超声辅助滚压系统的设计与研究*

鉴于风力发电机组主轴的复杂工作情况和疲劳断裂失效形式,提出一种基于表面强化技术的超声辅助滚压加工系统;首先基于运动合成原理,获得了滚轮接触线的运动轨迹特征,并应用ANSYS/LS-DYNA软件分析了加工过程的特点;之后,基于一维振动理论、等效波长理论与牛顿迭代理论,推导了并求解了复合变幅杆的频率方程,实现了该复合变幅杆的纵向振动。通过对该变幅杆进行有限元仿真分析与振动特性测试,结果表明二者相对设计频率的偏差仅在0.817％以内。最后,通过对40Cr主轴进行超声辅助滚压测试,结果获得了粗糙度Ra 0.085μm和表面硬度32.2HRC的加工表面,较普通滚压加工粗糙度降低了69.1％,显微硬度提高了60％。     

带有锥形孔的复合变幅杆设计及动态分析

在超声振动拉丝加工过程中,为了实现线材的顺利拉拔,需要应用带有锥形孔的复合变幅杆。为此,本文基于等效四端网络与传输矩阵法,建立了带锥形孔圆锥变幅杆的传输矩阵,推导出带锥形孔圆锥过渡复合变幅杆的频率方程的一般公式。根据推导出的频率方程,应用区间搜索法和牛顿迭代法获取了准确的数值解,实现了该复合变幅杆的纵向振动。之后,应用有限元软件Ansys对设计出的复合变幅杆分别进行模态分析和动力学特性分析,获得了各段不同长度下复合变幅杆谐振频率、放大系数以及最大应力值的变化规律。最后,对制造出的复合变幅杆进行阻抗与振动性能测试,结果表明其频率准确,且振幅比较稳定。     

超声辅助磨削杯形砂轮变幅器设计与试验*

超声辅助磨削在硬脆材料的加工中应用广泛。为研制以杯形砂轮为加工工具的超声辅助磨削主轴附件式工具系统,建立了杯形砂轮变幅器的理论模型,推导了其频率方程,并通过Matlab开发了杯形砂轮变幅器设计软件。利用该软件结合有限元分析对杯形砂轮变幅器进行了设计。将研制的杯形砂轮变幅器与BT40刀柄一体化外套筒、导电滑环装配组成了杯形砂轮超声辅助磨削主轴附件式工具系统。对该超声振动系统进行了阻抗分析试验及超声谐振试验,结果表明,该超声振动系统阻抗性能较好,能够使杯形砂轮产生稳定的超声振动,验证了所提出的设计方法的正确性,为主轴附件式超声磨削装置的设计提供了理论参考。     

微型轴承内滚道超声辅助超精研磨系统的设计研究*

为了提高5G基站中微型轴承的精度和使用寿命,基于微型轴承外套圈结构特征提出一种超声振动辅助研磨轴承外圈滚道的加工工艺。通过坐标变换及运动合成,获得了振动研磨轴承外圈滚道的工作面轨迹特点,阐明了振动高效研磨的本质特征;之后,分别采用等效电路法和有限分析法,建立了振动系统的等效电路图与频率方程,分析了该系统模型的固有模态与谐响应特性;最后,通过对自行研制的超声辅助研磨系统分别进行振动特性测试和加工效果测试。结果表明,加工系统振动频率相对设计频率的误差率为10‰,超声振幅为12.95μm,加工轴承滚道的粗糙度和轮廓度较传统研磨加工分别降低了27.17%和24.1%。     

纵-扭谐振超声滚压系统设计与试验

为实现6061铝合金高效优质表面强化,采用有限元仿真法优化设计了阶梯型纵-扭谐动变幅杆,设计、制造了一套纵-扭超声滚压试验装置。纵-扭谐动通过检测变幅杆输出端纵向、扭转两个方向的振幅间接验证。进行超声滚压试验,结果表明：相比普通滚压加工,纵-扭谐振超声滚压过试件表层显微硬度最高提高了41%;在所选参数范围内出现随着静压力增大表面显微硬度整体呈现局部变化整体增大趋势,随着转速增加呈现局部变化整体减小的趋势,随着进给量的增大先增大后减小的现象;相比普通滚压加工,纵-扭谐振超声滚压过的工件表面组织更细密光滑,滚痕由于扭振的高频反复挤压明显减少,形貌得到了较大改善,从而证明纵-扭超声滚压加工能更有效的实现6061铝合金的强化处理。     

