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超声波切割刀结构设计和切割力实验研究
沙金,姚志远,焦阳
(南京航空航天大学机械结构强度与振动国家重点实验室,江苏南京210016)
摘要:论文设计了一种超声波切割刀,它在材料加工以及医疗卫生领域有广泛的应用前景。超声波切割刀
是由超声波换能器、切割刀头和夹持进给装置组成的。该装置利用超声换能器激发结构共振,通过变幅杆将振动
放大,再通过刀头将碰撞和冲击能量传递到被切介质,致使材料疲劳破碎,达到切割的目的。文章首先建立了其
结构的有限元模型,通过模态分析和谐响应分析,优化其结构。然后研制了一台超声波切割刀样机,通过模态试
验证实有限元分析结果。最后设计了一套测定切割力的系统,分别对45钢和65锰钢材质刀头的切割力进行测定,
并对测定数据进行分析比较,得到切割力力学特性,它为进一步改进超声波切割刀的设计提供理论依据。
关键词:超声波切割刀;有限元分析;切割力
0引言
(1)研究背景
超声切割是近20年兴起的一项切割工艺技术,主要用作超声加工,它在医疗卫生领域中也
有运用。不同于传统的高速铣钻工艺,超声切割技术的核心是超声切割头,其基本原理是利用一
个电子超声发生器【lJ,先产生频率在20~50kHz范围内的超声波,然后通过置于超声切割头内的
超声一机械转换器lZJ,将原本振幅和能量都很小的超声振动转换成同频率的机械振动,再通过共
振放大,得到足够大的、可以满足切割工件要求的振幅和能量(功率),最后将这部分能量传导
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。
超声切割目的在于更有效、更精确地加工在航空制造领域得到越来越广泛应用的复合材料,
如玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、各种蜂窝材料、预浸纤维材料和各种泡沫材料等。树脂基复
合材料以其高比模量、高比强度等一系列优异性能,广泛应用于航空、航天、军事等领域。目前大
部分树脂基复合材料的制造采用铺层方法;该方法是在热压固化之前先将纤维预浸料按产品要求
加工成所需的形状,而成型后一般不再进行加工。因此纤维预浸料的切割下料在批量生产、成型复
杂结构制品时非常重要。超声刀切割技术利用超声所引起的附加机械作用,可干净、快速切断纤维
材料,对预浸料切割是一种合适的方法。另外,随着科学技术的飞速发展,光学玻璃、硅晶体、陶
瓷等硬脆材料在各个工业领域中得到了极为广泛的应用。在硬脆材料的加工中,锯切加工往往是
第一道工序,占有很重要的地位,切割加工的成本约占整个加工成本的50%。近十几年来,随着
超硬材料的迅速崛起,硬脆材料的切割加工技术发展很快,新工艺、新设备、新方法不断涌现。
超声切割不受材料是否导电的限制,工具对工件的宏观作用力小、热影响小,因而可加工薄壁、
窄缝和薄片工件,目前在硬脆材料精密超精密制造方面,将功率超声与不同工艺复合是研究的热
点【3-引。
国外在近年来发现,当金属刀头以超声频率55.5kHz进行机械振荡,与生物组织接触,可
使生物组织内水汽化,蛋白氢键断裂,细胞崩解,组织被切开或凝固而封闭小血管。介于这种特
.201.
性,超声切割技术又可运用到手术工具上,制成切割止血刀,运片j到医疗11生领域19”l。
(2)研究现状
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计及有限元仿真”“:
哈尔滨工业大学的刘井权等人做了超声刀切割系统的模态分析”“,探时了切割川片几何尺寸的变
化对变幅杆与切割刀片组台体固有频率的影响: 厦门大学的武敬等人研究了微型超声手术月的
等效电路与压电驱动电源Il…。在国外,AndreaCardoni等人设计并研究r种新颖的多刀片切割
装置”“:Chandra
Nath等人做了超声切割低台金钢的实验研究”“:GeorgEggers等人做了超声
切割应用在目切割和颌面部手术上的实验研究””;DKUNDE等人做了应用在妇科腔镜中的超
声切割仪器设计””。
结构设计
本文建立了系统的有限元模型,通过模志分析和谐响应分析,优化其结构。研制了一台超声
波切割刀样机.通过模态试验验证了有限元分析的结果。设计了一套测定切割力的系统,分别对
45钢和65锰钢材质刀头的切割力进行测定,并对测定数据进行分析处理,得到切割力特性,为
进一步改进超声波切割刀的设计提供理论依据。l结构设计
图1为超声波切割刀整机示意图.其外框由45钢的柱块整体线切割而成,装配结构简洁,
紧凑。如图2为超声波切割刀内部结构示意图.刀身置于止中,
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