超声变幅杆设计资料.docx

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
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。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，使其在谐振频率工作提高了电声转换效率，有效降低了超声波换能器的发热量，提高使用寿命。
1.2超声变幅杆的发展及国内外研究动态
最初，为了高强大功率超声波的应用，在上世纪40年代发明了纵振指数型变幅杆。50年代原苏联学者又提出了悬链线型变幅杆和多级组合变幅杆。60年代提出了描述变幅杆形状因数的概念，并发展了一种应力沿杆件均匀分布的高斯型变幅杆，获得了高位移振幅。森荣司提出振动方向变换器，开辟了用变幅杆件功率合成方法获得高强特大功率(50KW以上)超声的途径。上世纪80年代森荣司等又提出夹心弯曲换能器结构。90年代根本佐久良雄等人则提出了夹心扭转换能器结构，大大推动了超声变幅杆的发展。随后又出现了弯曲振动变幅杆和扭转振动变幅杆，扩大了工业应用范围。除了以上杆件形状外，在大功率超声冷拔丝、管等应用中出现了等厚度或变厚度的盘形或环形聚能器；在超声焊接、切割中又出现了大型块状变幅杆件。
按照振动类型，可分为纵振、扭振、弯振以及复合振动(纵弯、纵扭、弯扭)，四类。在功率超声的加工和处理应用中，纵振型应用最为普遍。从单一变幅杆的母线形状来分类，又可分为阶梯、指数、悬链线、圆锥、高斯、傅里叶、余弦等类型，若将这些单一形状变幅杆组合起来进行设计，则是复合型变幅杆。按其功能来分，又可分为二分之一波长和四分之一波长两种。虽然分类较多，但纵振、扭振和弯振变幅杆的设计都是从其相应的振动方程出发，设计过程及步骤都是一样的。超声波变幅杆被广泛应用于化工、石油、塑料焊接、金属焊接、打孔、车削、清洗、机械加工等诸多领域。
对超声波变幅杆设计方面的研究进展主要有：陕西师范大学的Shuyulin研究了超声指数形变幅杆在纵向扭转时的能量传播特性曲线，以及对指数衰减系数的选择。现在有限元模型已被用来设计轴对称形状的变幅杆。K.H.W.Seah，Y.S.Wong和L.C.Lee等人用有限元方法分析变幅杆的固有频率，在此基础上设计变幅杆的形状使其更接近固有频率。埃及学者S.G.Amin,M.H.M.Ahmed，H.A.Youssef提出了用有限元ANSYS软件对双锥形变幅杆进行分析，采用的是面单元进行，得出了不同的端面处的应力值与振幅值，为选择最佳的变幅杆外形提供了一种方法。大连理工大学的赵福令等人推导出安装简单工具的双曲过渡形复合变幅杆频率方程和放大系数的一般公式。并讨论了超声波加工工具对复合变幅杆谐振性能的影响。廖华丽等人研究了功率超声变幅杆在有负载情况下的速度波、力波和功率传递的特性，从理论上进行了研究并得到了一些相关结论。综合变幅杆设计方面的文献，有限元方法己经被用来设计变幅杆[1]。
1.3课题研究的依据和意义
二分之一波长的纵振变幅杆有多种设计方案：
①传统解析法
②等效电路法
③替代法(机械阻抗相等法)
④传输矩阵法
⑤有限元法
⑥其他方法：变幅杆设计方法还有传输线法、分段趋近法、表观弹性法等
本课题主要是利用解析法完成对阶梯形、圆锥形、指数形三种类型超声变幅杆的设计。其意义在于比较上述三种变幅杆各自的优缺点，从而对变幅杆的理论设