旋转超声加工用纵扭共振变幅杆的动力学分析

纵扭复合超声波换能器变幅杆开斜槽由纵转扭的实测分析大音超声陶晓明2023.2通常认为在变幅杆开斜槽的方向与刀具铣刀或麻花钻槽向应保持一致，这时扭振振幅是叠加的关系，反之是抵消的关系，从仿真可以看出当变幅杆与刀具的槽向不一致时，各自的扭振方向相反且幅度不一，变幅杆扭振幅度小，刀具扭振幅度大。

暂且不论方向相反有多少抵消和幅度之差，这不是主要矛盾。

通过实际测量发现其实并不尽然，下面以阶梯变幅杆换能器为例来分析纵与扭的关系。

图1未开斜槽图2 变幅杆开斜槽并与刀具槽向相反从图3的仿真分析可以看到阶梯型超声换能器纵振模态下的振幅分布，光杆刀具末端振幅最大其他次之。

通过仿真观察与实际测量，我们发现纵振换能器产生扭振的最大位置，即是纵振振幅图3 未开斜槽振幅分布图4开斜槽并与刀具槽向相反时振幅分布最大处。

主要是有斜槽刀具处在纵振振幅最强部位，在此产生扭振会更强烈。

变幅杆上槽向右旋或左旋产生的扭振与之相比就显微不足道，因为那些槽并没开在纵振振幅最大处。

通过仿真和实测证实不管是铣刀还是麻花钻因有螺旋槽并且处在振幅最大的末端，自然会产生较大幅度的扭振。

当刀具与换能器组成一个完整声学谐振系统后会工作在相同频率上，不会同时产生其他不同频率。

同时也分析了纵扭复合结构是依纵而扭，即在纵振振幅最大处开斜槽产生的扭振亦最大，扭振的振幅大小与纵振频率无关只与纵振振幅有关。

见振幅分布（图4），可看到换能器纵振振幅末端振幅最大，此时由纵振转换成扭振的振幅亦大。

实测发现阶梯变幅杆上延伸到大直径端的斜槽不会对扭振振幅有明显的放大作用，去掉大直径端的斜槽只保留小直径段斜槽，扭振振幅没有明显改变，当只保留大直径端斜槽去掉小直径端斜槽时已检测不到扭振，除非此槽也处在纵振振幅较大处。

所以变幅杆上开的槽无论是右旋还是左旋，对有螺旋槽的刀具来讲它所产生的扭振都不足亦撼动末端有螺旋槽刀具产生扭振的幅度，但从某种意义上考虑槽向一致是对的，否则失去了变幅杆开斜槽的意义。

太原理工大学硕士学位论文旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究姓名：杨志斌申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：轧刚20080501太原理jI．．大学硕士研究生学位论文旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究摘要随着科学技术的发展，各种高性能的陶瓷材料不断涌现。

由于陶瓷材料具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能，在机械、电子、航空、汽车等领域上具有广阔的应用前景。

但由于其硬度和脆性高，难以加工，应用受到制造成本的限制。

超声加工己被证明是陶瓷、石英、金刚石、半导体等硬脆性材料加工的有效方法。

传统的磨料悬浮液超声加工工具磨损大，加工精度和加工效率也不高，因此国内外都在寻找新的加工方法并研制相应的新型设备。

研究表明，在传统超声加工的基础上发展的采用金刚石工具的旋转式超声加工是加工硬脆材料的一种有效方法，具有良好的发展前景。

超声加工装置主要由超声波发生器、换能器和变幅杆组成，其中的变幅杆在加工过程中处于极其重要的地位，它的主要作用是在其输出端：睁换能器输入的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。

振幅放大比是变幅杆的重要性能参数，对加工过程中的材料去除率有较大影响。

各种传统形状的变幅杆各有优点，但都不是最理想的。

指数形和圆锥形变幅杆的放大倍数较低，降低了加工效率；阶梯形虽然有比圆锥形和指数形变幅杆大的多的放大倍数，但其直径突变引起过高的工作应力，即使在突变处采用圆锥或圆角过渡可以降低工作应力，也要损失较大的振幅放大比。

随着有限兀理沦的完善和相关应用软件的发展，通过计算机育接进行变幅杆的设计成为可能。

本文以提高超声加T装置的效率为J斗J发点，设计并制造了旋转超声加工振动装置；通过对变幅杆的研究，设计出具有大振幅比的新型超声变幅杆。

主要研究内容有：太原理I：人学硕十研究生学位论文1．选购大功率超声波发声器与压电式换能器，设计并制造旋转超声加工机床振动装置。

2．应用解析法对传统的指数形、圆锥形、阶梯形变幅杆进行设计，求出其振幅放大比、节点位置、谐振长度等参数。

纵－扭复合超声振动加工系统设计及频率简并研究袁松梅;刘明【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2016(035)005【摘要】纵－扭复合超声振动加工技术在硬脆性材料的加工中受到越来越多的重视，针对该种需求，设计了一种纵－扭复合超声振动加工系统，基于有限元方法对该类系统普遍存在的频率简并问题进行了研究。

