具有复合型工具的超声加工声学系统设计*

2018-08-23张云电金义坤

机电工程 2018年8期

康凯，张云电*，赵猛，张豪，金义坤，程浩

(1.杭州电子科技大学机械工程学院，浙江杭州 310018；2.浙江省机械工业情报研究所，浙江杭州 310009)

0 引言

硬脆材料和复合材料具有超越传统材料的优异性能，已经在社会上得到了广泛应用。但它们的加工却一直是科学界的难题，因为它们具有低塑性、易脆性以及表面组织易受损等缺点，常用的电火花加工，化学腐蚀等加工方法都无计可施，即使能简单加工，也存在效率低、质量差、耗能高等问题，而且一些复杂的结构也无法加工[1]。

随着超声加工技术的问世，硬脆材料和复合材料不能加工的问题得以解决，但仍然存在着加工效率低、加工质量差等问题[2-3]。20世纪60年代，出现了旋转超声加工技术，将超声加工技术和传统金刚石磨削加工技术结合了起来，使其在加工过程中具有工具磨损小和加工精度高等优点。

超声加工声学系统是超声主轴的核心。现阶段，大部分声学系统的变幅杆采用阶梯式、圆锥式或指数式，而刀具采用圆形刀或者尖型刀。杭州电子科技大学马中秋对超声波切割主轴系统进行了研究，介绍了超声切割的基本原理，分析了各种变幅杆优缺点，并对圆形刀和尖型刀进行了总结，最后结合实验介绍了复合变幅杆的优越性。

基于以上研究，本文主要针对旋转超声加工声学系统的设计，对复合变幅杆和复合电镀金刚石刀具进行设计分析。

1 旋转超声加工

超声波加工工件时，超声波发生器通过导电滑环连接超声换能器，使发生器中的电磁振荡转换为相同频率且与工件表面方向垂直的超声机械振动，其振幅通过变幅杆放大，驱动工具端面作超声振动[4]。传统的超声加工机理是磨料悬浮液中的磨料在工具的超声振动和相应的压力下，高速不停地冲击加工区，最终击碎成颗粒或粉末。

在旋转超声加工工件时，所用的工具表面磨料不仅具有冲击作用，还具有一定的公转速度，这就导致磨料在很高频率下不断的撞击工件表面的情况下，也对工件表面造成损伤，故该旋转超声加工可以说是超声加工和磨料磨蚀去除加工的合二为一，具有锤击、磨蚀和撕扯3个特点。

其工作原理如图1所示。

图1 旋转超声加工机理图

2 旋转超声加工声学系统设计

旋转超声加工声学系统主要由3部分组成，分别是换能器、变幅杆和工具杆。

声学系统如图2所示。

图2 声学系统1-金刚石复合刀具；2-变幅杆；3-法兰盘；4-换能器

2.1 换能器

超声换能器把超声振动系统中的电信号转化为机械振动信号，它是声学系统中关键组件之一[5]。其中，磁致伸缩换能器和压电换能器应用最广。由于磁致伸缩换能器的电声效率比较低，在工业生产中一般选用夹心式压电换能器。

旋转超声振动系统工作在超声频的低频段15 kHz～25 kHz，夹心式压电陶瓷换能器正好与其相符，且有较高的电声转换效率。

2.2 变幅杆

鉴于单一变幅杆存在的各种问题，局限性很大，本文设计出新型复合变幅杆-一段圆锥形三段圆柱形。根据研究需求，笔者设计的变幅杆额定工作频率为20 kHz，采用1/4波长，材料选取合金钢。

该复合变幅杆结构如图3所示。

图3 变幅杆

该复合变幅杆由4段单一的变幅杆组成，圆柱形变幅杆为L1,L3和L4，在L1和L3之间用圆锥变幅杆L2进行过渡，降低了L1到L3到过渡时应力突然变小的情况。在L3之后延伸一段L4主要就是为了加大变幅杆的放大系数，更好地保证工件切割。

由于四端网络法相比较于解析法具有直观性、易变换性、计算量较小等优势[6]，这里采用四端网络法设计复合式变幅杆，也可以看成由多个单一变幅杆合成的组合体，每段都可以看作是一个独立的网络矩阵，再各个矩阵串联，从而得到整体网络矩阵，最后再通过整体网络矩阵计算求得所需要的工作频率和它的放大倍数[7]。

笔者可以通过已知条件(工作频率要求)，分析计算求出各自的尺寸。

根据边界条件：u|x=0=uP,u|x=L=u2；以及平衡条件：F|x=0=-F1,F|x=L=-F2，得出以下方程组：

(1)

复合变幅杆放大系数为[8-9]：

(2)

复合变幅杆频率方程为：

(3)

2.3 工具杆

旋转超声加工所用的工具杆材料是金刚石，主要分为烧结式和电镀式金刚石工具杆，电镀金刚石刀具价格低廉，烧结式金刚石刀具实用性好。为了节约成本，本研究选择电镀金刚石工具杆。

在旋转超声加工中，超声加工的刀具一定要能够承受住具有高频的交变载荷，才能够有可靠地将超声变幅杆传输来的能量载荷传递给工具，可以看出变幅杆和工具杆之间的连接方式至关重要，常见的焊接虽然可以避免这个问题，但是当变幅杆和刀具杆有一方破坏，就需要全部更换，故此本研究选用螺纹连接方式，使其更换刀具方便，在这里也要尽可能地避免连接处的损失，保证它们的同轴度，确保连接紧密[10-11]。

本次设计的刀具杆，可以通过以下公式计算得出，在这里采用了等效质量法。

(4)

式中：M—等效质量；ρ—材料密度；S—工具端面的截面积；m—工具的质量；m=ρlS；k—圆波数；l—工具长度。

本研究设计出一个复合工具杆-三段圆柱形与一段指数型组成的复合杆件(3和4之间采用指数型过渡，避免了载荷突变而引发刀具破坏的情况)。

工具杆如图4所示。

图4 工具杆

3 变幅杆、刀具有限元分析

变幅杆、工具杆材料都选用40Cr合金钢，弹性模量为E=2.11×1011N/m2、泊松比为0.27、密度为7 820 kg/m3。

笔者在ANSYS Workbench有限元分析软件中，先进行网格划分，变幅杆网格划分如图5所示。

图5 变幅杆网格划分

变幅杆第四阶位移云图如图6所示。

图6 变幅杆第四阶位移云图

工具杆网格划分如图7所示。

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