超声变幅杆外文翻译.docx
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超声变幅杆外文翻译
毕业设计（论文）外文文献翻译
毕业设计（论文）题目
超声变幅杆及其性能参数测试平台设计
翻译题目
超声加工中超声变幅杆的设计
学院
机械工程学院
专业
机械设计制造及其自动化
姓名
班级
学号
指导教师
超声加工技术中超声变幅杆的设计
摘要：
许多工业的应用领域和生产技术都基于超声波的应用。
在许多情况下，超声现象也运用于加工材料的工艺流程中。
使超声加工技术起作用的设备主要元件就是超声变幅杆，也就是所谓的超声波发生器。
超声波设备尤其是超声加工设备的性能取决于超声变幅杆外形的合理设计。
本文展示了不同几何形状的超声变幅杆的动态特性。
对各种不同形状的超声变幅杆的几何参数特性（固有频率、振动形态）都进行了分析。
模态分析的模型是用有限元（FEM）数字模拟的方法实现的。
本文也展示了各种超声变幅杆的可比参数。
©2010西波西米亚大学版权所有
关键词：
超声波；超声加工技术；模态特性；超声变幅杆；纵向振动；有限元理论
1.绪论
超声现象的使用在许多工业应用中日趋增多。
超声波振动被应用于各个生产领域且有较好的效果，例如：
超声波清洗，塑料焊接，等等。
且已经被证明在其他许多应用中有很好的作用。
这些应用包括汽车、食品加工、医疗、纺织和材料连接，且主要应用于加工制造业。
性能和质量的显著提升是通过在加工工艺中使用超声振动实现的。
超声振动能量在加工技术中的应用是由两种不同的途径实现的。
第一种途径，称为超声波加工，是基于材料去除的研磨原理。
刀具的一端连接在变幅杆上，制成精确的外形对工件进行研磨。
第二种方法是基于超声波辅助加工的普通加工技术。
超声波振动被直接传递到切割工具上，直接运用于切割过程中。
这些技术被应用于高精密加工和韧性材料还有难切削材料的加工，如高碳钢，镍基合金，钛铝—碳化硅金属基复合材料。
反复的高频振动冲击模式带来了一些独特的性能并被改进成金属切削工艺[2，5，9，10]，其中工件和刀具之间的相互作用被看成是一个微振动的过程。
超声波振动能量在加工过程中的应用带来了许多好处和切割工艺的改进。
据报道，在最近公开的研究工作中，切削工具的高频超声波振动已显著降低切削力和刀具磨损，表面光滑度达到了25—40%，圆度改善达到40—50%。
在切割低碳合金钢时，超声波振动装置中切削力降低了50%左右，并可生产出比传统切削更小和表面光洁度更高的芯片。
通常来说，所有使用超声波振动的制造系统，都将电机换能器作为机械振动源，它将从发电机接收到的电能转化为机械振动。
电机换能器是基于磁性伸缩或压电效应的原理。
电机换能器产生的共振频率为fres≈20KHz或其他频率。
其所得到的超声振动振幅是不足以用于切割加工中的。
为了解决这个问题，将超声波加工设备中能放大机械波的元件连接到电机换能器，使其能够达到需要的振幅大小。
这种导波聚焦装置称为超声变幅杆（也成为集中器，超声波变幅杆或刀具保持器），它被安装在换能器的末端。
超声变幅杆从换能器的端部传送纵向超声波到切削道具的趾端，它将输入的振幅放大，使之在输出端的输出振幅能满足加工过程所需的大小。
超声加工设备的切削性能主要取决于超声变幅杆的精心设计[6]。
超声变幅杆是超声波加工系统中唯一一个每个加工过程都独一无二的部件。
根据实际应用的需要，它们被加工成各种不同的形状和大小，但和其他部件一样，必须是工作在谐振频率上的。
超声变幅杆所使用的材料兼顾了超声波的需求和应用——钛合金，钢，不锈钢。
如上文所述，其形状取决于实际应用的工艺需求。
超声变幅杆最常用的形状是：
圆柱形、圆锥形、指数形和梯形。
为了使超声加工系统达到最佳性能，就有必要考虑影响该系统动力特性的所有相关效应和参数[4]。
超声变幅杆作为超声加工系统中最重要的元素之一，必须在设计阶段就应该明确其所需要的动力特性。
在最近的研究工作中，超声变幅杆的合适外形及其相应的尺寸的选择通常是通过有限元数值模拟来确定的[1，2，7，8，11]。
由于笔者知识的局限，本文没有提出对于不同超声变幅杆的外形模态性能（固有频率，放大系数）的相互比较，以上可在文献中查阅。
本文对各种形状的超声变幅杆进行了动力学分析。
超声变幅杆的外形尺寸对固有频率的影响是通过有限元法（FEM）分析的。
此外还对各种超声变幅杆外形可比参数进行了相互比较。
本文的主要目的是对超声变幅杆合适外形及其动力学特性所需的几何尺寸的选择提出普遍适用的结论。
2.变幅杆的设计
超声变幅杆的主要功能是把超声波的振幅放大至刀具有效加工所需的大小。
