基于有限元分析的椭圆振动切削换能器

金沙

摘 要：经过解析以往的纵向震动换能设备的构造，策划出新式的能够在构造不匀称的条件下，单方面带动椭圆形成震动的模式，采取简单的问题代替复杂的问题对换能设备开展有效的静力以及动力学解析，对换能设备的大小开展改良策划，能够推动换能设备震动形式以及谐振速度达到完善的境界，从这个根本上开发出单向带动超声椭圆震动切屑设备，同时使用PCD刀具开展超声椭圆震动切削实验，能够获取品质较好的制造，证明了采取简单的问题代替复杂问题可行性，对换能设备的策划以及策划系数改善与震动方法解析方面进行了可行性的引导，并且也证明了椭圆震动切削可以在很大程度上提升制造品质。

关键词：有限元分析；超声换能器；椭圆振动；PCD刀具

在制造航天器中，对很多工件的制造都要求必须精准，一些工件必须要确保其制造的大小、圆滑度以及圆柱度等系数，并且还要尽最大可能的减小制造时在其外表遗留的应力。在日常的切削制造中，因为切削的作用，只是凭借提升制造工具的敏锐性、减少吃刀量的技术方式对残留在工件外表的应力减小没有太大的作用。超声震动切削拥有减少切削力度、提升制造外表品质以及精准度的优点，不过在日常的超声震动切削时，因为刀具和能够接触到刀面的工件外表会多次的进行摩擦，不仅损坏了工件外表，对刀具也会产生相应的损坏，出现刀刃崩坏，尤其在制造精准度要求高的工件，大多使用金刚石抑或聚晶金刚石硬度强脆性大十分敏锐的刀具时，更加阻碍了超声震动切削在制造精确度高的工件中普及。在二十世纪九十年代，日本的开发工作者第一个提出了在制造精准度高的工件范围内使用超声椭圆震动的切削措施。文章经过简单问题代替复杂问题的方式对换能设备的构造开展解析，变动机械构造的系数，开发除了在构造不平衡的条件下，使用单向就能够带动椭圆震动的超声换能设备，同时使用PCD材质的刀具完成了对铝合金材质材料的精密加工试验，有很好的效果，在很大程度上促进了超声震动在制造精准度高的工件中的使用。

1 超声椭圆振动切削机理

超声震动切削方式是以平常的切削方式为根本，使用超声震动带动刀具出现一种附属的强制震动，刀具和零件能够产生来回式的具有间断的切削方式，进而遗留在配件外表的应力降低，切削范围内温度降低，能够防止积削瘤的出现，在很大程度上提升制造品质。不过平常的超声震动切削存在一定的弊端，刀具和零件来回的多次进行摩擦，对刀具会产生破坏，制造时刀具受力状况如图1中显示的。

从图1（a）可以看出在超声振动切削阶段，刀具要承受主切削力 Nr、吃刀抗力 Nr、切屑与前刀面之间的摩擦力Fr以及以加工表面与后刀面之间的摩擦力Fr，4 个力合成后力对刀尖形成下压力F；而在分离阶段，刀尖主要承受 Nr和Fr，如图1（b）所示，两个力合成后对刀尖形成拉力F，非常容易使刀具在短时间内形成崩刃。

a切削阶段刀具受力 b 分离阶段刀具受力

图1 普通超声振动切削刀具受力示意图

椭圆振动切削与普通振动切削的不同是当刀具与工件处于分离阶段时，后刀面不会与加工工件表面相互摩擦，保证了已加工表面的质量，同时切屑在刀具摩擦力的带动下也顺利排出，大幅度减小了 Nf，降低了工件表面的残余应力。刀尖在Fr和 Nr的作用下承受图 2 中 F 方向的合力，使刀尖不容易疲劳破损。超声椭圆振动切削增强了振动切削所特有的刀具与工件间歇式切削的特性，提高了工件的加工质量和刀具的使用寿命。

2 换能器的结构设计和分析

超声震动切削设备中最关键的构成部位是超声震动换能设备，总体上来讲，换能设备本身分三种震动样式：弯曲、扭转以及纵向震动，如果换能设备自身构造具有不平衡的现象，就会产生复合震动，如纵扭、弯扭以及纵弯震动复合。假如出现了两种复合震动形式，并且其震动具有位差，换能设备就会形成椭圆震动。使用这种换能设备自身构造不平衡的，顺应的调节换能设备的构造系数，就能够取得满足超声震动设备开启椭圆震动的方式。

能够使用简单问题代替复杂问题的方式解析调节换能设备的系数以便能够取得想要的椭圆震动方式。按照换能设备的策划原理以及震动设备制造的需求，应该使用夹心样式的换能设备，这种构造拥有高功率、制作、装置简易等优点，频率在二十到三十赫兹间，并且为了让换能设备构造中具有本身的不匀称，要添加上重量相对较重的大道具，就能够出现想要的椭圆震动。

2.1 动力学分析

使用简单的问题代替复杂问题解析方式是能够得到持续载体的物理方面的数据，使用范畴非常普遍，可以处理很多繁杂的力学以及耦合场中的困难。使用简单的问题代替复杂问题解析静力学以及动力学中的耦合场对此进行解析，可以对所策划的换能设备的震动形式与谐振速度进行正确的模仿以及算计，并且还能够模仿出压电陶瓷累积在换能设备中，谐振速度产生变化这种状态下换能设备的震动。

从算计的构造能够得出，换能设备的构造在添加了具有重量的刀具之后，在机器构造上就出现不匀称性，因为这种不匀称换能设备的震动形式也出现了改变，形成纵弯复合震动形式。需要对换能设备中变幅杆的大小数据进行调节，如图3，让纵弯复合这种震动方式的速度符合策划需要。

2.2 静力学耦合场分析

在换能器纵弯复合振动的谐振频率附近，给换能器的纵向振动压电陶瓷堆加载正弦交流电压，观察换能器附加刀具的振动形式，验证换能器在结构不对称的情况下通过单一的纵向激励，可以产生纵弯复合椭圆振动。在压电陶瓷堆的 4 片压电陶瓷上加载 800cos（2π×22500t）的交流电压，利用有限元静力学分析求解出在加载的条件下附加刀具刀尖的轨迹。

3 结束语

文章经过对超声椭圆震动换能设备构造的探索，建议了可以在单向带动换能设备出现椭圆震动的构造，使用简单问题代替复杂问题的解析方式对换能设备的构造开展了静力学以及动力学中耦合场解析，同时使用光纤探测震动设备对单向带动换能设备开展了检测，证实了在换能设备构造不匀称的背景下，能够经过单向带动椭圆形成震动，并且文章使用这种构造开发了一整套的利用椭圆震动制造的切削体系，经过对LY12零件的制造，获得了精准值很高的结果，证明单向带动椭圆震动的切削方式能够完成精准高的切削加工，由于其只要单向带动并且构造简易，因此拥有十分强的适用特点。

参考文献

[1]李勋，季远，张德远.基于有限元分析的椭圆振动切削换能器[J].北京航空航天大学学报，2005.

[2]王应彪.超声椭圆振动换能器有限元动力学仿真研究[J].河南理工大学，2007.

[3]李华，张德远.新型单激励椭圆超声振动切削系统的研究[J].中国机械工程，2005.

[4]王桂林，段梦兰，张德远.高频超声椭圆振动精密切削[J].制造技术与机床，2010.