1、中国计量学院本科毕业设计（论文）指数形扭转振动变幅杆的设计Design of Torsional Vibration Exponential Horn 学生姓名 学号 0900201513 学生专业 测控技术与仪器 班级 09 测控 5 班 二级学院 计量测试工程学院 指导教师 中国计量学院2013 年 5 月郑 重 声 明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文
2、的知识产权归属于培养单位。学生签名： 日期： 分类号： TB95 密 级： 公开 UDC： 621 学校代码： 10356 中国计量学院本科毕业设计（论文）指数形扭转振动变幅杆的设计Design of Torsional Vibration Exponential Horn作 者 学号 0900201513 申请学位 工学学士 指导教师 学科专业 测控技术与仪器 培养单位 中国计量学院 答辩委员会主席 李东升 评 阅 人 张斌 2013 年 6 月致谢时光飞逝，岁月如歌，四年的大学生活即将在这个季节画上句号，但是对于我的人生只是一个逗号，我将踏上人生新的征程。在师长、亲友的鼓励和支持下，我走完
3、了四年求学生涯，虽然艰辛但是获益匪浅，在论文即将付梓之际，思绪万千，久久不能平静。本论文最终能顺利完成，要感谢的人有很多。首先，我要由衷的感谢我的导师老师，从确定课题开始，郑老师就悉心为我点拨，为我之后课题的设计和深入研究奠定了扎实的基础。在论文的撰写过程中，郑老师多次仔细阅读全文，并帮我修改论文中不合理的地方，提出宝贵的意见，使我收获良多。同时我也积极与老师交流，使这篇论文能够更加完善。郑老师严谨的教学，渊博的学识，宽阔的视野以及创新的精神为我营造了一种良好的精神氛围，让我能够全身心的投入到课题的研究中去。其次，我要感谢四年来各科的任课老师，他们授予我的知识和良好的学习方法极大地开阔了我的学
4、术视野，使我对本文的撰写具备了一定的理论基础。同时还要感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境，感谢挚爱的中国计量学院以及在撰写过程中被我参考或引用的论著的作者。最后，我要感谢我的父母和家人，我会时刻铭记你们对我的谆谆教导和一如既往的支持。美好的大学四年，你们与我一同分享我成功的喜悦，在我失意时鼓励我不要放弃，再接再厉。无论我成功与否，你们总会微笑着告诉我是最棒的，谢谢你们，我会继续努力。再次感谢在整个毕业设计中帮助我的人。2013 年 5 月于杭州I指数形扭转振动变幅杆的设计摘要：随着科技的发展，超声加工的应用越来越广泛，对新的切削技术发展有着特别重要的意义。本文以指数形扭转振动变幅杆为研究对
5、象，选取超声频率 ，变幅杆kHz20材料为 45 钢，变幅杆的放大系数为 5，大端直径为 。以大型有限元软件m3ANSYS 为工具，对变幅杆进行模拟和仿真。首先利用传统指数形纵向振动变幅杆的公式推算出指数形扭转振动变幅杆的频率方程、谐振长度、位移节点、放大系数、形状因数等参数，从而得到变幅杆的外形尺寸及相关参数。之后通过三维画图软件 Pro/E 画出设计的指数形扭转振动变幅杆并导入有限元软件ANSYS。通过 ANSYS 的谐响应分析，得到变幅杆的固有频率、位移节点、放大系数等参数的分析值，并与之前计算的理论值进行比较，通过符合程度得出设计的变幅杆是否正确。关键词：变幅杆；指数形；扭转振动；AN
6、SYS；谐响应中图分类号：TB95IIDesign of Torsional Vibration Exponential HornAbstract：With the development of science and technology, ultrasonic machining is being more and more widely used, and it has a special significance on the development of new cutting technology.In this paper, the research object is tors
7、ional vibration exponential horn, selects as the ultrasonic frequency, and selected the 45 steel as the ultrasonic horns Khz20material, the amplification factor is 5, the diameter of the big-end is . We used m32large-scale finite element software ANSYS as the tool, modeling and simulating the horn.
8、Firstly, we use the traditional longitudinal vibration exponential horns formula to calculate the frequency equation, the resonant length, displacement node, the amplification factor of the input force impedance, shape factor and other formula of torsional vibration exponential horn, so we can carry
9、 out the horns dimensions and related parameters. Then we use the 3D drawing software Pro/E produce the model of the horn we designed and import finite element software ANSYS. Harmonic response analysis by ANSYS, obtain the natural frequency, the displacement node, amplification factor and other ana
10、lysis value of the horn. Then compared with the theoretical value calculated before, relevance determine the design of the horn is correct.Keywords: Horn; exponential; torsional vibration; ANSYS; harmonic response.CLC:TB95目 次致谢 .I摘要 .IIAbstract.III目次 .IV1 绪论 .11.1 引言 .11.2 发展现状 .11.2.1 超声波加工的应用 .11.