超声变幅杆也可以看做是把换能器的振动能量传递到刀具的工具。
它是通过与换能器的共振来是实现工作。
超声变幅杆的设计制造过程需要格外注重。
设计不合理的超声变幅杆会有损设备的机械加工性能，会导致振动系统的破坏并对超声发生器造成巨大的损坏。
通常，超声变幅杆是由具有高疲劳强度和低声损耗的金属制成的。
超声变幅杆设计中最重要的部分就是其共振频率和正确的谐振波长的确定。
变幅杆的长度一般为其半波长的整数倍。
简单几何形状（圆柱形）的超声变幅杆的谐振频率是能够确定的。
对于复杂几何形状的变幅杆的谐振频率通常通过有限元的方法来确定。
超声变幅杆的性能需有由放大系数估算
，
（1）
式中A0——超声变幅杆输入端振幅，
A1——超声变幅杆输出端振幅，
放大系数的基本要求是
.
（2）
2.1超声变幅杆自由端振动的解析
超声变幅杆可变圆形截面纵向振动的基本方程
如下，其适用于一维连续体（弹性细杆）
，（3）
式中
——在纵向方向上的坐标，
——横截面的纵向位移，
——横截面面积，
——圆形横截面的半径，
——纵波的一维连续速度，
——杨氏弹性模量，
——超声变幅杆材料的密度
圆柱形
超声变幅杆自由振动的波动方程
.（4）
方程（4）的解假设为此形式
。
偏微分方程（4）可分为以下两个常微分方程
，（5）
，（6）
式中
——固有角频率。
引入以下无量纲量
·纵坐标上的无量纲量：
，
·横截面纵向位移的无量纲量：
，
代入到方程（5）中，我们得到的无量纲方程
及其结果
，（7）
式中
——倍频参数，
l0——变幅杆长度
超声变幅杆的两侧都具有沿轴向运动的可能性。
其输入端连接到产生超声波轴向振动的电机换能器，其输出端连接到振动刀具。
超声变幅杆自由振动的边界条件被假设为两端自由[7]，如下所示
，
.（8）
然后将边界条件（8）代入到（7）中，得到超声变幅杆的模态参数如下
·第k个模式形状的固有频率（Hz）
，（9）
·第k个模式形状的无量纲波长
，（10）
式中
是特征方程的第
个特征根，其中
=1，2，…
为了达到超声加工所需的效果，超声变幅杆只使用前两个模态即：
对于
=1的“半波”形状和
=2的“整波”形状（图1）。
如图所示，分析确定圆柱形超声变幅杆的模式形状和固有频率是相对简单的。
对于非圆柱形变幅杆的这些参数的分析测定更为复杂。
因此，对几何外形更复杂的超声变幅杆的模态分析，使用有限元法（FEM）是更好的选择。
外形
参数
变幅杆振动的模态形状
——半波型
——整波型
图一圆柱超声变幅杆的振动模态形状
2.2.自由振动超声变幅杆的有限元分析
利用有限元法确定各种形状的超声变幅杆的模态特性和对模态特性相关几何参数影响的评估。
有限元建模和模态特性的计算都使用了软件包ANSYS。
超声变幅杆有限元模型的创建采用了元素SOLID45。
描述超声变幅杆有限元模型自由振动的方程式是其模态特性决定的，运动方程如下
（11）
式中M（B、K）是质量（阻尼和刚度）的矩阵，
ü（u、u）是节点的加速度（速度和位移）矢量。
假设该超声变幅杆的材料具有低的阻尼能力（来自动力方面），其阻尼运动方程可以被忽略。
当B=0时，运动方程（11）可以是改写为如下形式
.（12）
超声变幅杆的模态特性是由其特征值的解决定的
（13）
式中
是第
个特征值（模态形状），
是其在第
个模态形状下的固有频率。
前文提出，变幅杆被制造成各种形状和尺寸。
在超声波加工或超声波辅助机加工中超声变幅杆的横截面大多为圆形。
决定超声变幅杆功能的纵向形状可能是不同的。
主要强调是获得所需的动力学特性。
超声变幅杆几何形状的确定是基于有量纲参数和无量纲参数（表1）。
表1超声变幅杆的几何参数
变幅杆形状
细长比
形状参数
形状作用
圆柱形
—
圆锥形
指数形
阶梯形
注：
d0—超声变幅杆输入端直径，d—阶梯轴小端直径，l0—超声变幅杆长度。
3.数值模拟的结果
数值分析是针对表1中所定义的各种形状和几何参数超声变幅杆进行的。
数值模拟中超声变幅杆所用的材料是钢（E=210GPa，
=7800kg·m−3，
=0.3）。
在下文中，不同几何形状变幅杆的无量纲谐振频率定义为
（14）
式中
——变幅杆第
阶模态下的固有频率，
——长细比相同的圆柱形变幅杆的第
阶模态的固有频率。
超声变幅杆的动态分析结果都取决于之前所提到的无量纲量。
这种方法为提出普适结论提供了可能性，而且还可以将不同几何形状的超声变幅杆进行相互比较。
另外，此结果还可以对特定超声变幅杆的尺寸与形状的选择提供参考。
不同几何形状的超声变幅杆对应的谐振频率的值是由以下等式来确定的
（15）
式中
=1为半波型，
=2为整波型。
