一种大振幅纵扭超声复合振动变幅杆的设计方法

技术领域

本发明属于纵扭超声振动变幅杆设计领域，具体是一种大振幅阶梯型圆锥过渡变幅杆的设计方法。

背景技术

随着芳纶蜂窝复合材料在航空航天、国防的需求日益增多，超声振动辅助铣削技工技术得到广泛的应用。而超声变幅杆作为超声振动系统的重要组成部分，主要是对换能器转换的振动进行放大以达到加工所需；目前，复合振动超声变幅杆的研究逐步壮大，但是出现转换出的扭转振幅比较小的缺陷；因此，本发明提出一种在超声变幅杆圆锥过渡段开设螺旋槽与在圆柱小端开设斜槽并通过改变螺旋槽角度和斜槽倾斜角将这两种结构产生的振动以相同的频率进行共振，进而输出较大纵扭振幅的设计方法，达到生产所需。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：改善现有技术产生纵扭振幅较小的问题，不能达到生产所需，提出一种设计合理、结构紧凑、能够实现最大纵扭振幅比例且加工效率较高的大振幅纵扭超声复合振动变幅杆的设计方法。

本发明的设计方案是：

基于上述目的，本发明提供一种大振幅纵扭超声复合振动变幅杆的设计方法，在变幅杆的发射端的圆锥过渡段开设可变螺旋槽，在发射端的末端圆柱上开设斜槽，通过调整螺旋槽参数及其斜槽的倾斜角度使其以相同的频率共振，通过有限元分析软件对其进行仿真，得出最合适的纵扭振动幅值，并且将发射端设计成对称结构以方便找出法兰盘所在的位置（即纵扭共振的共同节点），本发明的对称结构可减小能量的损耗；由于变幅杆上装夹不同材料、形状、直径、长度的刀具，对其谐振频率都会有影响，所以此对称结构可以通过在另一边装夹不同的配重块来补偿因装夹不同刀具时所带来的谐振频率的变化值，从而实现装夹不同刀具时，超声振动装置谐振频率、振动模态及振形的一致性。

变幅杆为阶梯型圆锥过渡复合变幅杆，在变幅杆的发射端的圆锥过渡段开设可变螺旋槽，在发射端的末端圆柱上开设斜槽，通过调整螺旋槽参数及其斜槽的倾斜角度使所述两种结构产生的扭转振动以相同的频率共振，进一步增大复合振动中的扭转分量，并通过所设计成对称结构来保证法兰安装位置。

在发射端大圆柱上开设与连接杆配合的螺纹结构，用连接杆将发射端、压电陶瓷片及变幅杆进行螺纹连接；在发射端的末端开设与刀具装夹配合的螺纹结构。

螺旋槽和斜槽的形式：螺旋槽和斜槽的宽度b和深度h设计为定值，改变螺旋角的结构参数，而斜槽的倾斜角度设计为定值，或者是螺旋角设计为定值，再根据有限元软件将斜槽的倾斜角度进行调整，选择共振振幅最佳的。

一种大振幅纵扭超声复合振动变幅杆,包括超声发射端、压电陶瓷、连接杆和变幅杆，所述变幅杆发射端的圆锥过渡面设计螺旋槽，末端小圆柱处设计与之配合的具有倾角的斜槽，通过改变螺旋槽的螺旋角和斜槽的倾角来产生不同比例的纵扭振动振幅，并且所述对称变幅杆中与刀具相对应的位置设有配重块，通过改变配重块的材料、形状来补偿装夹不同刀具时谐振频率的波动值，从而实现装夹不同刀具时出现的谐振频率、振动模态及振型的一致性。

所述变幅杆为阶梯型圆锥过渡复合变幅杆，在其圆锥过渡段开设所述螺旋槽结构与在小圆柱段开设同一旋向的斜槽；或者，将所述变幅杆的圆锥过渡段开设螺旋槽的旋向与小圆柱端开设斜槽的旋向做成相反的结构，将螺旋槽所产生的扭转振动与小圆柱端斜槽所产生的扭转振动的频率相同或许相差不大，则这两个结构将以相同的频率共振，扭转振动进一步加大，实现大振幅的目的。

所述的对称结构是在大圆柱端的上端开设螺纹连接结构，通过带有轴肩的高强度螺纹连接杆将两端的变幅杆、压电陶瓷和法兰盘连接起来。

相比现有技术，本发明的有益效果是：

本发明将纵向极化的压电陶瓷所产生的纵向振动输出到变幅杆，变幅杆将纵向振动的一部分通过圆锥过渡段的螺旋槽结构和小圆柱端的倾斜槽转换成扭转振动，当通过这两种结构产生的扭转振动的频率相差不大或相同时，在变幅杆上将会以相同的频率共振；发射端的结构阻尼会造成输出端的纵向振动与扭转振动产生相位差，从而实现大振幅的纵扭复合振动，而改变螺旋槽的角度与小圆柱端斜槽的倾角会实现最佳的纵扭振动幅值。