低温微量超声雾化声学系统

针对低温微量超声雾化声学系统中的关键部件单波长超声雾化喷嘴进行研究。首先基于等效电路原理和传输矩阵法分别建立了带中心孔换能器和带中心孔复合变幅杆的频率方程,并应用数学分析软件获得了准确的数值解,实现了超声雾化喷嘴的全谐振。然后,对其进行有限元动力学分析和振动特性测试,结果表明二者相对于设计频率25 kHz的偏差率在0.6%以内,且空载超声振幅达13.5μm。之后,应用流体仿真分析软件对砂轮-工件磨削区进行流场特性分析,结果表明低温微量超声雾化声学系统可以解决磨削区涡流现象的产生。最后,通过对该系统使用前后两种润滑方式的磨削结果进行测试发现：低温微量超声雾化润滑不仅切削液使用量少,而且可以避免工件表面出现烧伤和硬度降低。     

旋转超声磨削平行砂轮复合变幅器设计与试验*

为了获得大负载平行砂轮复合变幅器的设计方法,将复合变幅器简化为复合变幅杆与多阶环盘组成。利用Mindlin中厚板理论,求解了各振动环盘的位移、转角、弯矩和剪力解析表达式,并通过复合变幅杆各振动单元间的力、位移的边界条件和连续条件,以及复合变幅杆和环盘两者结构间力与位移的耦合条件,建立了复合变幅器的数学模型和频率方程。针对频率方程进行编程求解 ,设计了平行砂轮复合变幅器。通过有限元仿真分析、实物阻抗特性试验、谐振试验验证。试验结果表明：平行砂轮复合变幅器的试际谐振频率、节圆位置与理论设计的误差小于5%,验证了其理论设计方法的正确性。为研制大负载平行砂轮复合变幅器提供了一种有效的设计方法。     

超声滚压中的空化现象*

在超声滚压加工中引入切削液后可能会产生空化现象,由此产生的微射流和冲击波对超声表面强化将有积极作用。为研究超声滚压加工中空化现象是否存在及空化效应在超声滚压中的作用,本文首先分析了超声滚压中的空化阈值,然后进行了染色法试验和超声滚压后试样氧元素能谱分析,最后通过超声滚压加工对比试验研究了空化效应对加工后材料表面粗糙度和显微硬度的影响。研究发现,超声滚压加工中的声压幅值远大于空化阈值,满足空化存在的必要条件;超声滚压中发生了明显的卡纸染色现象,引入切削液后工件超声滚压加工表面氧元素含量显著提高,表明超声滚压中发生了空化现象。超声滚压加工中的空化效应能进一步降低工件表面粗糙度和提高表面显微硬度,有利于提高工件表面强化质量。本研究为空化效应在超声滚压中的积极利用提供了依据。     

性能可调的纵向振动圆锥形超声变幅杆*

提出了一种基于压电效应的性能可调纵向振动圆锥形超声变幅杆,并对其振动性能进行了研究。该变幅杆由传统的圆锥形超声变幅杆和压电陶瓷材料组合而成。论文研究了圆锥变幅杆中压电陶瓷材料的厚度、位置以及电阻抗的改变对变幅杆性能参数的影响,并进行了数值模拟仿真及实验验证。结果表明,通过改变压电陶瓷材料的厚度、位置和电阻抗值,可以实现变幅杆共振频率和位移放大系数的改变。理论计算结果与数值模拟值和实验测试值符合得很好。     

纵-扭复合振动模式指数型复合超声变幅杆的研究

本文对指数型纵－扭复合振动模式的复合超声变幅杆进行了理论及实验研究，该变幅杆由均匀截面直棒及指数型截面杆组成。文中推出了变幅杆中纵向振动及扭转振动的共振频率方程，通过发迹指数型变截面棒的截面变化规律，实现了同一变幅杆中纵向振动与扭转振动的同频共振。     

模式转换型超声塑焊振动系统的设计

基于弯曲振动理论和耦合振动理论,设计了一种新型大尺寸筒形超声塑焊振动系统。该振动系统由纵向振动换能器及变幅杆、弯曲振动金属圆盘和耦合振动圆筒四部分组成。换能器和变幅杆的纵向振动驱动圆盘的二次弯曲模式振动,圆盘的二次弯曲模式振动激励圆筒的纵向模式振动,实现了工具头在较高频率下谐振。实验结果表明,振动系统的测试频率与计算频率比较符合,在大信号下测试的纵-弯-纵振动模式转换效果很好。研究结果为高频大尺寸超声焊接系统的设计提供了思路。      

斜槽式单激励纵扭超声变幅杆设计*

为实现在纵向单激励超声振动输入条件下获得纵扭谐振输出,提出一种基于声波传播理论为基础设计阶梯型变幅杆,并在其小端增加沿中心轴均布6斜槽的圆环传振杆的方案：首先数值计算进行理论设计,然后使用有限元进行分析修正,最后确定变幅杆尺寸。结果表明：理论设计谐振频率20kHz,仿真分析在19457Hz时变幅杆能够实现纵扭谐振;根据仿真结果制作变幅杆,阻抗测试结果谐振频率为19884Hz,与理论值、仿真值误差较小;在输入端加载幅值为5μm的纵向单激励超声振动,测试输出端截面圆周上任意一点,其切向和纵向振幅分别为12.7μm和8.5μm,表明变幅杆实现了纵扭谐振且振幅增强。     

