纵扭复合超声换能器的设计与特性研究

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       蜂窝芳纶材料作为一种典型的夹层胞格芯材料,因其更大的孔隙和更低的体积密度,具有较高的刚度与重量比和强度与重量比的特性,在断裂韧性、抗冲击性、散热、减震和降噪方面的优异性能,应用场景也不再局限于航空卫星领域。但由于蜂窝内部空间相互连接的胞格间的力学各向异性,常规加工方式会导致基体纤维变形、开裂等缺陷。因此长春工业大学的马佐田设计了一种在轴向和横向都能产生振动位移的纵扭复合超声换能器,并用于蜂窝芳纶材料的加工。

       以纵扭复合振动模式转换理论为基础,分析和推导了纵扭的实现机理,对压电陶瓷晶堆的振动状态进行分析,推导了换能器节面左右两侧的频率方程、振速方程和应力状态方程,求解出换能器理论设计尺寸,并运用有限元方法进一步分析换能器的固有频率和振型。

       针对纵扭复合超声换能器高速旋转的工作条件,采用N-ICPT技术对换能器供电系统进行设计。作者马佐田设计了上下型旋转式N-ICPT系统物理结构模型,推导了N-ICPT系统互感模型,并将整个换能器进行机电等效电路处理,方便进一步的电路分析。为了提高能量传输效率,分析了四种电路匹配补偿拓扑结构的阻抗。仿真结果表明,在空气间隙为0.3mm的条件下,能量损失仅为1.2W。

对纵扭复合超声换能器的特性进行研究。根据电导纳圆图得出纵扭复合超声换能器辅助加工系统的声学表征参数;分析换能器的声场分布,研究了换能器的指向特性,根据铣削加工时材料的最大轴向切削深度的指向性,表明超声铣削对加工稳定性具有明显改善作用;研究了换能器的温升特性,通过对换能器流场分布分析,对换能器加装了散热装置,很好地解决了换能器温升的问题;研究了换能器的工艺特性和动态负载特性,在试验的基础上构建了夹紧螺母预紧力和切削动态负载与换能器内部声学表征参数的影响模型,为换能器声学表征参数调节提供了一定指导。

       基于纵扭复合超声换能器辅助加工系统,对纵扭复合超声换能器加工蜂窝芳纶材料的性能进行试验测试。试验表明,加工刀具边缘,纵向振动振幅可达13.0μm,扭转振动振幅可达5.89μm,纵扭振幅波动较小,系统相对平稳;铣削力试验表明,纵扭复合超声换能器辅助加工能够有效降低铣削力,提高有效铣削时间,为蜂窝芳纶材料的加工处理提供了一种新思路。

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