便携式超声波手电钻声学系统设计与分析.pdf

机械制造
张云电,等·便携式超声波手电钻声学系统设计与分析
便携式超声波手电钴声学系统设计与分析
张云电,王鹏,马中秋,王家鹏
杭州电子科技大学机工程学院,浙江杭州310018)
摘要:介绍了便携式超声波手电钴的总体结构,对超声波手电钻声学系统中的换能器和变幅
杆进行设计,利用 Ansys workbench对超声电钻声学系统进行模态分析。并对加エ刀具进行了
分析、计算。研究结果从理论上验证了声学系统的动态性能,该设计对便携式超声波手电钻在
生产中的应用奠定了基础。
关键词:手电钻;声学系统;模态分析
中图分类号:TP391.9文献标志码:B文章编号:1671-5276(2015)06-005-03
Design and Analysis of Acoustic System for Portable Ultrasonic Hand Electric Drill
ZHANG Yundian, WANG Peng, MA Zhonggiu, WANG Jiapeng
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)
Abstract: This ar c a of he pab rasonic ha c i designs its transducer an ampli-
tude transformer, uses ANSYS workbench to o its modal analysis an analyzes an calculates the tool. The results verify the dy
nami roma of c ss or This sign as the foundation for s application and production
Keywords hand electric dill; acoustic system; modal analysis
0引
超声电钻是传统电钴和超声振动加工相互结合的产
物,它和传统电钻的不同之处在于:钻头在作旋转运动的
同时附加了超声振动。
传统电钻工作原理是电磁旋转式或电磁往复式小容
量电动机的转子做磁场切割运转,通过传动机构驱动作业
装置,带动齿轮加大钻头的动力,从而使钻头钻削物体表
面。而超声电钻加入了超声波发生装置,以脉冲形式作用
在工件上,减少了刀刃与工件的接触摩擦,因而大大降低
了钻孔时所需要的扭矩。此外,超声电钻减少了传统电钻
超声波声学系统;2一外套;3一轴承端盖;4一定子:
内部复杂传动结构,直接驱动作业钻头,以脉冲的形式作
5一电枢(转子);6一-输出轴;7ー螺栓;8一电缆线;
用在工件的表面,用振动和转动相结合的复合运动进行
)一机壳;10挡圈;1l一前盖;12一压板;13一轴承端盖
钻削。
图1便携式超声波手电钻结构图
目前传统电钻用于加工硬脆性材料来说是不可能完
成的,而超声电钴融合了超声振动,加工工件时作用于工
传动系统是便携式超声波手电钻的机械部部份,主要
件的表面压力大大减小,从而能够对这些材料进行加工,由定子、转子、输出轴、轴承组成。接通电源之后,定子产
并且能够保证工件加工后的表面品质,防止工件表面、孔生磁场,转子受磁场作用旋转并带动与转子固定的输出
的周围出现裂纹。
轴,输出轴将机裓能传出。
)超声系统
便携式超声波手电钴总体结构
超声系统是便携式超声电钻的核心部件,也是与传统
手电钴的主要不同点,它主要由超声波发生器、超声波换
设计便携式超声波手电钻的总体结构时,充分考虑了能器、変幅杆以及工具头组成。其工作原理是超声换能器
传统的手电钻结构,兼顾超声波钻削加工的自身特点。便通过压电效应将电能转化成为机械能进而转化为声波,通
携式超声波手电钻由传动系统、超声波声学系统和电钻机过变幅杆放大到钻孔所需的振幅并传递到钻头上,使钻头
壳3部分组成图1
纵向振动,这样钻头与加工工件产生脉冲式的间接性接
1)传动系统
触,缩短了钻头和工件的接触时间,可以降低电钻加工时
作者简介:张云电(1956-),男,安徽准南人,教授,研究领域:光机电一体化技术。已发表论文60余。
Machine Building E Automation, Dec 2013, 44(6): 25-27, 32
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的局部高温和局部应力。
(2)
3)电钻机壳
44P
电钴机壳是整个电钻的外部包装,材料使用的是PC+
选择换能器直径为16mm,根据式(1)和式(2),计算
ABS的塑胶材料。电钻机壳由3部分组成:手柄盖、中间得到采用厚度为3m的两片压电陶瓷片作为激励元件,
盖、前端盖。电钻的机壳主要作用是固定电钻的各个部铜片的厚度选择0.3m,因此互2=6.6m。所
位,起绝缘保护作用。
以L1=18.9
b)变幅杆计算
2声学系统设计与分析
圆锥形变幅杆如图3所示,坐标原点x=0处的直径
为d1,x=L处的直径为d2,函数关系为:
2.1声学系统
A=A1(1-ax)
D=d1(1-ac)
便携式超声波手电钴需满足结构小巧、方便携带、工
作频率高能量聚焦等要求,因此设计时采用一种1/4波
式中:a=d,LN
长的夹心式压电换能器,该换能器由2片压电陶瓷片和反
射罩组成。变幅杅同样选用1/4波长变幅杆,形状为圆锥
形,变幅杄的位移节点设置在变幅杄的输入端(此处振幅
为零),同时该平面还可作为声学系统的安装平面。二者
d2
用螺钉连接在一起,如图2所示。
图3圆锥形变幅杆
设作用在变幅杅两端的力和振动速度分别为F1,
和F2,东2,此时变截面纵振动的波动方程的解为
反射罩(后盖板);2一压电陶瓷片3一变杆
(a,coskx+a2 sinkx
图2夹心式换能器和変幅杆
其中:反射軍1用45钢,压电陶瓷片2用PZT-8材
(-a, sink+a, coskx
料,变幅杆3用铝合金LY12。
a)压电换能器计算
取超声电源输出功率P=20W,压电换能器连续振动
a coskx+a2
(4
时输出功率P1=7~8W/cm2,压电陶瓷的面积约为
20W
≈2.5
当位移节点在大端时边界条件为:
20W
2.86
7 W/em
由式(4)及边界条件得频率方程为:
换能器的直径为
=2/2-18
根据压电陶瓷片的直径,选取变幅杆大端直径d1
20mm,d2=8
求得
根据λ/4换能器的共桭频率方程为
N=~=2.5
tg(K1L1)?tg(K2L2)=1
由式(5)求得
17
式中,K==2TP
解得谐振长度为
(KL)o=35.6 mm
式中:p密度,c速度。
放大系数为
又因为换能器带的长度为λ/4,因此
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