在下文图中（图2—图5），表示的是无量纲固有频率和放大因素对超声变幅杆设计的相关参数的决定性。
4.结论
超声变幅杆是超声波加工系统中最重要的元素之一，本文对几种几何形状的超声变幅杆进行了动力学分析。
对特定的几何形状和尺寸的超声变幅杆，在谐振状态下对其主要动力特性（固有频率和放大系数）进行了分析。
超声波加工系统的效率和性能取决于具体的设计及其对应的大量参数。
超声变幅杆几何形状的确定取决于其使用的技术要求。
共振频率的大小和超声变幅杆输出端振幅的放大倍数是选取适当的超声变幅杆形状的基本要求。
圆柱形超声变幅杆的形状被用于比较表达其他形状超声变幅杆的性能。
通常，可以认为超声变幅杆的几何形状和尺寸影响着其刚度和质量分布。
当超声变幅杆输出端的横截面变化时，放大系数ϑ也随着横截面的变化而变化（图3b—图4b）（ϑi>1.0时横截面增大，ϑi<1.0时横截面增量）。
除了横截面的变化，细长比对放大系数也具有显著影响。
当超声变幅杆横截面和细长比增大时，放大系数减小。
横截面等距增加，放大系数增加取决于长细比的增大（图3b—图4b）。
超声变幅杆细长比的变化和横截面变化对固有频率的影响示于图2a-4a。
超声变幅杆的形状在特殊情况下是梯形的。
超声变幅杆在这种形状下，和圆锥形和指数形超声变幅杆具有相同的有效结论。
对于这种超声变幅杆形状其固有频率和放大系数在阶梯改变直径处变化的关系示于图5a和图5b。
超声变幅杆形状的设计强调的是超声加工技术中超声变幅杆轴向形状在实际应用中是首要考虑的。
在技术加工中，当径向载荷上升时，确保该几何形状的超声变幅杆具有足够的抗弯刚度的设计是必要的。
数值分析的结果已用无量纲量和参数的形式表示。
本文提供了可能的选择和不同的形状的比较，并提供了用于选择合适超声变幅杆的形状与所需特性的有效工具。
圆柱形超声变幅杆
图2圆柱形超声变幅杆。
细长比相同时，无量纲频率（a）和放大系数（b）的关系
圆锥形超声变幅杆
图3圆锥形超声变幅杆。
斜度
相同时，无量纲频率（a）和放大系数（b）的关系
指数形超声变幅杆
图4指数形超声变幅杆。
指数函数参数“a”相同时，无量纲频率（a）和放大系数（b）的关系
阶梯形超声变幅杆
图5指数形超声变幅杆。
阶梯直径无量纲量“
”以及比例
相同时，无量纲频率（a）和放大系数（b）的关系。
致谢
一直支持本工作的补助机构VEGA1/0256/09和VEGA1/0090/08。
附录：
Ultrasonichorndesignforultrasonicmachiningtechnologies
M.Nad’a
Abstract
Manyofindustrialapplicationsandproductiontechnologiesarebasedontheapplicationofultrasound.Inmanycases,thephenomenonofultrasoundisalsoappliedintechnologicalprocessesofthemachiningofmaterials.Themainelementofequipmentsthatusetheeffectsofultrasoundformachiningtechnologyistheultrasonichorn-socalledsonotrode.Theperformanceofultrasonicequipment,respectivelyultrasonicmachiningtechnologiesdependsonproperlydesignedofsonotrodeshape.Thedynamicalpropertiesofdifferentgeometricalshapesofultrasonichornsarepresentedinthispaper.Dependenceoffundamentalmodalproperties（naturalfrequencies,modeshapes）ofvarioussonotrodeshapesforvariousgeometricalparametersisanalyzed.Modalanalysesofthemodelsaredeterminedbythenumericalsimulationusingfiniteelementmethod（FEM）designprocedures.Themutualcomparisonsofthecomparableparametersofthevarioussonotrodeshapesarepresented.
