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超聲變幅桿是智能超聲設(shè)備的重要部件，其性能的優(yōu)劣直接決定了超聲設(shè)備是否正常工作，對(duì)超聲設(shè)備有著根本的、致命的影響。傳統(tǒng)的超聲變幅桿設(shè)計(jì)，是通過傳統(tǒng)解析法來設(shè)計(jì)，然后憑設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)超聲變幅桿進(jìn)行修正，如果對(duì)變幅桿的測(cè)試結(jié)果不符合要求，需要再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，直到測(cè)試結(jié)果符合使用要求。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不僅設(shè)計(jì)精度較低，而且浪費(fèi)設(shè)計(jì)時(shí)間和費(fèi)用。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算被用于提高超聲變幅桿的設(shè)計(jì)效率、精度，節(jié)約開發(fā)成本。
本研究使用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的指數(shù)型超聲變幅桿進(jìn)行模態(tài)分析，獲得變幅桿的模態(tài)參數(shù)，對(duì)變幅桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并確定出變幅桿的最后結(jié)構(gòu)，使設(shè)計(jì)的變幅桿結(jié)構(gòu)符合實(shí)際使用要求。
本研究設(shè)計(jì)的半波長(zhǎng)指數(shù)型變幅桿，要求其工作頻率ｆ=15ｋＨｚ，變幅桿材料為45#鋼，其彈性模量Ｅ=210ＧＰａ，密度ρ=7 850ｋｇ/ｍ3，其縱波在細(xì)棒中的聲速ｃ=5.169×106ｍｍ/ｓ。本研究根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求選取指數(shù)型變幅桿的大端直徑Ｄ1=78ｍｍ，小端直徑Ｄ2=30ｍｍ。
根據(jù)公式，可得到該指數(shù)型變幅桿的參數(shù)：諧振長(zhǎng)度ｌ=180ｍｍ，質(zhì)點(diǎn)位移節(jié)點(diǎn)ｘ0=73.1ｍｍ，放大系數(shù)Ｍｐ=Ｎ=2.6，應(yīng)變極大點(diǎn)ｘｍａｘ=107.27ｍｍ，形狀因數(shù)φ=1.472。
通過傳統(tǒng)解析法設(shè)計(jì)出來的變幅桿不能直接應(yīng)用于超聲振動(dòng)系統(tǒng)中的。在實(shí)際工作中，要在變幅桿的位移節(jié)點(diǎn)處加上法蘭盤結(jié)構(gòu)，使變幅桿能和基座固定在一起，還要在變幅桿大小兩個(gè)端面上打孔和攻絲，分別與換能器和工具頭聯(lián)接，同時(shí)，在變幅桿小端處設(shè)計(jì)一個(gè)六角螺母結(jié)構(gòu)，便于變幅桿的安裝。做出這些必要的修改后，變幅桿的固有頻率發(fā)生變化，而不再是原來的設(shè)計(jì)值。所以利用有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)變幅桿進(jìn)行修正設(shè)計(jì)，算出變幅桿的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，使變幅桿的固有頻率變回到原來的設(shè)計(jì)值。這樣變幅桿在超聲振動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)才能可靠地諧振起來，使其具有較大的振幅放大系數(shù)，達(dá)到工作要求。
假設(shè)法蘭盤的厚為3ｍｍ，在小端作出六角螺母后，由于超聲變幅桿的大端要與換能器聯(lián)接，大端尺寸由換能器的輸出端尺寸所決定，因而超聲變幅桿的小端要與工具聯(lián)接，所以小端截面尺寸也不能作修改。
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