超声换能器广泛应用于许多工程领域,比如超声清洗、超声焊接、超声加工等应用领域。本文设计一款手持式超声切割刀,它在材料加工领域中有广泛的应用前景,可用于实验室及工作室切割橡胶、ABS塑料、复合材料等。相比普通切割刀,超声切割刀有着切割速度快、切割阻力小、无毛边等优点。全篇论文以提高超声切割刀切割效率为目标,以提高超声切割刀的切割速度和材料切割质量为核心,主要讨论了超声切割刀工作原理、有限元分析过程、优化设计过程、实验验证、工艺试验等理论与技术问题。第一,研究超声切割系统振动模态与响应特性。在概括压电材料结构有限元分析方法的理论基础上,建立[后盖板-压电陶瓷-前盖板-变幅杆-刀片]整个超声切割系统的动力学仿真模型,并对其进行模态分析,得到了理想的轴向纵振模态,继而进行谐响应分析,计算得到超声切割系统的频率响应曲线,从而研究超声切割系统的响应特性。第二,利用有限元分析软件对超声切割系统的结构进行优化设计。在阐述换能器优化设计原理的基础上,初步确定换能器的关键尺寸,然后,基于频率灵敏度方法,即根据轴向模态对各部件的长度和直径的灵敏度的不同,逐步调整各部件的尺寸,优化换能器的振动节点位置及谐振频率,以提高超声切割系统的稳定性、改善其超声特性。第三,实验验证有限元计算结果。根据有限元优化设计的结果,研制一款超声波切割刀,并通过阻抗分析仪与激光多谱勒测振仪对超声切割刀的固有频率与响应等超声特性进行测试。测试结果发现：该超声切割刀的机械性能及超声特性与有限元计算结果相互吻合,满足设计要求。第四,开展切割C/C复合材料板的工艺实验。通过对比有无超声信号情况下切割效果的不同,可以发现：切割刀加上超声振动之后,其切削力显著减少、刃口切割质量得到明显的改善；对比不同超声功率下切削力的大小及切割质量的不同,可以发现：超声功率的提高有利于减小切削力,改善材料表面质量。以上研究内容及理论,有助于了解超声切割刀的工作原理及其优化设计过程,并且对超声切割刀的研制有着重大的指导作用。