(南京航空航天大学机械布局强度取振动国度沉点尝试室,江苏南京210016)摘要:论文设想了一种超声波切割刀,它正在材料加工以及医疗卫生范畴有普遍的使用前景。超声波切割刀 是由超声波换能器、切割刀头和夹持进给安拆构成的。该安拆操纵超声换能器激发布局共振,通过变幅杆将振动 放大,再通过刀头将碰撞和冲击能量传送到被切介质,以致材料委靡破裂,达到切割的目标。文章起首成立了其 布局的无限元模子,通过模态阐发协调响应阐发,优化其布局。然后研制了一台超声波切割刀样机,通过模态试 验无限元阐发成果。最初设想了一套测定切割力的系统,别离对45钢和65锰钢材质刀头的切割力进行测定, 并对测定命据进行阐发比力,获得切割力力学特征,它为进一步改良超声波切割刀的设想供给理论根据。 环节词:超声波切割刀;无限元阐发;切割力 0引言 (1)研究布景 超声切割是近20年兴起的一项切割工艺手艺,次要用做超声加工,它正在医疗卫生范畴中也 有使用。分歧于保守的高速铣钻工艺,超声切割手艺的焦点是超声切割头,其根基道理是操纵一 个电子超声发生器【lJ,先发生频次正在20~50kHz范畴内的超声波,然后通过置于超声切割头内的 超声一机械转换器lZJ,将本来振幅和能量都很小的超声振动转换成同频次的机械振动,再通过共 振放大,获得脚够大的、能够满脚切割工件要求的振幅和能量(功率), 最初将这部门能量传导 至超声切割头顶端的刀具上,对所加工的复合材料进行切割。 超声切割目标正在于更无效、更切确地加工正在航空制制范畴获得越来越普遍使用的复合材料, 如玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、各类蜂窝材料、预浸纤维材料和各类泡沫材料等。树脂基复 合材料以其高比模量、高比强度等一系列优同性能,普遍使用于航空、航天、军事等范畴。目前大 部门树脂基复合材料的制制采用铺层方式;该方式是正在热压固化之前先将纤维预浸料按产物要求 加工成所需的外形,而成型后一般不再进行加工。因而纤维预浸料的切割下料正在批量出产、成型复 杂布局成品时很是主要。超声刀切割手艺操纵超声所惹起的附加机械感化,可清洁、快速堵截纤维 材料,对预浸料切割是一种合适的方式。别的,跟着科学手艺的飞速成长,光学玻璃、硅晶体、陶 瓷等硬脆材料正在各个工业范畴中获得了极为普遍的使用。正在硬脆材料的加工中,锯切加工往往是 第一道工序,拥有很主要的地位,切割加工的成本约占整个加工成本的50%。近十几年来,跟着 超硬材料的敏捷兴起,硬脆材料的切割加工手艺成长很快,新工艺、新设备、新方式不竭出现。 超声切割不受材料能否导电的,东西对工件的宏不雅感化力小、热影响小,因此可加工薄壁、 窄缝和薄片工件,目前正在硬脆材料细密超细密制制方面,将功率超声取分歧工艺复合是研究的热 国外正在近年来发觉,当金属刀头以超声频次55.5kHz进行机械振荡,取生物组织接触,可 使生物组织内水汽化,卵白氢键断裂,细胞崩解,组织被切开或凝固而封锁小血管。介于这种特 .201. 性,超声切割手艺又可使用到手术东西上,制成切割止血刀,运片j到医疗11生范畴19”l。 (2)研究现状 正在国内,沈阳理工大学郭玉泉等人研究了超卢切割用搓电换能器理论设想及无限元仿实”“: 工业大学的刘井权等人做了超声刀切割系统的模态阐发”“,探时了切割川片几何尺寸的变 化对变幅杆取切割刀片组台体固有频次的影响: 厦门大学的武敬等人研究了微型超声手术月的 等效电取压电驱动电源Il…。正在国外,Andrea Cardoni等人设想并研究r种新鲜的多刀片切割 安拆”“:Chandra Nath等人做了超声切割低台金钢的尝试研究”“:Georg Eggers等人做了超声 切割使用正在目切割和颌面部手术上的尝试研究””;D KUNDE等人做了使用正在妇科腔镜中的超 声切割仪器设想””。 布局设想 本文成立了系统的无限元模子,通过模志阐发协调响应阐发,优化其布局。研制了一台超声 波切割刀样机.通过模态试验验证了无限元阐发的成果。设想了一套测定切割力的系统,别离对 45钢和65锰钢材质刀头的切割力进行测定,并对测定命据进行阐发处置,获得切割力特征,为 进一步改良超声波切割刀的设想供给理论根据。l布局设想 图1为超声波切割刀零件示企图.其外框由45钢的柱块全体线切割而成,拆卸布局简练, 紧凑。如图2为超声波切割刀内部布局示企图.刀身置于止中,通过柔性机构””取内框相连.内 框通过j一部压紧螺栓调理垂曲位移。形成刀身的超声波换能器,包罗头部(刀头)、尾部、压电片 和电极片等零部件,通过一根螺栓紧固而成,压电陶瓷片为PZT8的纵振片。该安拆正在电撮片上施 加超声波频次的高频交换激励电压,操纵压电材料的逆压屯效麻,使超声波驱动器发生超声频次的 共振(丰要为纵振),井通过毖变幅杆将振幅放大;通过刀头将碰撞和冲击能量传送到被切介质,致 使材料委靡破裂,达到切割的日的。考虑到布局简练以及拆卸便利,将川头取变幅杆设想为一体。 蚓I超声波切割,J零件示意圈 囤2超卢波切割月内部布局示意罔 2动力学阐发 设想采纳ANSYS无限元仿实”…取试验相连系的准绳。正在已知的一组设想参数做为根本的条 件下,对切割刀进行模态阐发,谐响应阐发,以及ANSYS的优化设|十。具体如下:对刀身进行 ANSYS的建模,酋先辈行参数化建模,定义材料等根基操做,预紧螺栓和尾部材料均为45制, 其单位类型为solid45,压电材料为PZT8的纵振片,其单位类型为solid5,前端变幅杆的材料为45 钢,单兀类型为solid45。其无限元模子暗示为: 图3超声波切割刀的无限元模子 划分网格后进行模态阐发,谐响应阐发。通过图4的超声波切割刀振型图,确定振子纵振节 点,从而确定刀身的。别离采用并200V电压做谐响应阐发.找到最大的纵振 振幅,如图5位移云图所示,刀头处振幅获得最大程度的放大。