陳 霞

(仁寶電子科技有限公司，江蘇 昆山 215300)

0 引言

超聲振動(dòng)加工技術(shù)誕生于20世紀(jì)50年代，主要用于解決脆硬性材料難加工問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲加工領(lǐng)域進(jìn)行了進(jìn)一步深入研究，使得超聲加工這一技術(shù)向著超精密化方向發(fā)展。從一維振動(dòng)切削到二維振動(dòng)切削，研究人員取得了許多顯著的成果。張德遠(yuǎn)、李勛等[1-2]在一維振子的模型上偏離軸線的位置增加了配重塊，當(dāng)換能器接通高頻電信號(hào)后產(chǎn)生高頻縱向振動(dòng)，傳遞到刀具，由于配重相對(duì)軸線產(chǎn)生的不對(duì)稱的彎矩作用，從而得到彎曲振動(dòng)和縱向振動(dòng)，在變幅桿的最前端復(fù)合形成了橢圓振動(dòng)軌跡。李華、殷振等[3-4]在變幅桿上開(kāi)特殊角度的斜槽，通過(guò)斜槽的模態(tài)轉(zhuǎn)換作用，將換能器的縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐徊糠值膹澢駝?dòng)，在刀尖處形成橢圓振動(dòng)軌跡。

目前橢圓軌跡振動(dòng)切削主要是通過(guò)上述兩種方式在刀具的刀尖處實(shí)現(xiàn)[5-6]，本文旨在研究出一種異形變幅桿，實(shí)現(xiàn)刀尖處的橢圓軌跡振動(dòng)切削。振子的工作原理是：通過(guò)單路電信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，壓電陶瓷片將超聲波能量轉(zhuǎn)化為高頻振動(dòng)，經(jīng)過(guò)變幅桿傳導(dǎo)后放大，最終在異形變幅桿前端復(fù)合成為一個(gè)橢圓振動(dòng)軌跡，刀尖沿著橢圓軌跡進(jìn)行高頻振動(dòng)，與工件進(jìn)行周期性接觸分離。這種切削與普通切削相比較，可以降低刀具切削的溫度和切削力，提高工件的表面質(zhì)量。

1 振子變幅桿的設(shè)計(jì)

振子在切削裝置中起著重要作用，是整個(gè)切削裝置的核心所在，振子的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。振子的部件主要包括后蓋板、前蓋板、壓電陶瓷片、變幅桿等。

圖1 振子結(jié)構(gòu)示意圖

變幅桿是振子設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部分，是能否在切削刃的前端形成橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的核心所在。變幅桿的材料可以為鋁合金，也可以為316L不銹鋼或者45鋼。根據(jù)變幅桿的設(shè)計(jì)原理，通過(guò)公式計(jì)算得到振子各部分尺寸，如表1所示。

表1 振子的結(jié)構(gòu)尺寸

2 振子的前處理

采用ANSYS軟件對(duì)切削裝置的振子進(jìn)行建模，利用命令流進(jìn)行模型的搭建，振子中的壓電陶瓷采用的單元類型為Solid98，前蓋板、后蓋板以及變幅桿的單元類型為Solid95，采用自由網(wǎng)格劃分得到的振子有限元模型如圖2所示。

圖2 振子的有限元模型

3 振子的后處理

3.1 振子的模態(tài)分析

通過(guò)模態(tài)分析可以確定切削裝置振子的固有頻率，由此可以判斷換能器是否對(duì)電功率進(jìn)行了高效的轉(zhuǎn)換。設(shè)置正負(fù)電極的耦合面電壓為0 V，模態(tài)求解的方法采用Block Lanczos，求解的范圍為25 kHz～35 kHz，然后通過(guò)軟件的界面操作可以獲得振子的模態(tài)云圖以及軸向振動(dòng)幅值曲線圖，如圖3和圖4所示。

圖3 振子的振動(dòng)模態(tài)云圖

圖4 振子軸向振動(dòng)幅值曲線圖

通過(guò)圖3的振動(dòng)模態(tài)云圖可以觀察出振子最左端為振子發(fā)生最大形變的位置；通過(guò)圖4振子軸向振動(dòng)幅值曲線可以觀察到振子在X向、Y向、Z向位移以及振子總體振動(dòng)偏移具體量Usum，該振子的諧振頻率為28.003 kHz，前端有彎曲振動(dòng)和縱向振動(dòng)，在振子最左端輸出的Z向振幅最大，在壓電陶瓷片附近(0.136 m處)最小，與預(yù)期一致。

3.2 振子的瞬態(tài)分析

對(duì)振子進(jìn)行瞬態(tài)分析，進(jìn)而確定振子上的刀尖點(diǎn)在一瞬間的運(yùn)動(dòng)軌跡。在振子上設(shè)置28 kHz的頻率，設(shè)置500 V的正弦電壓，利用Full的完全算法，對(duì)所選取的載荷點(diǎn)進(jìn)行瞬態(tài)分析，緊接著通過(guò)POST26后處理器提取選取點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以得到刀尖位置的時(shí)域曲線圖以及刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡圖，分別如圖5和圖6所示。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，刀尖處在Y軸方向和Z軸方向上隨著時(shí)間振動(dòng)曲線均為正弦趨勢(shì)，兩個(gè)方向上的正弦運(yùn)動(dòng)合成了如圖6所示的刀尖處的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

圖5 刀尖時(shí)域曲線圖

圖6 刀尖橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡圖

3.3 振子的諧響應(yīng)分析

切削裝置振子的振幅的量級(jí)是微米級(jí)別的，振子的振動(dòng)狀態(tài)會(huì)極大影響到被加工零件的表面粗糙度。設(shè)置振子諧響應(yīng)的頻率在27.1 kHz～28.3 kHz，經(jīng)過(guò)ANSYS進(jìn)行分析可以獲得振子的導(dǎo)納曲線以及導(dǎo)納圓圖，分別如圖7、圖8所示。振子在不同頻率的導(dǎo)納數(shù)值對(duì)于振子以及超聲波電源制作有一定參考價(jià)值。

圖7 振子的導(dǎo)納曲線圖

圖8 振子的導(dǎo)納圓圖

4 結(jié)束語(yǔ)

基于切削裝置振子的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析得到的模態(tài)、瞬態(tài)以及諧響應(yīng)分析結(jié)果，可以確定所設(shè)計(jì)的切削裝置振子是合理的，在理論研究上是可以實(shí)現(xiàn)橢圓切削加工的。所設(shè)計(jì)的振子可以實(shí)現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)化，在振子的刀尖處復(fù)合出橢圓振動(dòng)的軌跡。本文研究可為振子的實(shí)際制作提供可靠的參數(shù)。