得。
超声焊接圆锥复合变幅杆的设计与分析王立冰
超声焊接圆锥复合变幅杆的设计与分析王立冰发布时间：2021-08-16T09:21:40.277Z 来源：《防护工程》2021年13期作者：王立冰[导读] 随着经济和科技水平的快速发展，超声变幅杆是实现换能器到负载之间的聚能、振幅放大、阻抗匹配的关键部件，在超声塑料焊接领域应用广泛。
身份证号码：371522198****20819摘要：随着经济和科技水平的快速发展，超声变幅杆是实现换能器到负载之间的聚能、振幅放大、阻抗匹配的关键部件，在超声塑料焊接领域应用广泛。
因加工领域、加工对象不同、材料不同，变幅杆形式多种多样，缺乏面向工程应用的、统一的、高效的设计、实验方法，在实际工程应用中是一个难点。
随着大功率超声器件在工业领域的广泛应用，国内外学者对各种类型的超声变幅杆进行了大量的理论分析和实验研究。
国外学者从上世纪四五十年代起就开展了超声加工的研究，近年来，在复合超声变幅杆的设计、有限元分析、加工热弹性响应、优化设计、实验分析、疲劳分析、受载安全评估等方面进行了大量的研究，研究领域渗透到超声振动切削技术，超声复合加工技术硬脆复合材料高精密加工等技术领域。
关键词：圆锥复合变幅杆；参数计算与建模引言超声变幅杆是超声振动复合加工工艺中超声振动系统的重要部件。
利用特征参数进行理论计算对超声变幅杆进行了设计。
基于有限元分析软件 ABAQUS 对阶梯形超声变幅杆进行了模态分析，得到了符合设计要求的模态振型及固有频率，进行了谐响应分析，针对结果中出现的变幅杆应力集中现象在截面突变处添加过渡圆弧进行优化设计。
最后，分析了不同半径的过渡圆角与变幅杆固有频率及最大应力的关系，结果表明，增加过渡圆弧可以改善应力集中现象，避免疲劳断裂达到优化设计的目的。
1设计基础资料设计内容来源于一款耳机外罩防尘钢网超声焊接的工程项目，设计需求是将防尘钢网及防尘薄膜焊接至耳机外罩上，设计特点上防尘钢网尺寸较小，耳机焊接孔避空尺寸较小，焊接深度较浅，需求高频率，低振幅就可以完成焊接过程，因此超声焊接可选用 40kHz 的频率发生器及与之配套的超声换能器，耳机防尘钢网焊接工作需求图及超声频率发生器、超声换能器。
性能可调的纵向振动圆锥形超声变幅杆
性能可调的纵向振动圆锥形超声变幅杆林书玉;唐一璠;徐洁【摘要】提出了一种基于压电效应的性能可调纵向振动圆锥形超声变幅杆,并对其振动性能进行了研究.该变幅杆由传统的圆锥形超声变幅杆和压电陶瓷材料组合而成.论文研究了圆锥变幅杆中压电陶瓷材料的厚度、位置以及电阻抗的改变对变幅杆性能参数的影响,并进行了数值模拟仿真及实验验证.结果表明,通过改变压电陶瓷材料的厚度、位置和电阻抗值,可以实现变幅杆共振频率和位移放大系数的改变.理论计算结果与数值模拟值和实验测试值符合得很好.%Longitudinal conical ultrasonic horn with adjustable vibrational performance based on piezoelectric effect is proposed and studied. It is composed of the traditional ultrasonic horn and the piezoelectric material. By changing the electric impedance connected to the piezoelectric material, the vibrational performance can be adjusted. The effect of the electric impedance and the piezoelectric material on the ultrasonic horn is analyzed analytically. Meanwhile,the resonance frequency and the displacement magnification are numerically simulated. It is shown that the theoretical results are in good agreement with the numerically simulated and experimental results. It is expected that this kind of ultrasonic horns can be used in high power ultrasonic technology where different vibrational performance is needed.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2018(037)001【总页数】8页(P20-27)【关键词】超声变幅杆;性能调节;共振频率;位移放大系数;电阻抗【作者】林书玉;唐一璠;徐洁【作者单位】陕西师范大学物理学与信息技术学院西安710119;陕西师范大学物理学与信息技术学院西安710119;陕西师范大学物理学与信息技术学院西安710119【正文语种】中文【中图分类】O426.11 引言超声变幅杆，又称为超声波聚能器、超声波机械变压器以及超声波固体实心喇叭，是功率超声振动系统中一个独特的组成部分。
