超声椭圆振动换能器有限元动力学仿真研究

【摘要】：超声椭圆振动切削技术使刀具以椭圆振动轨迹对工件进行切削,它的的引入使切削过程带来了一系列优良的工艺效果,提高了加工精度。本文采用理论建模、软件分析和实验研究相结合的方法,对超声椭圆振动换能器系统的振动过程进行了深入的动力学仿真研究。通过分析压电陶瓷材料的特性及压电换能器的数学模型,研究了纵向压电式换能器的工作原理和研制方法。利用ANSYS中关于压电耦合体的有限元分析理论,对夹心式换能器进行了有限元模态分析,观察了换能器的振型、变形、位移分布状态,结果表明换能器的分析频率与理论设计频率基本吻合;通过力学分析阐述了一种由椭圆振动杆与纵向换能器组成的纵弯复合椭圆振动换能器系统的工作原理;利用ANSYS对椭圆振动杆施加正弦交流振动位移对振动杆进行了动力学仿真,同时进行了谐响应频率特性分析,研究表明椭圆振动杆的弯曲振动与纵向振动响应之间存在一定的相位差,验证了形成椭圆振动的条件。通过对贴片式双弯曲椭圆振动换能器在双激励情况下的振动轨迹进行动力学仿真,从仿真的角度得出双弯曲椭圆振动换能器在外部激励信号作用下可以产生椭圆振动响应。最后通过实验测量了压电换能器处于振动振幅最大时的频率,测量结果与有限元模态分析时的固有频率较接近;同时验证了由椭圆振动杆可以实现由单一纵向振动向纵弯复合椭圆振动的转换。