功率超声技术是一种广泛应用于工业、农业、国防、医疗卫生和环境保护等部门的超声技术,超声变幅杆是组成超声振动系统的关键部分,将换能器输出的振动位移或振速通过变幅杆进行传输和放大,同时变幅杆在换能器与工件负载之间起到阻抗匹配作用进而使能量能够有效的传递给负载,广泛应用在功率超声的各种实际应用中。圆锥形超声变幅杆是一种常见的用于工业加工过程中的变幅杆,利用其纵振动过程中振幅的放大,实现加工工件等。实际应用中,变幅杆的弯曲振动会影响超声换能器的工作性能,出现啸振,甚至停振。研究变幅杆的弯曲振动,可以为纵-弯、扭-弯等复合型变幅杆的研究提供理论依据。传统超声变幅杆前端与换能器相连,后端与具体的工具头相连,能量沿整个超声振动系统轴线方向传播。在一些实际应用过程中,有时需要改变纵振动的传播方向,并在此基础上实现振幅的放大,如深加工凹面工件、超声手术刀等应用。针对以上问题,文本探究了圆锥形超声变幅杆的弯曲振动,并结合圆锥形变幅杆的纵振动与弯曲振动提出了一种输出端为锥形的夹角型超声变幅杆。具体工作如下:(1)推导了变截面超声变幅杆的弯曲振动方程,对于圆锥形变幅杆,利用Euler-Bernoulli理论,根据锥度等参数,推导了其弯曲振动频率方程,编制了计算程序,并对不同尺寸的圆锥形超声变幅杆的弯曲振动频率做了计算。为了验证计算结果,利用有限元计算了各种尺寸的圆锥形变幅杆弯曲振动频率,并实验测试了不同尺寸的圆锥形超声变幅杆的弯曲振动频率,比较分析,表明在圆锥形超声变幅杆截面直径小于其振动的四分之一波长时,计算的圆锥形变幅杆弯曲振动频率与其固有弯曲振动频率吻合。(2)提出了一种输出端为锥形的夹角型超声变幅杆,结合变幅杆的纵振动方程与弯曲振动方程,根据变幅杆的边界条件与平衡条件推导了输出端为锥形的夹角型超声变幅杆的频率方程。计算了各种不同尺寸的输出端为锥形的夹角型超声变幅杆的纵振动谐振频率。结果表明,变幅杆的纵振动频率与其几何尺寸、夹角有关。长度和半径相同时,纵振动频率随着两杆间夹角的增大而增大;夹角相同时,变幅杆的纵振动频率随着输出杆长度的增加,以及输出端与输入端截面比的增大而减小。将计算得到的纵振动谐振频率代入,可得各种不同尺寸的变幅杆振幅放大系数。结果表明变幅杆输入杆与输出杆长度和半径相同时,振幅放大系数随着两杆间夹角的增大而较小;夹角相同时,振幅放大系数随着输出杆长度的增加,以及输出端与输入端截面比的增大而增大;影响振幅放大系数的主要因素是变幅杆的截面比。(3)利用类传输矩阵方法,对输出端为锥形的夹角型超声变幅杆进行了设计计算。根据传输矩阵理论,将变幅杆分为的输入杆、输出杆,连接质量元三个部分,根据各部分的声学特型建立其特性矩阵,然后依据其各部分端面边界条件及连续、平衡条件,建立输出端为锥形的夹角型超声变幅杆矩阵解析法下的频率方程。计算了不同尺寸的输出端为锥形的夹角型超声变幅杆的频率及振幅放大系数,与理论解析法符合较好。将两种计算结果与有限元计算结果进行比较,分析其纵振动振型模态,并在该模态下计算变幅杆的谐振频率及纵振动位移分布,计算结果与理论结果吻合。为了验证理论计算,机械加工了9套不同尺寸的输出端为锥形的夹角型超声变幅杆,利用德国产Polytec PSV-400扫描式激光测振仪对该型变幅杆的纵振动频率及输入杆与输出杆的位移振幅做了测试,并计算求解其放大系数。结果表明:输出端为锥形的夹角型超声变幅杆实现了在纵振动传输方向改变的基础上,振幅的放大。