Page 13 - 《应用声学》2022年第5期
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第 41 卷 第 5 期 林基艳等： 周期性扇形孔结构对斜槽型纵扭复合模态超声振动系统性能的影响 689
的纵扭复合超声振动系统，但并未具体分析扇形孔
0 引言
结构参数对系统性能的影响规律，也没有给出使系
近年来，随着功率超声技术的深入发展，传统的 统获得最大的扭转分量的扇形孔结构参数及周期
一维振动已经很难满足日益复杂的加工要求，能够 性扇形孔结构的引入对系统性能的改善幅度。基于
综合纵向振动和扭转振动优势的二维纵扭复合振 此，论文提出了周期性扇形孔结构对基于斜槽结构
动因其较高的加工精度和可靠性而备受青睐 [1−2] 。 的模式转换型纵扭复合模态超声振动系统性能的
目前，很多研究都倾向于采用斜槽结构实现模式转 影响研究。
换型纵扭复合振动，该方法实现简单，但能量转换效
率低，输出的扭转分量较小，因此，如何从结构上对 1 基于斜槽结构的模式转换型纵扭复合超
斜槽型纵扭复合振动进行优化，提高其纵扭转化能 声振动系统的设计
力成为迫切需要解决的问题。
基于斜槽结构的模式转换型纵扭复合超声振
文献 [3] 提出了一种利用在超声变幅杆上加工
动系统主要分为 3 个部分：夹心式纵向振动压电陶
斜槽的方法来实现纵扭复合振动的超声换能器；文
瓷换能器、圆锥型变幅杆和基于斜槽结构的振动转
献 [4] 研究了斜槽的结构参数 (个数、宽度、角度等)
换体 [15−16] 。夹心式纵向振动压电陶瓷换能器由前、
对纵扭复合振动转换效率的影响，并计算出能使系
后盖板，压电陶瓷晶堆 3 部分组成；变幅杆选择圆
统获得最大转换效率的最佳斜槽角度和宽度；文
锥形；基于斜槽结构的振动转换体则使用加工了 4
献 [5] 针对斜槽式模态转换型超声电机存在的成本
个均匀分布的斜槽的空心圆柱。设计半波长结构的
高、工艺复杂的问题进行研究，提出了一种孔式模
换能器，变幅杆和基于斜槽结构的振动转换体两者
态转换型超声电机；文献 [6] 利用单因素实验法，分
共同构成半波长结构。前后盖板和基于斜槽结构的
析了斜槽结构参数对系统振动频率的影响；文献 [7]
振动转换体都使用 Aluminum 6063-T83，杨氏模量
利用灵敏度分析理论，将纵振振幅与扭转振幅的比
3
6.9×10 10 Pa，泊松比0.33，密度2700 kg/m ；压电陶
值作为目标参数进行优化，并获得最佳斜槽型纵扭
瓷晶堆选用Lead Zirconate Titanate (PZT-4)，杨氏
复合振动超声系统的结构模型；文献 [8] 通过在喇
3
叭形变幅杆上加工 4 条均匀斜缝，设计了一种斜缝 模量6.45 × 10 10 Pa，泊松比0.32，密度7500 kg/m 。
基于换能器和变幅杆的设计理论，利用有限元分析
式纵扭超声振动系统，并采用有限元分析方法对振
动系统的机械结构进行了优化，分析了斜缝与纵扭 法建立系统的模型并初步确定各部分的尺寸，结果
共振频率和振幅的关系；文献 [9] 设计了一种圆环 如图 1 所示。图中，基于斜槽结构的振动转换体的
形斜槽传振杆，并分析了圆环斜槽传振杆的振动特 内圆半径r 1 = 13 mm，外圆半径 r 2 = 17 mm；斜槽
性，求解出能够影响纵扭复合振动性能的因素；文 的长度为 30 mm，宽度为5 mm，深度为 2.5 mm，斜
◦
献 [10] 对单斜槽、双斜槽变幅杆的放大系数进行了 槽的角度为10 。
计算，并通过仿真分析求解出斜槽参数对不同双 为验证设计的合理性，对系统实施模态分析，搜
斜槽变幅杆放大系数的影响规律；文献 [11] 利用指 索 5 ∼ 20 kHz 频率范围内的谐振振型，结果如图 2
数型过渡段的复合型变幅杆，实现了纵扭复合振 所示。
动，并通过仿真分析，研究了斜槽结构参数对系统 从图 2 能够看出，当基于斜槽结构的模式转换
共振频率的影响规律；文献 [12] 通过在中空的阶梯 型纵扭复合超声振动系统的特征频率为 12510 Hz、
型变幅杆和均匀杆上加工对角线斜缝的方式设计 18634 Hz 时，纵扭复合超声振动系统以纵振为主；
了一种可用于脆性材料孔加工的纵 -扭复合振动装 而当特征频率为8036.5 Hz、11436 Hz、17537 Hz时，
置；文献 [13] 在超声换能器的末端加工 4 个均匀倾 系统则以扭振为主。以二阶扭振 Eigenfrequency =
斜的凹槽，将纵向振动转化为纵扭复合振动，设计 11436 Hz 为例进行研究，由图 3 能够看出，二阶扭
了一种新型的用于拉丝的夹心式纵 -扭复合超声换 振时，基于斜槽结构的振动转换体沿顺时针方向
能器；文献 [14] 提出了基于梳状扇形孔周期性结构 扭转。
