超声喷丸加工系统中变幅杆是非常重要的组成部分,起着汇聚能量、阻抗匹配以及放大振幅的作用。实际生产中对变幅杆有不同的要求。一方面,在加工强度较大的超声喷丸系统中,往往需要使变幅杆的放大系数以及形状因数都尽可能大一些;另一方面,在某些情况下,当换能器向介质辐射声波时,为了提高辐射声能,时常采用加大辐射面积来改善换能器与辐射介质之间的阻抗匹配。为了提高超声喷丸的效率,超声喷丸的过程中有时也需要增大变幅杆输出端的尺寸,因为较大的输出端面能够放置较多的撞针或者较多的弹丸。因此,很有必要设计一种有较大放大系数与较大输出端面的变幅杆。本文的研究内容如下:1)研究设计了一种新型的变幅杆,即幂函数形复合变幅杆,这种变幅杆能够克服单一变幅杆放大系数与形状因数的限制。采用理论推导的方法对该幂函数形复合变幅杆进行分析,求得频率方程与放大系数等参数。2)在设计幂函数形复合变幅杆时,变幅杆的频率仿真值往往小于频率设计值;这种偏差会随着变幅杆截面尺寸的增加不断扩大。根据瑞利近似修正理论,对这种现象产生的原因进行了理论分析;理论推导了幂函数形复合变幅杆谐振频率的修正公式,对于复杂变幅杆的频率修正有一定借鉴意义。同时借助分析软件ABAQUS进行模态分析,验证理论推导的正确性。3)设计分析了大端面指数-圆锥复合形变幅杆,这种变幅杆有较大的输出端面,能够辐射较大的声能,能够提高超声喷丸的加工效率。理论推导了这种大端面复合形变幅杆的放大系数以及频率方程的公式。4)在设计大端面指数-圆锥复合形变幅杆时,变幅杆的频率仿真值往往小于频率设计值;这种偏差会随着变幅杆截面尺寸的增加不断扩大。根据瑞利修正理论,理论推导了指数-圆锥复合形变幅杆谐振频率的修正公式,对于复杂变幅杆的频率修正有一定借鉴意义。同时借助分析软件workbench进行模态分析,验证理论推导的正确性。5)根据所设计的两种变幅杆,设计了两种表面强化处理方式。对于幂函数形复合变幅杆而言,由于输出端面较小,可以在变幅杆的端面放置撞针;对于有较大端面的指数-圆锥复合形变幅杆而言,由于输出端面比较大,可以在端面放置弹丸。6)将第一种模型进行简化,这样可以方便问题的研究。将撞针对工件的作用简化为弹丸冲击工件,这样两种模型可以共用一种形式的仿真模型。采用LS-DYNA中显式动力学分析的方法进行弹丸撞击模拟。由于喷丸的影响因素很多,在此着重考虑了弹丸速度、入射角度、弹丸半径大小对喷丸效果的影响。针对每种影响因素,分别得出了对喷丸效果的影响规律。