利用数值解析方法设计出超声换能器和超声变幅杆，之后在变幅杆上做出螺旋槽，一部分纵向振动转换为扭转振动；以目标频率附近的纵、扭谐振频率尽量接近为原则，利用有限元软件分析系统的结构参数对纵、扭谐振频率的影响规律，实现频率简并；在此基础上对系统进行模态分析和瞬态动力学分析，结果表明系统可以实现纵－扭复合超声振动，验证了此种频率简并方法的有效性和实用性。

【总页数】6页(P8-13)【作者】袁松梅;刘明【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191; 北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心，北京 100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191; 北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心，北京 100191【正文语种】中文【中图分类】TH122;TH113.1【相关文献】1.纵扭复合型超声波电机原理及模态简并研究 [J], 冯威;邬锡忠;魏燕定;郭吉丰2.纵-扭复合型超声波电机频率简并研究 [J], 林华;林星陵;翁志刚;张晓东3.模式转换型纵-扭复合超声振动加工系统的设计 [J], YIN Sen;ZHAO Bo;LI Yu4.纵扭超声振动电火花微小孔加工研究 [J], 唐祥龙;傅波;白志刚;罗经平;周光伟5.扭纵超声马达振动系统共振频率简并的研究 [J], 周铁英;张立群;薛毅;陈新业因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于有限元的超声复合变幅杆的动力学分析及优化设计
随着科学技术的发展，超声波技术在医学、工程等领域中应用日益广泛。

超声复合变幅杆是一种基于超声波原理的新型变振幅装置，具有振动幅度大、频率可调、能量传递高等优点。

本文基于有限元方法对超声复合变幅杆的动力学进行分析，并进行优化设计。

首先，本文对超声复合变幅杆的结构进行了建模。

通过有限元软件对变幅杆的材料进行建模，确定了杆件的几何形状和材料属性，并进行了网格划分。

然后，根据超声波的传播原理，建立了超声波在变幅杆中的传播模型。

考虑到杆件的材料的非线性特性和超声波的传播特性，采用有限元方法对超声波的传播过程进行了模拟计算。

接下来，本文对超声复合变幅杆的动力学性能进行了分析。

通过有限元分析软件对变幅杆在不同工况下的振动响应进行了模拟计算，并得到了变幅杆的频率响应曲线和振动幅度。

同时，分析了杆件的应力、应变分布情况，评估了变幅杆的结构强度和稳定性。

最后，本文针对超声复合变幅杆的动力学特性进行了优化设计。

通过调整杆件的几何参数和材料属性，优化了变幅杆的频率响应和振动幅度。

同时，对杆件的应力和应变进行了优化，提高
了变幅杆的结构强度和稳定性。

通过优化设计，使超声复合变幅杆的性能得到进一步提升。

综上所述，本文基于有限元方法对超声复合变幅杆进行了动力学分析，并进行了优化设计。

通过对变幅杆的结构进行建模和分析，得到了变幅杆的频率响应和振动幅度。

通过优化设计，改善了变幅杆的动力学性能，提高了杆件的结构强度和稳定性。

这对于超声波技术的应用和超声波设备的设计具有重要的理论和实际意义。

模式转换型纵-扭复合超声振动加工系统的设计YIN Sen;ZHAO Bo;LI Yu【摘要】将纵-扭复合超声振动在应用于切削和焊接中,能够得到较好的加工质量,并可显著提高加工效率,延长刀具寿命.基于平面简谐波传播理论,推导了螺旋沟槽处反射横波的存在性,并进一步分析了螺旋沟槽结构的振型转换原理;利用数值解析法设计了复合变幅杆,并在其锥面开设螺旋沟槽,从而成功输出纵-扭复合振动;结合有限元分析探究了螺旋沟槽角度θ、沟槽槽宽d及槽深h对扭纵振动转换比e的影响规律,从而优化螺旋沟槽参数,并拟合出变幅杆端面某质点的振动轨迹.利用加工出的实体变幅杆对有限元分析结果进行了验证.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2019(038)011【总页数】7页(P242-248)【关键词】螺旋沟槽;振形转换;有限元分析;扭-纵振动转换比【作者】YIN Sen;ZHAO Bo;LI Yu【作者单位】;;【正文语种】中文【中图分类】TB559随着现代工业的高速发展，高硬脆材料在航空航天、医疗、武器装备制造等诸多领域得到了广泛的应用，而超声振动加工在加工多种硬脆材料时，均表现出加工效率高、表面质量良好等优势，而二维复合振动加工更是可极大提升单向振动加工的加工质量[1]。