通度日络度阐发,发觉对方针函 数影响最大的是变幅杆的长度,后部端盖的曲径等其它参数影响很小,可咀忽略,然后进行优化 处置.正在获得的成果中因为参数的变化范畴比力小,为了便于机械加工,采纳近似去整的法子。 获得最初做为加工的设想参数。 圈4超声波切割刀振型匿由以上的阐发获得,一阶纵向共振频次为42387Hz 3尝试分折 ’,’。iF2}¥。—而Jo_ 霉5刀身位移云图 纵向振幅为1.7tun。 3l扫频及模态试验。 按照以上动力学设想,制做了超声波钻探器的样机。并用PSV多谱勒测试仪对样机进行了模 态尝试(如图6).扫频的范畴为0~50kHz.给钻探器的电压为100V,试验成果如图8所示: 正在0~50ldlz的频次范畴内的一阶纵振频次,值为41890Hz,申明优化的成果达到了预期的目标, 同时取仿线超声被切割刀的扫频成果 32切割力测定 (1)试验系统引见 为了权衡超声波切割刀的切割能力,选择切割力 做为权衡目标。本文设想了一套测定切割力的系统。 该系统由力传感器、测力仪、采集卡和电脑构成。图 7为响应的系统布局图。力传感器的拆卸如图7所示, 它操纵了两个台钳。台钳1束缚刀身,防止其上下运 动。将台钳1置于台钳2上,刀头顶住台钳2的硬质 端面。再通过台钳2将力传感器项正在刀身底部,进而 调理预压力井测得切割力。 蹦7切割力测定系统 力传感器测得切割力,它采集到的数字信号通过LCl015的数模转换变为模仿信号,再由数 据采集卡采集,通过Pc机上的数据采集系统。对输出力进行采集测定。图8为切割力采集系统 的道理框图。采集的数据通过上位机传送给电脑,并颠末电脑处置输出测试成果。图9所示为 labview数据采集系统,为了使数据精度脚够,设置其采集频次设定为100khz。 图10 65锰钢刀头取45钢刀头切割力(辅八电压200v) 图1l预压力16N时切剖刀不变形态的切割力特征 固定输入电压为200V,利用65锰刀头进行试验,测得分歧预压力下切割力大小,做图线并 进行线所示。可得切割力比预压 力平均高60N摆布,增幅较着。考虑通俗切割, 其切割力仅仅取所加预压力相关,而超声波切割 刀正在原有预压力根本上会有一个较大的增幅,这 对提高切割效率具有主要的意义。 4结论 本文设想了一种新型的超声波切割刀。成立 了系统的无限元模子,通过模态阐发协调响应分 任压力tI)图12超声切割刀的切割力取初始预压力比力 (65锰刀头,输入电压200V) 析,优化告终构并研制了一台样机,并通过模态试验印证了无限元阐发的成果。设想了一套测定 切割力的系统,对切割力进行测定。尝试表白:65锰钢刀头正在不异的输出电压下输出力要高于 45钢刀头,进一步猜测刀头刚度越高发生的输出力越大;固定预压力,超声波切割刀达到不变工 做形态时,切割力近似呈微幅周期震动,取超声换能器的纵振振型特征相符:固定输入电压为 200V,超声波切割刀(65锰刀头)的切割力比预压力高60N摆布,增幅较着,对提高切割效率 具有主要的意义。uedbet官网手机版网扯本切割刀体积小,能耗低,切割力大,振动幅度小,进而能够集成于小型工做 平台中,正在材料加工范畴以及医疗卫生范畴均有具有必然的适用价值。 参考文献 SusarmZahnYvonne SchneiderHarald Rohm.Ultrasonic cutting excitationmagnitude cuttingvelocity cuttingwork.Innovative Food Science EmergingTechnologies.2006,7: 288_.293. 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Nanjing University ofAeronautics andAstronautics,Nanjing 210016) Abstract:This paper does asttucture design experimentresearch ultrasonicknife cutting system.The ultrasonic knife cutting system ultrasonictransducer,a curer a鲥pperfeeder.The ultrasonic transduce"engenders high frequency vibration,which lead structure.Amplitudetransformer Can magnify cutterthematerial Can cutthrough.It has vast prospective application materialsprocessing.The finite element model systemWaS established.By modalanalysis,harmonious response analysis furtheroptimization ofthe systemthe design ofthe system done.Amodal machine experiment.Wedesign asystem cuttingforce,then do Carbonsteel C45 65Mnsteel.By compare commoncutterwe get furtherresearch. Key words:Ultrasonic knife cutting system;Finite element analysis;Cutting force

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