11、2.2 超声波换能器 .31.2.3 超声波变幅杆 .41.3 论文章节安排 .62 超声变幅杆的设计原理 .72.1 基本设计思路 .72.2 变截面杆扭转振动的波动方程 .72.3 指数形变幅杆 .82.3.1 频率方程和谐振长度 .92.3.2 位移节点 .102.3.3 放大系数 .102.3.4 输入力阻抗 .112.3.5 形状因数 .112.4 本章小结 .123 超声变幅杆的参数计算 .133.1 超声变幅杆的参数选择 .133.2 指数形扭转振动变幅杆的参数计算 .134 超声变幅杆的有限元分析 .164.1 ANSYS 有限元软件简介 .164.2 ANSYS 模态分析 .
12、164.2.1 建立模型，划分网络 .164.2.2 加载并求解 .184.3 谐响应分析 .194.3.1 放大倍数分析 .194.3.2 位移节点分析 .21I4.3.3 最大应力 .214.4 本章小结 .235 总结与展望 .24参考文献 .25附录 A 变幅杆的外形尺寸 .26附录 B 模态分析及谐响应分析命令流文件 .27作者简介 .30学位论文数据集 .31中国计量学院本科毕业设计（论文）01 绪论1.1 引言超声波是频率高于 20000 赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业
13、、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法 1。超声变幅杆在超声加工系统中具有振幅放大、阻抗匹配和保护换能器的作用，是功率超声振动系统设计中一个重要组成部分 2。超声波换能器通过安装超声变幅杆调整了换能器与超声波工具头之间的负载匹配，减小了谐振阻抗，使其在谐振频率工作提高了电声转换效率，有效降低了超声波换能器的发热量，提高使用寿命。超声波变幅杆被广泛应用于化工、石
14、油、塑料焊接、金属焊接、打孔、车削、清洗、机械加工等诸多领域。目前，对纵向振动变幅杆已有广泛的研究，并得到了广泛应用，本课题所提的扭转振动变幅杆的研究则较少。传统的超声变幅杆设计，是通过传统解析法来设计，然后凭经验对超声变幅杆进行修正，如果测试结果不符合应用要求，需要再修正以及实验测试，直到结果符合应用要求。这种设计方法不仅设计精度不高，而且浪费时间和费用3。由于本课题采用的指数形变幅杆较阶梯形、圆锥形、棒形等形状的变幅杆形状复杂，且加工难度更大，因此本设计将根据加工材料确定变幅杆所需要的放大倍数，通过计算得出设计的指数形变幅杆的基本尺寸，之后通过Pro/Engineer 建立基本的变幅杆模型
15、，导入有限元软件 ANSYS 进行模态分析，通过得到的参数特性来优化变幅杆的性能，最终得到符合实际应用的变幅杆。利用这种方法能够有效提高设计的效率、精度，节约开发成本。1.2 发展现状1.2.1 超声波加工的应用超声加工作为一种重要的特种加工方法，可分为磨料冲击超声加工、超声中国计量学院本科毕业设计（论文）1磨削、超声车削、钻孔与镗孔、超声抛光、超声喷丸、超声清洗、超声焊接等1。1.冷却水入口；2.换能器；3.激励线圈；4.变幅杆；5.谐振支座；6.冷却水出口；7.工具锥；8.工具头；9.磨料射流；10.工件； 11.磨料悬浮液图 1.1 超声加工方法示意图随着硬脆材料越来越广泛的使用，旋转超
16、声加工得到了越来越广泛的应用和重视。旋转超声加工具有以下 5 个优点 7：1.生产率高，与常规超声加工和一般金刚石钻孔相比，加工速度大大提高。2.深度较深，特别适合于深小孔的加工及细长棒成形。3.磨损小，加工精度高。4.切削力大幅度降低。5.材料广泛，除了可加工一般的硬脆材料，在复合材料加工方面，也显示了优越性。下面简单介绍几种常见的超声加工应用：（1）超声深小孔加工传统的深小孔加工方法主要有钻削加工、电火花加工。利用超声旋转加工、超声波与电火花结合 4以及超声振动磨削的加工办法，能有效解决因传统工艺所带来的切削温度高，刀具磨损快，加工效率、精度低以及表面粗糙度值增加等问题。（2）难加工材料的超声加工难加工材料主要指金属或非金属硬脆材料，如陶瓷，石英晶体，大理石，普通聚晶金刚石等。利用超声旋转加工结合材料力学特性的方法能够有效的克服此类材料的高硬度和脆性，很大程度上提高了材料的去除率及加工精度。（3）超声振动切削超声振动切削是一种新兴的特种加工技术，在难加工材料和高精度零件加