变幅杆连接工艺对旋转超声加工质量影响的研究
变幅杆连接工艺对旋转超声加工质量影响的研究尚彦芝;蔡晓君;高钜【摘要】超声旋转加工是一种适用于脆硬材料加工的新技术,它强化了原加工过程,其加工效率随着材料脆性的增大而提高,实现了低耗能的目标.在超声旋转加工中,超声加工工具与变幅杆的连接对超声振动共振频率和超声波加工性能有很大影响.本文在深入研究旋转超声加工基本原理的基础上,分析了旋转超声加工时能量传递系统的关键制件一变幅杆和工具杆对超声加工精度的影响,并对变幅杆和工具杆制造工艺及连接的方法进行了初步研究.%Rotary ultrasonic machining is a new technology of suitable rigid material processing, it reinforces the original process. its processing efficiency increased with the increase of brittle materials, low power consumption will be achieved with that. In the rotary ultrasonic machimng, ultrasonic machining tools and harn quality of connections has a great influence to resonance frequency of ultrasonic vibration and ultrasonic processing performance. The paper introduced rotary ultrasonic machining.and analyzed the effect of horn and tool on precision . The horn and tool are the key parts of the power transmission systems . It also preliminary studied the manufacturing process and the methods of connection of horn and tool.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2011(000)001【总页数】3页(P16-18)【关键词】旋转超声加工;变幅杆;连接方法【作者】尚彦芝;蔡晓君;高钜【作者单位】北京石油化工学院,机械工程学院,北京,102617;北京石油化工学院,机械工程学院,北京,102617;清华大学,基础工业训练中心,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TG306近年来,超声加工的发展较为迅速,其工艺技术在深小孔加工、难加工材料加工等方面有较广泛的应用,尤其是在难加工材料领域解决了很多关键性的工艺问题,取得了良好的效果。
超声微细加工中变幅杆的设计与制造
由于通过其任一截面 的振动能量是 不变 的（ 计传播损 耗 ） 不 ， 截面小的地方 ， 能量密度大 ， 幅也就得到放大 。为 了获得较 振
设计与制造在整个超 声微 细加 工过程 中具有 十分 重要 的作
用。
ｌ 变幅杆的作用、 分类及其特点
－
３ ・ ３
超 声 微 细 加 工 中变 幅杆 的设 计 与 制 造
傅锦
（ 州市职 业 大学 ， 苏 扬 州 ２５０ ） 扬 江 ２０２
摘要： 超声微细加工首先需要制造出作为工具使 用的变幅杆。变幅杆的设计与制造在整个超声微细加 工过程中具有十分重要的
作用。本文介绍 了变幅杆在超声加工中的作用， 常用不同形状变幅杆的功能、 特点， 并重点介绍 了试验使用的阶梯形变幅杆和指
１ 变 幅杆 形状及 其特点 ． ２ 变幅杆的形 状 对于共 振频 率 、 能够 传递 的功 率 、 载后 受
图１ 超声振动 系统
器 、 振杆 、 传 变幅杆及加工工 具
组成 ， 图 １ 如 所示 。
的放 大倍 数有很大的影响 ， 用的变 幅杆有外 径变化 的实心 常 型和内径 变化 的空心 型。两种 类 型的变 幅杆 沿长 度上 的截
Ｋｅ ｒ ｓ： ｃ ｏ ｕｔａ ｏ ｉ ｃ ｉｉ ｇ；ａ ｐｌ ｕ ｅ ｔａ ｓｏ ｅ ；ｄｅ ｉ ｙ ｗｏ ｄ ｍｉｒ － ｌ ｓ ｎｃ ｍａ ｈｎ ｎ ｍ ｒ ｉ ｄ ｒ ｆｒ ｒ ｔ ｎ ｍ ｓｇ ｎ
Ｏ 引言
随着科学技术的飞速发展 ， 超声微 细加工 技术 的应 用越 来越广泛。超 声微 细加 工一般采 用拷 贝式成 形 ， 因此 首先要
ＦＵ ｉ Ｊｎ