本发明将阶梯型变幅杆与圆锥形变幅杆复合起来，优势互补，形成圆锥过渡阶梯型复合变幅杆，其结构尺寸满足“四分之一波长”设计要求，在保证较大放大系数同时，还保证变幅杆输出端有较高的振动振幅。

本发明在使用不同刀具时，超声振子的质量会发生改变，通过对称结构部分装夹不同材料，形状的配重块，来补偿更换不同刀具时的频率的波动，从而实现装夹不同刀具杆时，超声振动装置的谐振频率、振动模态及振型等不发生改变，进而提高装置的通用性。

本发明在圆锥段及小圆柱段设计螺旋槽和斜槽结构将纵向振动转换成纵扭振动，通过改变螺旋槽的螺旋角和斜槽的倾角以及它们的宽度、深度和旋向等参数，可以更好的实现生产所需的大振幅。

本发明对换能器和变幅杆的进行一体化设计，设计合理、结构紧凑、实用性强，提高振幅输出，能达到生产所需，具有良好的经济效益。

附图说明

图1为本发明大振幅纵-扭复合超声振动变幅器的结构示意图；

图2为本发明的装配结构示意图；

图3为图1所示变幅器的轴向剖面图；

图4为本发明圆锥段螺旋槽结构示意图；

图5为本发明小圆柱段斜槽结构示意图；

图6为本发明对称结构示意图；

图7为本发明纵扭复合变幅杆；

图中：1、带有螺旋槽和斜槽的变幅杆；2、换能器；3、法兰盘；4、刀具杆；5、配重块；6、连接杆；7、压电陶瓷片。

具体实施方法:

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地描述。

结合图2的一种大振幅纵扭超声振动装置，包括在圆锥过渡面设有螺旋槽和在小圆柱面设有斜槽的变幅杆1、换能器组件2、法兰盘3、（用于节点固定位置）刀具组件4、配重块5、连接杆6、压电陶瓷7，其中在变幅杆1的圆锥过渡段外表面上开设螺旋槽，在小圆柱端开设斜槽结构，改变螺旋槽和斜槽的参数，如螺旋角、槽宽b、槽深h、倾斜角等参数来改变纵扭振动幅值，通过连接杆来连接法兰盘和对称结构两端的压电陶瓷和变幅杆等；由于装夹不同材料、、形状、直径的刀具杆时，会对系统的谐振频率、振型等产生不同的程度影响，通过调整对称结构中配重块的材料，形状来补偿因装夹不同刀具杆时频率的波动值，进而消除刀具杆的因素对谐振频率的影响。

变幅杆为阶梯型圆锥过渡复合变幅杆，在变幅杆的发射端的圆锥过渡段开设可变螺旋槽，在发射端的末端圆柱上开设斜槽，通过调整螺旋槽参数及其斜槽的倾斜角度来使变幅杆产生的扭转振动以相同的频率共振，进一步增大复合振动中的扭转分量，并通过所设计成对称结构来保证节点位置。

本发明中，所述大振幅纵扭超声振动复合变幅杆加工装置通过法兰盘3将其与主轴进行连接，尽可能精确的保证同轴度及连接稳定性，刀具与变幅杆和连接杆与变幅杆之间通过螺纹孔连接。

本发明由超声波发生器、带螺旋槽和斜槽的阶梯型圆锥过渡复合变幅杆1、夹心式纵振换能器2等结构组成，采用纵向极化的压电陶瓷，通过在变幅杆上开设螺旋槽和斜槽的方法实现振动模态的转化，由于螺旋槽和斜槽对声波有反射和折射的作用，当经过螺旋槽和斜槽的声波发生反射且频率相同或相差不大时，会以相同的频率进行共振，进一步加大振幅，实现大振幅的输出。

结合ANSYS有限元分析软件的模态分析和谐响应分析，通过调整变幅杆的长度、直径、螺旋槽和斜槽的螺旋角、宽度、深度等结构参数，优化模型的结构，验证结构设计的合理性；结合有限元分析结构，设计出纵扭方向的最佳转换和输出。

由于在数控铣床上面安装，所述纵扭转换装置使用空间较小，将所述结构的变幅杆和换能器设计成一体化结构；压电陶瓷片预应力3000-3500N/cm2，根据压电陶瓷片的面积和联接螺栓的横截面积，计算一体式纵扭复合变幅器的预紧力，并通过测力矩扳手施加预紧力，进一步保障结合面间紧密贴合。

要求各结合面精磨，达到粗糙度要求；相邻压电陶瓷片纵向极化方向相反，压电陶瓷片净化后采用专业粘合剂粘合，并进行老化处理。