王翠 吳慶玲 孫江波 荊強(qiáng) 孫敏

摘 要：硬脆材料在科技迅速發(fā)展下由于它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注。其中石英玻璃是一種非常重要的硬脆材料，利用其透光性高的特點(diǎn)可以制造出光學(xué)鏡片，而且很多腔體產(chǎn)品也基本是石英玻璃制造的，超聲振動(dòng)是一種有效加工石英玻璃的方法。本文對(duì)超聲振動(dòng)砂帶磨削的組成進(jìn)行分析，并對(duì)其重要部件變幅桿及其加工工具進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)、仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：超聲振動(dòng);振動(dòng)裝置;變幅桿;砂帶磨削

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

1 超聲振動(dòng)砂帶磨削系統(tǒng)的組成

超聲振動(dòng)砂帶磨削系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，分別為：超聲振動(dòng)系統(tǒng)、砂帶進(jìn)給系統(tǒng)和機(jī)床，在此系統(tǒng)的工作進(jìn)程中，此系統(tǒng)有一個(gè)核心部件，那就是超聲波變幅桿，此裝置可以改變振幅和速度，可以放大換能器所輸出的速度與振幅。加工情況的好壞取決于變幅桿的性能。所以需要對(duì)變幅桿和它配套的加工工具進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。本文先對(duì)變幅桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用了解析法，之后利用ANSYS軟件對(duì)變幅桿進(jìn)行分析，再對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 變幅桿裝置的理論分析和設(shè)計(jì)

2.1 變幅桿的理論分析[1]

首先建立模型，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化從而方便研究，可以對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行假設(shè)：應(yīng)力應(yīng)該均勻分布在橫截面上;變幅桿由各向同性、均勻的材料構(gòu)成;加工時(shí)產(chǎn)生的縱向振動(dòng)沿著軸向傳播，忽略機(jī)械損耗的影響。

2.2 安裝有加工工具的變幅桿的分析設(shè)計(jì)

為了使石英玻璃能夠固定安裝，在橫向超聲波變幅桿需要安裝一個(gè)矩形截面塊，為了安裝砂帶，在縱向超聲波變幅桿需要安裝一個(gè)圓柱形狀工具頭，因此需要對(duì)圓柱形狀的工具頭和矩形截面塊進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。選取加工時(shí)所需要的工作頻率為28KHz，變幅桿材料是45號(hào)鋼。由于階梯型變幅桿有制作成本低、加工方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此本文選取階梯變幅桿進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2.2.1 階梯變幅桿設(shè)計(jì)與分析

在仿真分析中，對(duì)直徑大的端處加上軸向振動(dòng)為6的振幅，在直徑小的端處輸出13.9的振幅，可以計(jì)算出放大倍數(shù)為13.9/6=2.3。變幅桿的六階模態(tài)分析結(jié)果如下：振動(dòng)頻率是一階振型21.736KHz、二階振型21.732KHz、三階振型22.236KHz、四階振型28.131KHz、五階振型28.762KHz、六階振型28.764KHz?？梢缘贸銮皟呻A變幅桿直徑小的那端發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在第三階狀態(tài)下產(chǎn)生橫向振動(dòng)，不符合本實(shí)驗(yàn)需要的振型，第五階，第六階狀態(tài)的變幅桿的兩端產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。而在第四階振型中，中間的法蘭處無位移，并且變幅桿輸出的位移最大，共振頻率是28.131KHz，與一開始設(shè)置的振動(dòng)的頻率相似，誤差比較小，此分析符合要求，比較合理。

對(duì)四階振型的放大倍數(shù)繼續(xù)進(jìn)行分析，得出仿真結(jié)果如下：通過仿真分析，可以得出放大倍數(shù)為2.346倍，而頻率并沒有改變，可以得出結(jié)論，增加一個(gè)法蘭盤會(huì)阻礙變幅桿的放大作用，會(huì)使放大作用減小，放大的倍數(shù)與理論值更加的接近。通過上述仿真可以得出，雖然輸出的振幅和變幅桿自身的放大倍數(shù)有直接關(guān)系，但是我們可以通過調(diào)節(jié)輸入功率，來達(dá)到改變振幅的目的。所以我們要重點(diǎn)關(guān)注頻率的設(shè)計(jì)，這與變幅桿的設(shè)計(jì)有著直接的關(guān)系。

2.2.2 加工工具的設(shè)計(jì)分析

因?yàn)檩斎攵说拿娣e和階梯形變幅桿輸出端的面積不能差太多，所以設(shè)定矩形的變幅桿兩端面的高和寬都為25。兩端輸出的位移相同，可知放大倍數(shù)為1，中間無位移，共振頻率的相對(duì)偏差為0.268%，形狀因數(shù)為1，符合設(shè)計(jì)的結(jié)果。

同理，對(duì)圓柱形工具頭分析，其輸入端的面積與階梯形變幅桿輸出端的面積也不能差太多，可設(shè)圓柱形的工具頭直徑是25。計(jì)算可知圓柱形工具頭的共振長(zhǎng)度=92，位移節(jié)點(diǎn)為。

由于工件要進(jìn)行磨削過程，所以依據(jù)這種過程需設(shè)計(jì)一個(gè)磨削頭，可以使砂帶的使用方便，并且在砂帶在工作的過程中不容易脫落?？梢栽O(shè)計(jì)如下的磨削頭結(jié)構(gòu)：首先磨削頭上端有一個(gè)半圓形結(jié)構(gòu)，可以用于磨削過程，同時(shí)中間有兩個(gè)槽固定砂帶，可防止其在工作過程中脫落，同時(shí)底部有螺紋，用來和另一端連接。

仿真計(jì)算值和理論值的誤差為0.034%，由于圓形處和矩形處截面大小不同，不能重合，可以放大了2.45倍，計(jì)算誤差小，結(jié)構(gòu)符合要求。通過仿真分析，可以知道此桿的放大倍數(shù)為7.489/5=1.49，變幅桿的放大作用主要由圓柱形的頭所影響，且影響很大，所以需要重新對(duì)圓柱形的頭進(jìn)行設(shè)計(jì)。

由前文對(duì)變幅桿的設(shè)計(jì)分析，變幅桿的放大倍數(shù)主要由圓柱形兩端截面面積的比值所決定，比值變大，可知放大的倍數(shù)也隨之增大，而且為了使力能連續(xù)傳遞，我們要減小小圓柱的截面面積，同時(shí)保證前后的比值符合要求，選擇小端截面直徑為20。

3 結(jié)論

本文分別對(duì)圓柱形復(fù)合變幅桿以及矩形復(fù)合變幅桿進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從而使石英玻璃安裝方便，更加便于砂帶的安裝和工作。

本文先通過設(shè)定參數(shù)，利用縱向振動(dòng)理論對(duì)變幅桿，圓柱形的工具頭，矩形的截面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使用ANSYS分析軟件首先對(duì)這些部分進(jìn)行分析，之后將它們裝在一起，并對(duì)裝配后的零件進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)，優(yōu)化，最后得到了滿意的設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)：

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本項(xiàng)目受到吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃項(xiàng)目資助（JJKH20170288KJ）

作者簡(jiǎn)介：王翠（1983-），女，黑龍江綏化人，碩士，講師，主要研究方向：飛行器設(shè)計(jì)和精密加工方面。