超聲變幅桿的理論設計與ANSYS仿真分析

山西中北大學山西省先進制造技術重點實驗室　　常小龍

超聲變幅桿的理論設計與ANSYS仿真分析

山西中北大學山西省先進制造技術重點實驗室常小龍

本文以超聲波的傳播原理為理論基礎，根據牛頓定律得到變截面桿縱振動的波動方程。并由此計算了圓錐階梯型復合超聲變幅桿的尺寸，并用ANSYS軟件對所設計的變幅桿進行模態分析及諧響應分析，驗證了理論設計的合理性。

超聲變幅桿 ；ANSYS模態分析；諧響應分析

在超聲波加工中，變幅桿作為一個重要的部分，主要起兩個作用，即把放大振幅和超聲振動傳遞給負載［1］。超聲波引起變幅桿內各質點按正弦規律沿超聲的傳遞方向在原地做往復振動，并傳導到工具端面，使工具端面做超聲頻振動［2］。

1　超聲加工的原理

由超聲波發生器將220V或380V的交流電轉換成有一定功率輸出的超聲頻電震蕩信號傳遞給換能器，再由換能器將高頻震蕩信號轉換成高頻機械振動后傳遞給變幅桿，經變幅桿將振幅放大后（0.05～0.1mm）傳遞到工具頭，利用工具頭在有磨料的液體介質中產生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產生的氣蝕作用來去除材料［3］。

2　變幅桿的設計

2.1理論設計

超聲換能器壓電陶瓷在電場的作用下的伸縮為0.005～0.01mm，加工中要求工件或者刀具的振幅必須達到0.01～0.02mm［4］，必須對振幅進行擴大，因此變幅桿的設計成為實驗的關鍵，通過比較不同截面形狀變幅桿縱向振動的固有頻率和理論頻率，試驗需要有較大放大系數且穩定性好的變幅桿，考慮設計圓錐階梯式的復合變幅桿。……