殷 振 李 華 汪幫富 曹自洋

(蘇州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009)

超聲橢圓振動(dòng)在超聲振動(dòng)切削、超聲焊接、超聲研磨、超聲拋光、直線超聲電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)超聲電動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用［1-2］。目前研究人員多采用縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、彎曲振動(dòng)和徑向振動(dòng)中的兩種振動(dòng)形式進(jìn)行復(fù)合來產(chǎn)生超聲橢圓振動(dòng)，需要采用兩組或兩組以上的壓電陶瓷片來激發(fā)產(chǎn)生具有一定相位差的兩個(gè)或多個(gè)振動(dòng)模態(tài)，還必須為每組壓電陶瓷片配置一路超聲驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)，且需要控制各路超聲驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)之間的相位差，超聲振動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大、控制難度高、生產(chǎn)成本高、不易實(shí)現(xiàn)小型化、工作性能不夠穩(wěn)定，這些問題制約了超聲橢圓振動(dòng)換能器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣［3-4］。為了克服現(xiàn)有超聲橢圓振動(dòng)系統(tǒng)中存在的不足、降低超聲橢圓振動(dòng)系統(tǒng)成本和提高超聲橢圓振動(dòng)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，通過對(duì)軸向振動(dòng)夾心式壓電超聲換能器的研究，采用在變幅桿上開槽的方式，設(shè)計(jì)了一種具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)變幅桿的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器振子，該單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器振子只需要一路超聲電源進(jìn)行激勵(lì)，結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動(dòng)難度低［5-6］。

1 單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示為具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)變幅桿的新型單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削裝置，包括殼體單元、置于殼體單元內(nèi)的超聲振動(dòng)換能器、非對(duì)稱結(jié)構(gòu)變幅桿、刀具、超聲波電源以及用于和車床刀架聯(lián)接的刀具支架;超聲振動(dòng)換能器和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)變幅桿聯(lián)接后構(gòu)成單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)振子系統(tǒng)，超聲振動(dòng)換能器為系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換部分，將超聲電源輸出的超聲電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲換能器的縱向超聲振動(dòng)。非對(duì)稱結(jié)構(gòu)變幅桿整體為圓柱形，左右兩側(cè)開設(shè)有3個(gè)錯(cuò)位分布的矩形缺口，矩形缺口的開設(shè)改變了整個(gè)振子系統(tǒng)的振動(dòng)模態(tài)，使單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)振子的縱向振動(dòng)模態(tài)頻率和彎曲振動(dòng)模態(tài)頻率接近，當(dāng)超聲振動(dòng)能量從超聲振動(dòng)換能器傳遞到非對(duì)稱結(jié)構(gòu)變幅桿末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)，即轉(zhuǎn)換為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)變幅桿末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)刀具和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)變幅桿末端一起做超聲橢圓振動(dòng)。

2 單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削系統(tǒng)振子結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 振子系統(tǒng)的模態(tài)分析

模態(tài)分析可以用來確定單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削系統(tǒng)振子的固有頻率和振型，并可以用來判定振子系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)較好的機(jī)電功率轉(zhuǎn)換和振動(dòng)能量傳遞［7］。超聲換能器的后蓋板和聯(lián)接螺釘為45鋼，壓電陶瓷片為PZT8，前蓋板和變幅桿為硬鋁LY-12。基于有限元分析方法，對(duì)單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削系統(tǒng)振子進(jìn)行建模，振子系統(tǒng)的變幅桿、換能器前后蓋板均采用SOLID92單元，壓電陶瓷片采用SOLID98單元，忽略換能器內(nèi)絕緣套管、電極片、環(huán)氧樹脂膠粘劑、聯(lián)接螺栓預(yù)應(yīng)力，并對(duì)螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。將換能器電極的正電極和負(fù)電極對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷界面上的所有節(jié)點(diǎn)分別定義電壓自由度耦合，分別定義短路狀態(tài)兩個(gè)耦合面的電壓自由度為Volt=0。利用Block Lanczos模態(tài)求解方法，設(shè)定求解范圍為:15 000～25 000 Hz，得到單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削系統(tǒng)振子縱向振動(dòng)模態(tài)和固有諧振頻率如圖2所示。

對(duì)單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削系統(tǒng)振子進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展分析后，沿振子軸線設(shè)定分析路徑，得到軸線方向的縱向振幅曲線和應(yīng)力分布幅值曲線如圖3和圖4所示，根據(jù)振子軸線方向振幅曲線的變化規(guī)律，并結(jié)合振子在超聲橢圓振動(dòng)車削系統(tǒng)中的應(yīng)用方式，對(duì)振子的振幅和法蘭位置等振子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整法蘭處縱向振動(dòng)幅值接近于零，并使用圓弧過渡方式來降低振子最大應(yīng)力值，避免振子工作時(shí)在應(yīng)力最大值處出現(xiàn)斷裂等損傷。