复合振动模式主要有纵弯复合、扭弯复合[2]、纵扭复合[3]、双弯曲复合[4]及径扭复合[5]等。

目前，实现纵扭复合超声振动的输出装置有两类：①利用纵-扭超声换能器实现系统的复合振动，如通过使用两组不同极化方向的压电陶瓷，组成纵-扭复合振动换能器[6]、通过轴向磁致伸缩输出扭转振动的换能器[7]和通过合理布置倾斜压电陶瓷的换能器[8]；②在变幅杆上设计“模式转换器”的结构，对系统输出的超声振动进行转换与复合，如螺旋沟槽式变幅杆[9]、斜槽式变幅杆[10-12]、榫卯式变幅杆[13]。

对于螺旋沟槽式变幅杆，其扭转振动分量较高，纵-扭复合振动输出稳定[14]，但是影响纵-扭复合振动输出的结构参数众多，纵-扭模型的建立较为困难，对输出参数无法实现较为精确的确定与控制，在实际应用中有较大的局限性。

纵扭与弯曲超声变幅杆的设计研究摘要：纵扭与弯曲超声变幅杆是一种用于测量材料中的超声波信号的设备。

本文通过对纵扭与弯曲超声变幅杆的设计研究，分析了其工作原理和设计要点，并对其性能进行了实验验证。

研究结果表明，纵扭与弯曲超声变幅杆具有较高的测量精度和稳定性，适用于材料中超声信号的测量。

关键词：纵扭与弯曲超声变幅杆；设计；工作原理；性能；实验验证引言：纵扭与弯曲超声变幅杆是一种常用的超声测量设备，广泛应用于材料科学、工程结构等领域。

其通过测量材料中传播的超声波信号，可以得到材料的声学特性参数，为材料研究和工程设计提供重要依据。

因此，对纵扭与弯曲超声变幅杆的设计进行研究具有重要意义。

方法：本文首先对纵扭与弯曲超声变幅杆的工作原理进行了分析。

在纵扭与弯曲超声变幅杆中，超声波信号通过传感器引入杆中，经过杆的纵扭和弯曲作用后，再由传感器接收并转化为电信号。

根据传感器接收到的电信号，可以计算出材料中的超声波信号参数。

接下来，根据工作原理，对纵扭与弯曲超声变幅杆的设计要点进行了总结。

设计要点包括传感器的选择和布置、杆的材料和结构设计等。

最后，通过实验验证了纵扭与弯曲超声变幅杆的性能。

结果与讨论：实验结果表明，纵扭与弯曲超声变幅杆具有较高的测量精度和稳定性。

在不同材料中进行的超声波信号测量中，纵扭与弯曲超声变幅杆均能准确获取超声波信号的参数。

此外，纵扭与弯曲超声变幅杆的设计要点对其性能影响较大。

合理选择传感器和设计杆的结构可以提高纵扭与弯曲超声变幅杆的测量精度和稳定性。

结论：本文通过对纵扭与弯曲超声变幅杆的设计研究，分析了其工作原理和设计要点，并通过实验验证了其性能。

研究结果表明，纵扭与弯曲超声变幅杆具有较高的测量精度和稳定性，适用于材料中超声信号的测量。

这对于材料科学和工程结构的研究具有重要的意义，为相关领域的研究和应用提供了一种有效的测量手段。

面向岩石取样过程的超声纵扭变幅杆设计韩光超;潘高峰;刘初见;陈长新;杨航润【摘要】针对超声岩石取样加工过程需要不同比例纵扭振动输出需求,设计一种具有斜槽结构的纵扭复合阶梯型超声变幅杆.根据超声变幅杆的纵扭复合振动机理,利用有限元法分析确定可产生扭转振动的带斜槽阶梯型变幅杆基本结构,研究斜槽结构参数变化对超声变幅杆输出纵振振幅与扭转振幅比值的影响规律.研究结果表明,在阶梯型变幅杆上合理设定斜槽的位置和结构参数可实现不同比例的纵扭振动输出,满足不同材质超声岩石取样加工需求.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2016(000)007【总页数】4页(P5-8)【关键词】岩石取样;纵扭复合振动;阶梯型超声变幅杆;斜槽【作者】韩光超;潘高峰;刘初见;陈长新;杨航润【作者单位】广西制造系统与先进制造技术重点实验室(广西大学),广西南宁530004;中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074;地质过程与矿产资源国家重点实验室(中国地质大学),湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TG663超声岩石取样过程是通过岩石取样工具的纵向超声振动和岩石试样的柔性进给来实现岩石样品的磨削取样加工［1］。

虽然通过取样工具的单向高频冲击可促进研磨颗粒对岩石的磨削加工过程，并有效提高岩石试样的取样成功率，但对于硬度较大的岩石样本，磨削取样加工效率仍然较低，需进一步改进。

近年来，随着超声辅助切削加工应用研究的不断深入，纵扭、纵弯等复合振动超声辅助成形加工成为研究的热点。

已有研究表明，纵扭共振复合超声加工比单一轴向振动超声加工具有更优良的加工特性。

而实现纵—扭复合振动的途径按实现原理的不同基本可分为两大类：一类是通过纵扭超声换能器实现纵扭振动输出；另一类是利用纵向超声换能器实现单一轴向振动，然后通过纵扭复合超声变幅杆实现纵扭振动输出［2-3］。