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杯形工具变幅杆振动系统研制

张冠英  
【摘要】:超声波加工已广泛应用于各种工程领域,并且在半导体和不导电非金属硬脆材料的精密加工中,体现出了普通加工无法比拟的工艺优越性。超声振动磨削加工是超声加工方法中的一种,其与传统磨削加工相比在提高材料去除率、提高工件表面加工质量等方面具有十分显著的优势。 杯形磨削工具在硬脆材料加工中具有十分广泛的应用,例如可用于平面的超声辅助磨削加工、大直径孔和圆柱棒料的套料加工等,但其尺寸通常较大且形状较为复杂,对超声系统的振动状态影响较大。因此,为了获得准确的超声系统谐振频率、稳定均匀的超声振幅输出,将杯形磨削工具与变幅杆进行一体化设计。 本文基于超声波纵弯模态转换,对杯形工具变幅杆振动系统进行了理论设计、有限元仿真、振动状态验证试验以及设计仿真软件的开发,主要工作及研究内容如下: 1.结合杯形工具变幅杆振动系统的结构特点,对超声波在中间段薄圆盘中的振动模态进行分析,推导出描述薄板弯曲振动模态的位移方程,并进一步分析得出超声波在系统中的模态转换形式,以此为基础并结合系统三段的位移函数以及相应的边界条件,通过变幅杆的传统设计法推导出杯形工具变幅杆振动系统的频率方程,并带入预设的已知材料属性参数与尺寸参数对系统进行了理论设计。 2.利用大型通用有限元分析软件ANSYS对理论设计的杯形工具变幅杆振动系统进行有限元仿真分析,建模参数为预设的材料属性参数及利用所推导频率方程计算出的系统尺寸参数,有限元分析类型选择模态分析,仿真出的振动系统振动状态良好,振幅放大作用明显,仿真频率(22370Hz)与理论设计频率(25000Hz)较为接近,验证了系统的模态转换理论。 3.搭建杯形工具变幅杆振动系统振动状态验证试验平台,试验平台由超声波发生器、压电陶瓷超声换能器、杯形工具变幅杆振动系统、激光位移传感器以及示波器组成。试验测量结果显示,系统输出端面振幅为6μm,系统谐振频率为20223Hz,略低于有限元仿真频率22370Hz,系统振动状态良好,输出端面振幅均匀,与理论设计与有限元仿真分析结果符合的很好。 4.基于MATLAB与ANSYS的联合调用,开发了一款变幅杆设计软件,软件主要用于对杯形工具变幅杆振动系统及常用的各种类型变幅杆进行理论设计与有限元仿真分析,软件界面友好,操作简便,功能强大。


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