袁野杰，魏周玲，傅波

（四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都610065）

0 引 言

在現(xiàn)代制造領(lǐng)域中，大多數(shù)加工方法均不可避免使加工零件產(chǎn)生毛刺，這將影響零件的精度及后續(xù)的加工和裝配，降低機(jī)械產(chǎn)品的整體性能，甚至?xí)＜霸O(shè)備的安全運(yùn)行[1]。因此，去毛刺是機(jī)械加工中一道不可缺少的工序。隨著材料技術(shù)、精密機(jī)械等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)加工零件中的深孔、盲孔、交叉孔等特殊位置毛刺的去除要求越來越高，加之節(jié)能環(huán)保的要求，研究新型去毛刺方法勢(shì)在必行[2]。本文對(duì)超聲振動(dòng)去毛刺系統(tǒng)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)對(duì)工具頭進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化，為超聲振動(dòng)去毛刺系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 超聲振動(dòng)去毛刺系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

毛刺是工件加工后殘留在工件母體上的一小部分材料，要去除它必須使去除毛刺的應(yīng)力超過其極限應(yīng)力。將定值或周期性外力作用于毛刺材料上，使其達(dá)到疲勞強(qiáng)度極限而失效或發(fā)生變形并超過臨界斷裂應(yīng)變，毛刺即可去除。超聲振動(dòng)去毛刺時(shí)，去毛刺工具頭在超聲振動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下周期性地碰撞毛刺，致使毛刺反復(fù)受力，當(dāng)所受力超過了毛刺材料的屈服極限時(shí)，毛刺即被折斷切除，從而達(dá)到去除毛刺的目的[3]。

本文研究的超聲振動(dòng)去毛刺系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和去毛刺工具頭組成，如圖1所示。超聲波發(fā)生器1輸出的高頻電信號(hào)經(jīng)由換能器2轉(zhuǎn)換成縱向機(jī)械振動(dòng)，隨后傳遞給變幅桿3進(jìn)行振幅放大，最后將高頻定振幅傳輸給去毛刺工具頭4，工具頭在超聲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)下對(duì)工件上的毛刺進(jìn)行高速撞擊，直至毛刺斷裂去除，并使工件表面達(dá)到一定的平整度。該系統(tǒng)采用夾心式壓電超聲換能器，此類換能器容易制造，成本低廉，且機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定，在功率超聲領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4-5]。

圖1 超聲振動(dòng)去毛刺系統(tǒng)

2 超聲振動(dòng)去毛刺工具頭的設(shè)計(jì)

工具頭是超聲振動(dòng)去毛刺系統(tǒng)的重要組成元件，其振動(dòng)模式對(duì)毛刺的去除質(zhì)量有重要影響。該系統(tǒng)工具頭采用了縱扭振動(dòng)模式，將縱振和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)復(fù)合在一起，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)交叉孔等特殊位置毛刺的高效率去除。

為了實(shí)現(xiàn)縱扭振動(dòng)，需要在工具頭處將超聲換能器的縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。傳統(tǒng)的將縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的方法是利用2個(gè)換能器在變幅桿的兩端進(jìn)行作用，形成推挽式的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，可獲得較大的輸出功率，但轉(zhuǎn)換效率不高。系統(tǒng)采用在傳振桿上開出若干斜槽，使縱向振動(dòng)在傳振桿中傳播時(shí)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)分量，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)模式之間的轉(zhuǎn)換，以獲得較大輸出功率和轉(zhuǎn)換率的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[4]。系統(tǒng)去毛刺工具頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，工具頭的刀柄由一段圓柱實(shí)體和一段筒壁開有斜槽的圓筒構(gòu)成，斜槽將輸入端傳遞的一部分縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換成扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。工具頭的初始尺寸按照諧振頻率28 kHz，應(yīng)用傳輸矩陣法計(jì)算得到[6]。

圖2 縱扭復(fù)合振動(dòng)工具頭結(jié)構(gòu)

3 超聲振動(dòng)去毛刺工具頭振動(dòng)特性分析及優(yōu)化

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的工具頭結(jié)構(gòu)能否在28 kHz超聲電源驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生諧振，且振型與設(shè)計(jì)一致，借助于有限元分析軟件ANSYS，對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行分析和優(yōu)化[7-8]。

