超聲振動設備的研制

王翠 吳慶玲 孫江波 荊強 孫敏

摘 要：硬脆材料在科技迅速發展下由于它獨特的優點而受到關注。其中石英玻璃是一種非常重要的硬脆材料，利用其透光性高的特點可以制造出光學鏡片，而且很多腔體產品也基本是石英玻璃制造的，超聲振動是一種有效加工石英玻璃的方法。本文對超聲振動砂帶磨削的組成進行分析，并對其重要部件變幅桿及其加工工具進行了理論設計、仿真分析及結構優化。

關鍵詞：超聲振動;振動裝置;變幅桿;砂帶磨削

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.027

1 超聲振動砂帶磨削系統的組成

超聲振動砂帶磨削系統主要由三個部分組成，分別為：超聲振動系統、砂帶進給系統和機床，在此系統的工作進程中，此系統有一個核心部件，那就是超聲波變幅桿，此裝置可以改變振幅和速度，可以放大換能器所輸出的速度與振幅。加工情況的好壞取決于變幅桿的性能。所以需要對變幅桿和它配套的加工工具進行分析和設計。本文先對變幅桿進行設計，采用了解析法，之后利用ANSYS軟件對變幅桿進行分析，再對其進行優化設計。

2 變幅桿裝置的理論分析和設計

2.1 變幅桿的理論分析[1]

首先建立模型，對模型進行簡化從而方便研究，可以對以下內容進行假設：應力應該均勻分布在橫截面上;變幅桿由各向同性、均勻的材料構成;加工時產生的縱向振動沿著軸向傳播，忽略機械損耗的影響。

2.2 安裝有加工工具的變幅桿的分析設計

為了使石英玻璃能夠固定安裝，在橫向超聲波變幅桿需要安裝一個矩形截面塊，為了安裝砂帶，在縱向超聲波變幅桿需要安裝一個圓柱形狀工具頭，因此需要對圓柱形狀的工具頭和矩形截面塊進行分析設計。選取加工時所需要的工作頻率為28KHz，變幅桿材料是45號鋼。由于階梯型變幅桿有制作成本低、加工方便、結構簡單等優點，因此本文選取階梯變幅桿進行設計分析。

2.2.1 階梯變幅桿設計與分析

在仿真分析中，對直徑大的端處加上軸向振動為6的振幅，在直徑小的端處輸出13.9的振幅，可以計算出放大倍數為13.9/6=2.3。變幅桿的六階模態分析結果如下：振動頻率是一階振型21.736KHz、二階振型21.732KHz、三階振型22.236KHz、四階振型28.131KHz、五階振型28.762KHz、六階振型28.764KHz。可以得出前兩階變幅桿直徑小的那端發生扭轉，在第三階狀態下產生橫向振動，不符合本實驗需要的振型，第五階，第六階狀態的變幅桿的兩端產生扭轉現象。而在第四階振型中，中間的法蘭處無位移，并且變幅桿輸出的位移最大，共振頻率是28.131KHz，與一開始設置的振動的頻率相似，誤差比較小，此分析符合要求，比較合理。

對四階振型的放大倍數繼續進行分析，得出仿真結果如下：通過仿真分析，可以得出放大倍數為2.346倍，而頻率并沒有改變，可以得出結論，增加一個法蘭盤會阻礙變幅桿的放大作用，會使放大作用減小，放大的倍數與理論值更加的接近。通過上述仿真可以得出，雖然輸出的振幅和變幅桿自身的放大倍數有直接關系，但是我們可以通過調節輸入功率，來達到改變振幅的目的。所以我們要重點關注頻率的設計，這與變幅桿的設計有著直接的關系。

2.2.2 加工工具的設計分析

因為輸入端的面積和階梯形變幅桿輸出端的面積不能差太多，所以設定矩形的變幅桿兩端面的高和寬都為25。兩端輸出的位移相同，可知放大倍數為1，中間無位移，共振頻率的相對偏差為0.268%，形狀因數為1，符合設計的結果。

同理，對圓柱形工具頭分析，其輸入端的面積與階梯形變幅桿輸出端的面積也不能差太多，可設圓柱形的工具頭直徑是25。計算可知圓柱形工具頭的共振長度=92，位移節點為。

由于工件要進行磨削過程，所以依據這種過程需設計一個磨削頭，可以使砂帶的使用方便，并且在砂帶在工作的過程中不容易脫落。可以設計如下的磨削頭結構：首先磨削頭上端有一個半圓形結構，可以用于磨削過程，同時中間有兩個槽固定砂帶，可防止其在工作過程中脫落，同時底部有螺紋，用來和另一端連接。

仿真計算值和理論值的誤差為0.034%，由于圓形處和矩形處截面大小不同，不能重合，可以放大了2.45倍，計算誤差小，結構符合要求。通過仿真分析，可以知道此桿的放大倍數為7.489/5=1.49，變幅桿的放大作用主要由圓柱形的頭所影響，且影響很大，所以需要重新對圓柱形的頭進行設計。

由前文對變幅桿的設計分析，變幅桿的放大倍數主要由圓柱形兩端截面面積的比值所決定，比值變大，可知放大的倍數也隨之增大，而且為了使力能連續傳遞，我們要減小小圓柱的截面面積，同時保證前后的比值符合要求，選擇小端截面直徑為20。

3 結論

本文分別對圓柱形復合變幅桿以及矩形復合變幅桿進行了設計和優化，從而使石英玻璃安裝方便，更加便于砂帶的安裝和工作。

本文先通過設定參數，利用縱向振動理論對變幅桿，圓柱形的工具頭，矩形的截面進行了設計，使用ANSYS分析軟件首先對這些部分進行分析，之后將它們裝在一起，并對裝配后的零件進行分析，設計，優化，最后得到了滿意的設計方案。

參考文獻：

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本項目受到吉林省教育廳“十三五”科學技術研究規劃項目資助（JJKH20170288KJ）

作者簡介：王翠（1983-），女，黑龍江綏化人，碩士，講師，主要研究方向：飛行器設計和精密加工方面。