©2010UniversityofWestBohemia.Allrightsreserved.
Keywords:
ultrasound；ultrasonicmachiningtechnologies；modalproperties；ultrasonichorn；longitudinalvibration；finiteelementmethod
1.Introduction
Theuseofultrasoundphenomenonisbecomingincreasinglyusedfeatureinmanyindustrialapplications.Ultrasonicvibrationshavebeenharnessedwithconsiderablebenefitsforavarietyofproductionapplications,forexample,ultrasoniccleaning,plasticwelding,etc.andhasprovedtoofferadvantagesinanumberofotherapplications.Theseapplicationsincludetheautomotive,foodpreparation,medical,textileandmaterialjoiningandmainlyapplicationsinmanufacturingindustries.Significantincreasinginperformanceandqualitativeimprovementsareachievedbyusingultrasonicvibrationsinmachiningtechnologicalprocesses.
Applicationsofultrasonicvibrationenergyinmachiningtechnologiesarerealizedbytwodifferentapproaches.Thefirstapproach,calledasanultrasonicmachining,isbasedonabrasiveprincipleofmaterialremoval.Thetoolwhichisshapedintheexactconfigurationtobegroundinworkpieceanditisattachedtoavibratinghorn.Thesecondapproachisbasedontheconventionalmachiningtechnologies–ultrasonicassistedmachining.
Theultrasonicvibrationsaretransmitteddirectlyoncuttingtools,respectivelydirectlytoacuttingprocess.Thesetechniquesareusedforhighprecisionmachiningapplicationandfornon-brittlematerialsanddifficult-to-cutmaterialsmachiningsuchashardenedsteels,nickel-basedalloys,titaniumandaluminium-SiCmetalmatrixcomposites.Therepetitivehigh-frequencyvibro-impactmodebringssomeuniquepropertiesandimprovementsintometalcuttingprocess[2,5,9,10],wheretheinteractionbetweentheworkpieceandthecuttingtoolistransformedintoamicro-vibro-impactprocess.
Theapplicationofultrasonicvibrationenergyinthemachiningprocessprovidesmanybenefitsandimprovementsintheprocessofcutting.Inrecentpublishedworkisreportedthatthehigh-frequencyultrasonicvibrationofthecuttingtoolhasreportedlyallowedasignificantreductionofcuttingforcesandtoolwear,asurfacefinishimprovementupto25-40%,aswellasroundnessimprovementsupto40-50%.Whencuttinglowalloysteels,theultrasonicvibrationmeansareductionincuttingforcesupto50%approximately,andproducessmallerchipsandabettersurfacefinishincomparisontoconventionalturning.
Generally,inallmanufacturingsystemsusingultrasonicvibrations,theelectromechanicaltransduceractsasthesourceofmechanicaloscillations,transformingtheelectricalpowerreceivedfromthegeneratorintomechanicalvibrations.Theelectromechanicaltransducersarebasedontheprincipleutilizingmagnetostrictiveorpiezoelectriceffects.Theelectromechanicalultrasonictransducersgeneratethevibrationwithresonantfrequency
andmore.Theamplitudeoftheresultingultrasonicvibrationsisinadequateforrealizationofthecuttingprocess.Toovercomethisproblem,theamplifyingwaveguidedelementsoftheultrasonicmachiningequipmentsareconnectedtotheelectromechanicaltransducerenablingtoachievethenecessarysizeofamplitude.Thewave-guidefocusingdeviceknownasultrasonichorn（alsoknownasconcentrator,sonotrodeortoolholder）isfittedontotheendofthetransducer.Ultrasonichorntransfersthelongitudinalultrasonicwavesfromthetransducerendtothetoeendwithattachedthecuttingtoolanditamplifiestheinputamplitudeofvibrationssothatattheoutputendtheamplitudeissufficientlylargetoperformofrequiredmachiningprocess.
Thecuttingpe
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