[发明专利]一种大振幅纵扭超声复合振动变幅杆的设计方法

说明书

本发明公开了一种大振幅纵扭复合超声振动变幅杆的设计方法，它包括换能器、压电陶瓷、变幅杆、法兰盘、刀具杆、配重块，所述的超声振动变幅杆设计成关于法兰对称的结构，其中，变幅杆的圆锥过渡面开设有螺旋槽，变幅杆小端开设斜槽的结构，通过改变螺旋槽和斜槽的倾斜角度、槽宽、槽深等参数，使用ANSYS有限元分析软件仿真，使换能器的纵向振动经过螺旋槽和斜槽产生的扭转振动以相同的频率进行共振，进而实现对振幅的放大；与刀具相对的位置设有配重块，在使用不同刀具时，通过改变配重块的材料、质量、形状来补偿谐振频率、振型等参数，可大大提高此变幅杆的通用性。

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。