超声振动设备的研制

王翠 吴庆玲 孙江波 荆强 孙敏

摘 要：硬脆材料在科技迅速发展下由于它独特的优点而受到关注。其中石英玻璃是一种非常重要的硬脆材料，利用其透光性高的特点可以制造出光学镜片，而且很多腔体产品也基本是石英玻璃制造的，超声振动是一种有效加工石英玻璃的方法。本文对超声振动砂带磨削的组成进行分析，并对其重要部件变幅杆及其加工工具进行了理论设计、仿真分析及结构优化。

关键词：超声振动;振动装置;变幅杆;砂带磨削

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

1 超声振动砂带磨削系统的组成

超聲振动砂带磨削系统主要由三个部分组成，分别为：超声振动系统、砂带进给系统和机床，在此系统的工作进程中，此系统有一个核心部件，那就是超声波变幅杆，此装置可以改变振幅和速度，可以放大换能器所输出的速度与振幅。加工情况的好坏取决于变幅杆的性能。所以需要对变幅杆和它配套的加工工具进行分析和设计。本文先对变幅杆进行设计，采用了解析法，之后利用ANSYS软件对变幅杆进行分析，再对其进行优化设计。

2 变幅杆装置的理论分析和设计

2.1 变幅杆的理论分析[1]

首先建立模型，对模型进行简化从而方便研究，可以对以下内容进行假设：应力应该均匀分布在横截面上;变幅杆由各向同性、均匀的材料构成;加工时产生的纵向振动沿着轴向传播，忽略机械损耗的影响。

2.2 安装有加工工具的变幅杆的分析设计

为了使石英玻璃能够固定安装，在横向超声波变幅杆需要安装一个矩形截面块，为了安装砂带，在纵向超声波变幅杆需要安装一个圆柱形状工具头，因此需要对圆柱形状的工具头和矩形截面块进行分析设计。选取加工时所需要的工作频率为28KHz，变幅杆材料是45号钢。由于阶梯型变幅杆有制作成本低、加工方便、结构简单等优点，因此本文选取阶梯变幅杆进行设计分析。

2.2.1 阶梯变幅杆设计与分析

在仿真分析中，对直径大的端处加上轴向振动为6的振幅，在直径小的端处输出13.9的振幅，可以计算出放大倍数为13.9/6=2.3。变幅杆的六阶模态分析结果如下：振动频率是一阶振型21.736KHz、二阶振型21.732KHz、三阶振型22.236KHz、四阶振型28.131KHz、五阶振型28.762KHz、六阶振型28.764KHz。可以得出前两阶变幅杆直径小的那端发生扭转，在第三阶状态下产生横向振动，不符合本实验需要的振型，第五阶，第六阶状态的变幅杆的两端产生扭转现象。而在第四阶振型中，中间的法兰处无位移，并且变幅杆输出的位移最大，共振频率是28.131KHz，与一开始设置的振动的频率相似，误差比较小，此分析符合要求，比较合理。

对四阶振型的放大倍数继续进行分析，得出仿真结果如下：通过仿真分析，可以得出放大倍数为2.346倍，而频率并没有改变，可以得出结论，增加一个法兰盘会阻碍变幅杆的放大作用，会使放大作用减小，放大的倍数与理论值更加的接近。通过上述仿真可以得出，虽然输出的振幅和变幅杆自身的放大倍数有直接关系，但是我们可以通过调节输入功率，来达到改变振幅的目的。所以我们要重点关注频率的设计，这与变幅杆的设计有着直接的关系。

2.2.2 加工工具的设计分析

因为输入端的面积和阶梯形变幅杆输出端的面积不能差太多，所以设定矩形的变幅杆两端面的高和宽都为25。两端输出的位移相同，可知放大倍数为1，中间无位移，共振频率的相对偏差为0.268%，形状因数为1，符合设计的结果。

同理，对圆柱形工具头分析，其输入端的面积与阶梯形变幅杆输出端的面积也不能差太多，可设圆柱形的工具头直径是25。计算可知圆柱形工具头的共振长度=92，位移节点为。

由于工件要进行磨削过程，所以依据这种过程需设计一个磨削头，可以使砂带的使用方便，并且在砂带在工作的过程中不容易脱落。可以设计如下的磨削头结构：首先磨削头上端有一个半圆形结构，可以用于磨削过程，同时中间有两个槽固定砂带，可防止其在工作过程中脱落，同时底部有螺纹，用来和另一端连接。

仿真计算值和理论值的误差为0.034%，由于圆形处和矩形处截面大小不同，不能重合，可以放大了2.45倍，计算误差小，结构符合要求。通过仿真分析，可以知道此杆的放大倍数为7.489/5=1.49，变幅杆的放大作用主要由圆柱形的头所影响，且影响很大，所以需要重新对圆柱形的头进行设计。

由前文对变幅杆的设计分析，变幅杆的放大倍数主要由圆柱形两端截面面积的比值所决定，比值变大，可知放大的倍数也随之增大，而且为了使力能连续传递，我们要减小小圆柱的截面面积，同时保证前后的比值符合要求，选择小端截面直径为20。

3 结论

本文分别对圆柱形复合变幅杆以及矩形复合变幅杆进行了设计和优化，从而使石英玻璃安装方便，更加便于砂带的安装和工作。

本文先通过设定参数，利用纵向振动理论对变幅杆，圆柱形的工具头，矩形的截面进行了设计，使用ANSYS分析软件首先对这些部分进行分析，之后将它们装在一起，并对装配后的零件进行分析，设计，优化，最后得到了满意的设计方案。

参考文献：

[1]孙涛.正弦形复合变幅杆的设计及其动力学分析[D].太原理工大学，2015.

[2]张可昕.基于有限元的超声复合变幅杆的动力学分析及优化设计[D].北方工业大学，2012.

[3]郭晓健.超声振动辅助砂带磨削技术的研究[D].吉林大学， 2017.

[4]李虹，韩霄.细长轴闭式砂带磨削表面粗糙度的试验研究[J]. 机械设计与制造，2014（01）：50-52.

[5]Shi Z，Malkin S.Wear of electroplated CBN grinding wheels[J].Journal of manufacturing science and engineering， 2006，128（01）：110-118.

本项目受到吉林省教育厅“十三五”科学技术研究规划项目资助（JJKH20170288KJ）

作者简介：王翠（1983-），女，黑龙江绥化人，硕士，讲师，主要研究方向：飞行器设计和精密加工方面。