2.2 振子系統(tǒng)的諧響應(yīng)分析

通過諧響應(yīng)分析可以得到單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削系統(tǒng)振子在承受隨頻率變化正弦激勵(lì)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，得到其幅頻特性曲線、相頻特性曲線等特性參數(shù)［8-9］。在振子有限元模型負(fù)極上定義電壓自由度Volt=0，在正極上定義電壓自由度為Volt=1 000 V激勵(lì)，分析類型:Harmonic;求解方法:Full;頻率分析范圍:15 000～25 000 kHz;子步數(shù):100;每步步長100 Hz;阻尼系數(shù)0.004;進(jìn)行諧響應(yīng)分析后得到振子輸出端質(zhì)點(diǎn)的幅頻曲線(圖5)。在19 600 Hz附近，振子輸出端質(zhì)點(diǎn)的縱向和垂直方向振幅Uz、Uy達(dá)到最大，且其另一個(gè)垂直方向Ux的振幅極小，其共振頻率與模態(tài)分析結(jié)果一致。通過POST26后處理器還可以得到單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削系統(tǒng)振子的導(dǎo)納曲線(圖6)、導(dǎo)納分量G、B曲線(圖7)、導(dǎo)納圓曲線(圖8)以及振子等效動(dòng)態(tài)支路等參數(shù)，這些數(shù)據(jù)和曲線對(duì)單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削系統(tǒng)振子的加工制作和電路諧振匹配具有一定的指導(dǎo)作用和參考價(jià)值［8］。

3 振子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 振子系統(tǒng)的阻抗測試實(shí)驗(yàn)

阻抗測試實(shí)驗(yàn)可以對(duì)單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削系統(tǒng)振子的阻抗特性進(jìn)行測量，為振子與超聲電源之間的阻抗匹配提供一定的參考依據(jù)，利用PV70A阻抗分析儀，測得單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削系統(tǒng)振子樣機(jī)的諧振頻率、反諧振頻率、半功率頻率，頻率帶寬、動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電容等參數(shù)，另外還可以得到振子的導(dǎo)納圓(圖9)、導(dǎo)納分量曲線(圖10)、對(duì)數(shù)坐標(biāo)阻抗曲線(圖11)、導(dǎo)納(圖12)等相關(guān)圖形曲線，測試結(jié)果均與有限元仿真結(jié)果非常接近，固有頻率差異在5%以內(nèi)，充分驗(yàn)證了有限元分析仿真的指導(dǎo)作用［9］。

3.2 振子系統(tǒng)的振動(dòng)特性測試實(shí)驗(yàn)

在超聲橢圓振動(dòng)切削加工過程中，刀尖的振幅和振動(dòng)軌跡在材料去除中起著重要作用。搭建超聲橢圓振動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)特性測試平臺(tái)(圖13)對(duì)振子輸出端進(jìn)行橢圓振動(dòng)軌跡測量，單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削系統(tǒng)振子加載電壓運(yùn)行10 min后，單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削裝置達(dá)到穩(wěn)定振動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)超聲電源的穩(wěn)定輸出電壓為240 V，電流為1.45 A，利用MTI2100光纖測振儀對(duì)模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲橢圓振動(dòng)切削系統(tǒng)刀尖的X、Z二維振動(dòng)幅值和相位進(jìn)行測量(圖14)，MTI2100光纖測振儀兩個(gè)光纖測頭分別垂直于刀尖的X、Z方向端面，測得超聲橢圓振動(dòng)長短半軸振幅分別為10.3μm和4.2μm，然后使用雙蹤示波器李沙育圖形運(yùn)算功能對(duì)MTI2100光纖測振儀輸出的兩路信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算，即可以得到模態(tài)轉(zhuǎn)換單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)切削系統(tǒng)輸出端長短軸比為2.45的超聲橢圓振動(dòng)軌跡(圖15)，并將之應(yīng)用于如圖16所示的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)切削試驗(yàn)平臺(tái)，經(jīng)加工試驗(yàn)得其精密切削性能良好。

4 結(jié)語

提出了一種具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)變幅桿的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器振子結(jié)構(gòu)方案，基于有限元分析方法，得出了單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器振子的固有振動(dòng)頻率和振型，以及其導(dǎo)納曲線、導(dǎo)納分量G、B曲線、導(dǎo)納圓等相關(guān)曲線與參數(shù)，并對(duì)固有頻率為19 988 Hz的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器振子樣機(jī)進(jìn)行了阻抗測試和動(dòng)態(tài)特性測試，為振子的電路匹配以及振子的設(shè)計(jì)制造提供了數(shù)據(jù)支持，通過實(shí)驗(yàn)測試得出了單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器振子前端長短軸比為2.45的超聲橢圓振動(dòng)軌跡，驗(yàn)證了該單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)精密車削振子單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)效果和車削系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。

［1］曹鳳國.超聲加工［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

［2］趙淳生.超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［3］王桂林，李文，段夢蘭，等.超聲橢圓振動(dòng)車削的切削特性［J］.中國機(jī)械工程，2010(4):415-419.

［4］王躍，札剛，王翠英.超聲波橢圓振動(dòng)切削研究［J］.電加工與模具，2010(3):38-40.

［5］季遠(yuǎn)，李勛，張德遠(yuǎn).超聲橢圓振動(dòng)精密切削［J］.航空制造技術(shù)，2005(1):92-95.

［6］李勛，張德遠(yuǎn).單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削薄壁筒實(shí)驗(yàn)研究［J］.航空學(xué)報(bào)，2008，27(4):720-723.

［7］莫西平.用有限元軟件模擬分析聲學(xué)換能器［J］.聲學(xué)技術(shù)，2007，26(6):1279-1290.

［8］殷振，李華，李艷，等.基于有限元的新型超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)特性研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010(9):27-31.

［9］殷振，李華，李艷，等.超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)新型振子的仿真和實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(8):92-194.