基于超声原理的超声工具,核心部件为能够将电能转换为机械能的超声换能器,其各部件机械连接,存在接触界面。本文以提高超声工具接触界面能量传递效率为目标,以夹心式压电超声换能器为研究对象,对其各部件之间形成的接触面进行分析,由于夹心式压电超声换能器的螺栓连接结构,其接触面间有微滑移的存在,影响换能器的能量传递。夹心式压电超声换能器的能量传递效率可通过其输出端振动强度来表征。本文主要的研究内容:第一,研究超声工具中夹心式压电超声换能器接触界面微滑移产生原因。夹心式压电超声换能器各由前盖,后盖和压电陶瓷晶堆组成,并由预紧螺栓固定。通过对螺栓连接结构进行分析,建立了螺栓连接轴向振动模型,其接触面由于存在切向摩擦,会产生微滑移,并发生能量耗散,损耗的能量与轴向振动的振幅和固有频率的平方成正比。基于微凸体理论,建立考虑滑移粗糙界面模型,将粗糙接触界面等效为薄层介质,求解等效法向刚度和切向刚度。第二,超声工具产生超声振动主要由超声换能器将电能转换为机械能,因此研究超声换能器设计原理,对提高超声工具能量传递效率具有重要意义。超声换能器设计采用传统解析法以及等效网络法,设计并加工谐振频率为23k Hz的纵向夹心式压电超声换能器。对压电陶瓷,前盖、后盖、变幅杆进行了设计,求出了各部件的设计尺寸。第三,在理论尺寸设计的基础上,使用Solid Works对超声换能器各部件进行三维建模;为了简化有限元分析的求解过程,将换能器模型简化后再通过Ansys对其进行有限元分析:首先对换能器进行模态分析,得到其各阶共振频率以及对应的振型,所设计换能器在23109Hz处产生纵向振动;再对其进谐响应分析,查看其输出端面应力、应变、频率响应、加速度响应曲线等,发现所设计的换能器在23109Hz附近其应力、应变等有最大值。根据设计尺寸加工、装配换能器,经阻抗分析仪测得其谐振频率为22290Hz,对比理论计算出的结果与Ansys仿真值,与实际谐振频率,符合良好。第四,对所设计的超声工具的振动强度分布进行测量,验证其设计的合理性,其次,通过改变接触条件,验证微滑移对超声换能器的影响。以上研究内容,对分析超声换能器的振动特性以及提高对超声换能器接触界面的理解具有积极作用,对其他超声换能系统的设计也具有一定借鉴意义。