超声振动系统的纵-弯和扭-弯复合振动

对超声变幅杆以及变幅杆与夹心换能器组成的振动系统的纵－弯和扭－弯复合振动进行了研究．变幅杆是任意变截面杆,弯曲振动分析是基于Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ理论．理论结果进行了实验验证．     

非谐环盘及变幅杆组成的变幅器动力学特性研究

为了解决齿轮超声加工振动系统的设计问题,将齿轮简化为环盘,根据环盘及变幅杆的力耦合条件、边界条件及动力学方程,推导了非谐环盘及变幅杆组成的变幅器的频率方程,并利用其设计了变幅器,实验证明:变幅器的谐振频率与理论设计结果基本一致.该理论方法使变幅器由全谐振设计拓展到非谐振设计.     

超声变幅杆的超声精密加工

本文探讨了超声变幅杆的精密加工．作者研制了双刀反间进给超声车削装置和单刀正向进给超声车削装置，采用了具有频率跟踪系统的晶体营型超声波发生器．超声车削设备连续140min工作时，频率漂移量只有29HZ，最高温度只有38℃．试验结果表明，加工精度可达IT7－ITS，表面粗糙度几可达0．4－0．8m，加工效率提高15倍，有效地解决了超声变幅杆的精密加工难题．     

微织构超声振动铣削系统的研究

为了在金属切削过程中在7075铝合金表面形成稳定的微织构以提高其服役性能，提出一种微织构超声铣削加工工艺。为此，该文 首先基于运动合成原理获得了刀尖的运动轨迹特征和工件表面的织构形貌特征。然后，基于等效电路原理和传输矩阵法建立了超声铣削系统的频率方程，并应用牛顿迭代法获得了准确的数值解，通过ANSYS软件对建立的超声振动系统分别进行模态分析和谐响应分析，获得了具有微织构特征的纵扭复合超声铣削系统。最后，对加工制造出的微织构纵扭复合超声铣削系统进行振动测试、切削力测试和加工测试，结果表明：工件表面形成的“鱼鳞网纹”微观织构能够改变其润湿性能。     

大尺寸矩形断面超声变幅杆固有频率的研究

超声变幅杆是功率超声技术中换能器振动系统的一个重要组成部分,本文利用表观弹性法研究了大尺寸矩形断面超声变幅杆的耦合振动,推出了常用的几种单一变幅杆(指数形,圆锥形,悬链线及阶梯形)的频率设计公式,为大尺寸矩形变幅杆的频率设计及计算提供了一种简单易行的方法,实验表明,利用本文公式设计的大尺寸矩形断面变幅杆,实测共振频率与理论计算频率基本一致,与一维振动理论的结果相比,利用耦合振动理论得出的变幅杆共振频率更加接近于测量值。     

基于ABAQUS的微细电火花超声振动主轴 仿真研究*

微细电火花技术凭借自身的特点和优势,在航空航天、医疗器械等领域发挥着重要的作用。超声振动辅助电火花加工在传统电火花加工中引入超声振动,加工精度和加工效率明显提高。作为核心部件,超声振动主轴的设计尤为重要。但传统设计过程,大大延长了研发周期和增加了成本,,因此,采用仿真方式进行研究具有重要的意义。本文对设计的微细电火花超声振动主轴的进行了仿真研究,通过ABAQUS进行了模态分析和谐响应分析,得到了超声振动主轴的谐振频率和输出振幅等参数。超声振动主轴的测试实验验证了仿真结果的正确性。     

圆锥型复合变幅杆优化及动力学特性

针对应用传统解析法设计复合变幅杆过于繁琐的问题,提出采用简便、有效的微积法对圆锥复合变幅杆进行设计,之后通过Ansys软件对其结构进行有限元分析。此外,基于Ansys优化设计功能对变幅杆进行优化修整,对优化前后变幅杆进行阻抗分析和振动性能测试,测试结果表明优化后变幅杆振动效果更佳。最后,应用Ansys软件对变幅杆进行动力学特性分析,得到了不同直径、不同面积系数下变幅杆放大系数、最大应力值,并对仿真结果进行分析后得出了其动力学参数与大端直径及面积系数之间的关系。     

新型柱孔式模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统*

为了改善基于螺旋槽结构和斜槽结构的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统存在的结构复杂、扭转分量较小等问题,论文提出了基于新型柱孔式复合变幅杆的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统,并利用有限元法和数据分析对其进行了仿真分析,结果表明,引入新型柱孔式复合变幅杆的系统的输出端面的剪切应力、旋转角度得到了大幅提升,能够有效地提高纵、扭振动的转换效率。