超声振动系统的数值仿真研究.pdf

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1、2015年1月机床与液压Jan．2015第43卷第2期MACHINETO0L&HYDRAULICSVo1．43No．2DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2015．02．019超声振动系统的数值仿真研究陈建毅．郑祝堂(厦门城市职业学院，福建厦门361008)摘要：旋转超声加工是加工硬脆性材料的一种很有效方法。而超声振动系统是其核心和关键。借助ANSYS对超声振动系统的超声换能器、变幅杆进行数值仿真，求出谐振频率、放大系数等重要参数，分析了变幅杆不同的过渡圆弧尺寸和外形结构对超

2、声纵向振动性能参数的影响。关键词：换能器；变幅杆；有限元；谐振频率；放大系数中图分类号：TG663文献标志码：A文章编号：1001—3881(2015)2-058—4StudyOilNume—calSimulation0fUltrasonicVibrationSystemcHENJianyi，ZHENGZhutang(XiamenCityUniversity，XiamenFujian361008，China)Abstract：Rotaryultrasonicmachiningisacost—eff

3、ectivemachiningmethodforhardandbrittlematerials．Theuhrasonicvibra—tionsystemisanimportantcomponentfortherotaryultrasonicmachining．Numericalsimulationofultrasonictransducerandhorninul—trasonicvibrationsystemwasdonewithfiniteelementanalysissoftwareANSYS

4、．Itsimportantparameters，suchastheresonantfrequen—cyandamplificationfactor，wereobtained．Theinfluencesofdifferenttransitioncircularradiusandhornprofilesontheperformanceofultrasoniclongitudinalvibrationwereanalyzed．Keywords：Ultrasonictransducer；Horn；Fini

5、teelement；Resonantfrequency；Amplificationfactor随着现代科学技术的发展，工程陶瓷、光学玻工。其中，超声换能器是进行能量转换的部件，璃、硅晶体、淬硬钢、钛合金以及复合材料等难加工其作用是把超声频电能转化为超声频机械能。超声变材料在国民经济各个领域的应用日益广泛。但是这些幅杆主要用于阻抗匹配和放大换能器的输出振幅，使材料本身机械加工性能差，采用传统加工方法时加工工具端面的振幅满足加工的需要。常见的变幅杆有阶效率低、质量差、成本高。就目前发展来看，旋转超梯形

6、、圆锥形、指数形、悬链线形。因此，设计及制声加工技术是加工上述材料的一种有效方法，在精密造性能良好、可靠的超声振动系统是旋转超声加工技及超精密机械加工中开始不断应用[1-3]。旋转超声加术得以广泛应用的关键。采用有限元对其进行数值仿工是将金刚石的优良切削性能和超声频机械振动有机真是保证设计、制造性能良好、可靠的超声振动系统地结合在一起．加工中工具在产生纵向超声频振动的的一种很有效的措施。同时，还绕其轴线做高速旋转。旋转超声加工不但可文中采用ANSYS12．0有限元软件对超声振动系以大大降低切削力、

7、切削热，提高加工精度和工具寿统的换能器、变幅杆进行数值仿真与分析，并探讨超命，而且加工效率高。因此，旋转超声加工可为硬脆声变幅杆的结构形状及几何尺寸与谐振频率、振幅放材料等难加工材料的高精度、高效率、高可靠性、低大倍数的关系，为超声振动系统的结构设计与分析提成本加工提供有力的技术支持。供依据。超声振动系统是旋转超声加工的核心和关键。超1夹心式压电换能器的数值仿真声振动系统主要由换能器、变幅杆、工具等组成，其夹心式压电超声换能器结构如图1所示，主要由作用是将由超声波发生器输出的高频电信号转化为机压电

8、陶瓷、金属后盖板以及金属前盖板三部分组成，械振动能。并通过变幅杆使工具端面做小振幅(大通过预应力螺栓将三者连接起来，整个换能器的长度约为几十微米)的超声频振动，以完成各种超声加等于基波的半波长。收稿日期：2013—10-30基金项目：福建省教育厅A类科技项目(JA11345，JA12446)；厦门城市职业学院重点课题(Ky12—07)作者简介：陈建毅(1979一)，男，工学博士，副教授，主要从事超声电机开发、硬脆材料加工技术的研究。E-mail：jianyi@xmcu．cn。