复合型超声变幅杆的设计

基于传递矩阵法的超声珩齿复合变幅器设计周梦妮;张宁宁;侯云盼【摘要】Based on the Mindlin plate theory,the ultrasonic gear honing amplitude transformer combining ring plate with amplitude transformer was designed by transfer matrix method.The bending frequency equation of the amplitude transformer was deduced and its vibration performance was studied.The results show that the frequency of the ultrasonic gear honing amplitude transformer will decrease with the increase of the segment length of the transformer,increase with the increase of the ring thickness,and decrease with the increase of the OD of the ring.%基于Mindlin中厚板理论,利用传递矩阵法设计了圆环板与复合变幅杆组合而成的超声珩齿复合变幅器,推导了这一复合变幅器的弯曲振动频率方程,并对其振动特性进行研究.研究结果表明,超声珩齿复合变幅器频率随变幅杆各段长度的增大而减小,随圆环厚度的增大而增大,随圆环外径的增大而减小.【期刊名称】《机械制造》【年(卷),期】2018(056)004【总页数】5页(P21-24,28)【关键词】变幅器;传递矩阵;Mindlin中厚板理论;振动【作者】周梦妮;张宁宁;侯云盼【作者单位】渭南师范学院数理学院陕西渭南 714099;渭南师范学院数理学院陕西渭南 714099;渭南师范学院数理学院陕西渭南 714099【正文语种】中文【中图分类】TH1131 设计背景超声珩齿是将超声振动切削技术应用于硬珩齿加工的一项技术，其高频振动提高了磨粒实际切削速度和切削能力，被加工齿轮的表面质量明显优于普通珩齿的表面质量［1］。

专利名称：一种组合式超声波变幅杆专利类型：实用新型专利
发明人：王雪,于海,殷强,陈兆芹,方敏申请号：CN201921995487.6
申请日：20191118
公开号：CN211678641U
公开日：
20201016
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及超声波变幅杆技术领域，尤其是一种组合式超声波变幅杆，包括第一变幅杆，所述第一变幅杆的一端设有对接端头，另一端设有连接槽；所述连接槽内安装有第二变幅杆，所述第二变幅杆的一端设有与连接槽可拆卸连接的连接柱；所述连接柱与连接槽之间设有轴向固定部和径向锁止机构。

本实用新型采用可拆卸的组合方式构成一个超声波变幅杆，无需对超声波变幅杆进行整体更换，避免频繁更换对换能器连接端的损坏，延长换能器的使用寿命，第二变幅杆采用轴向和径向两个方位的固定方式，在保证变幅杆组合稳定性的同时无需借助外部拆卸工具便可实现不同类型变幅杆的快速安装更换。

申请人：南京雪华智能科技有限公司
地址：210046 江苏省南京市栖霞区尧化街道甘家边东108号2幢201室
国籍：CN
代理机构：北京轻创知识产权代理有限公司
代理人：王欢
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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ABSTRACTStarting 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.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目录第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 国内外研究发展历程 (1)第二章超声波加工概述 (4)2.1 超声波的特点 (4)2.2 超声加工的基本原理 (5)2.3超声加工的特点 (7)第三章变幅杆的设计 (8)3.1 变幅杆设计理论 (8)3.1.1 变幅杆设计概述 (8)3.1.2 变截面纵振动的波动方程 (8)3.2 指数形变幅杆的理论计算 (10)3.2.1 指数形变幅杆频率方程和谐振长度 (11)3.2.2 指数形变幅杆的位移节点x (11)M (12)3.2.3 指数形变幅杆的放大系数p3.2.4 指数形变幅杆的计算 (12)3.3 圆锥形变幅杆的理论计算 (12)3.3.1 圆锥形变幅杆的频率方程和谐振长度 (13)3.3.2 圆锥形变幅杆的位移节点x (14)3.3.3 圆锥形变幅杆的放大系数M (14)p3.3.4 圆锥形变幅杆的计算 (14)3.4 阶梯形变幅杆的理论计算 (14)3.4.1 阶梯形变幅杆的位移节点x (15)M (16)3.4.2 阶梯形变幅杆的放大系数p3.4.3 阶梯形变幅杆的计算 (16)第四章运用ANSYS对变幅杆的动力学分析 (17)4.1 有限元方法简介 (17)4.2 有限元方法动力学分析的理论基础 (18)4.2.1 模态分析的力学基础 (18)4.2.2 谐响应分析的力学基础 (19)4.3 变幅杆的动力学分析 (20)4.3.1 变幅杆模型的建立 (21)4.3.2 变幅杆网格的划分 (22)4.3.3 变幅杆的模态分析 (23)4.3.4 变幅杆的谐响应分析 (25)第五章变幅杆性能参数测试实验平台的搭建 (29)5.1 实验目的 (29)5.2 实验设备 (29)5.2.1 压电式加速度传感器 (29)5.2.2 电荷放大器 (31)5.2.3 示波器 (32)5.3 实验测试系统的搭建 (32)第六章超声振动系统实验平台的搭建 (34)6.1 实验简介 (34)6.2 主要实验设备 (34)6.2.1 激光位移传感器 (34)6.2.2 阻抗分析仪 (35)6.3 实验测试系统的建立 (35)6.4 实验测试过程与结果分析 (36)第七章总结与展望 (39)7.1 总结 (39)7.2 展望 (39)致谢 (41)参考文献 (42)第一章绪论1.1 引言超声波加工是一种近十几年来新兴的加工技术，目前已经在很多工业中得到了应用。

采用聚焦式变幅杆的超声-TIG复合焊接袁鹤然;杨春利;范成磊;林三宝【期刊名称】《焊接学报》【年(卷),期】2013(034)010【摘要】与传统TIG焊相比,超声-TIG复合焊在铝合金及不锈钢焊接中可提高焊接效率、改善焊缝组织和力学性能,应用前景广泛.然而受超声振幅大小和耦合方式限制,超声作用效果有限.针对该问题,提出凹面聚焦式变幅杆.利用COMSOL Multiphysics 软件优化凹面曲率半径,确定为21 mm.对聚焦式复合焊枪声场分布进行模拟.结果表明,与平面相对比,聚焦式变幅杆可改善声压分布,工件表面处声压幅值也由14.81 kPa 增加到77.489 kPa,提高近5倍.利用聚焦式复合焊接装置进行焊接试验,与同参数平面复合焊接系统所得试验结果相比,焊缝熔深增加,接头晶粒更细小,抗拉强度提高,超声作用效果更显著.【总页数】5页(P95-99)【作者】袁鹤然;杨春利;范成磊;林三宝【作者单位】哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TG457.11【相关文献】1.采用复合贝塞尔曲线的超声变幅杆优化设计 [J], 刘方晨;卢全国;刘新怀;赵冉2.超声-TIG复合焊枪变幅杆水冷装置的设计 [J], 袁鹤然;范成磊;杨春利;林三宝3.超声-TIG复合焊接装置的研制与应用 [J], 孙清洁;林三宝;杨春利;闫久春4.采用异种钢焊接工艺修复合成氨中置式废热锅炉 [J], 孙斌;陈兆兵;孟新东;胡育华;胡祖汉;张限莲5.超声波冲击与TIG熔修复合强化改善高强钢焊接接头的疲劳性能 [J], 王东坡;霍立兴;张玉凤;荆洪阳;杨新岐因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。