3.1 工具頭的模態(tài)分析

首先研究不同尺寸的矩形斜槽對(duì)工具頭共振頻率及振型的影響。在SolidWorks中建立縱扭復(fù)合振動(dòng)工具頭的參數(shù)化模型，其中斜槽長度a、寬度b、與工具頭軸線的傾斜角r為參數(shù)變量，利用ANSYS Workbench軟件的Design Xplorer模塊對(duì)工具頭進(jìn)行多參數(shù)單一目標(biāo)的有限元分析，獲得各尺寸參數(shù)對(duì)共振頻率的影響，如圖3 所示。

圖3 各尺寸參數(shù)對(duì)共振頻率的影響

由圖3中曲線變化可總結(jié)出：1）縱扭復(fù)合振動(dòng)的共振頻率隨著斜槽與軸線夾角r的增大而在0°～10°范圍內(nèi)增大，在10°～20°范圍幾乎不變，在20°～90°范圍呈下降趨勢(shì)；2）斜槽長度a增大，會(huì)減小復(fù)合振動(dòng)的共振頻率；3）斜槽寬度b增大，復(fù)合振動(dòng)的共振頻率隨之減小。

根據(jù)斜槽尺寸對(duì)縱扭復(fù)合振動(dòng)共振頻率影響的規(guī)律，對(duì)開有A～G型斜槽的縱扭復(fù)合振動(dòng)工具頭分別進(jìn)行有限元模態(tài)分析，結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以證實(shí)此前總結(jié)出的斜槽長度a、寬度b、傾斜角r對(duì)共振頻率的影響規(guī)律準(zhǔn)確，還可總結(jié)出：1）增加斜槽行數(shù)，工具頭輸出的振幅和頻率均有所降低；2）增加斜槽的列數(shù)，對(duì)共振頻率和振幅的影響不大。

表1 幾種斜槽類型的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)工具頭模態(tài)分析結(jié)果

圖4 四種類型工具頭的縱扭復(fù)合振動(dòng)位移圖

圖4展示了A、B、E、F型斜槽工具頭縱扭復(fù)合振動(dòng)的位移云圖。從圖中可以看出，B型斜槽的工具頭在產(chǎn)生縱-扭復(fù)合振動(dòng)時(shí)，輸出端的位移最大，但分布不均勻，而其共振頻率27.845 kHz卻很接近28 kHz，結(jié)合表1中的振動(dòng)位移幅值大小，確定采用B型開槽工具頭將縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換成縱-扭復(fù)合振動(dòng)，但結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 工具頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖5 各個(gè)參數(shù)變量對(duì)工具頭共振頻率的影響

由圖2 可知，復(fù)合振動(dòng)工具頭的軸向尺寸受l8、l9、l10的影響，而斜槽長度a、寬度b和斜槽傾角r亦對(duì)共振頻率的影響重大。根據(jù)制造加工能力，將斜槽的寬度b定為4 mm， 利 用ANSYS Workbench 軟件的Design Xplorer模塊對(duì)工具頭進(jìn)行多變量單目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到27種變量組合，其中 l8、l9、l10、a、r單個(gè)參數(shù)變量對(duì)工具頭共振頻率的影響如圖5所示。

從圖中可以看出，工具頭的復(fù)合共振頻 率 隨l8、l9、l10、a、r 的 增 大而逐漸減小。圖6呈現(xiàn)了各變量因子對(duì)復(fù)合共振頻率的影響敏感系數(shù)，可見工具頭斜槽傾斜角r對(duì)共振頻率的影響最為敏感，斜槽長度a的敏感性次之，據(jù)此建立主要影響因子r和a在設(shè)定范圍內(nèi)變化所得的共振頻率響應(yīng)三維圖，如圖7所示。

圖6 各參數(shù)對(duì)共振頻率的影響敏感系數(shù)

圖7 l10和a參數(shù)的頻率響應(yīng)

根據(jù)優(yōu)化分析后最終確定l8=10 mm，l9=10 mm，l10=28 mm，開槽長度a=10 mm，寬度b=4 mm，傾斜角r=35°。

根據(jù)改進(jìn)后的工具頭結(jié)構(gòu)重新建立有限元分析模型，進(jìn)行模態(tài)分析，得到工具頭縱-扭復(fù)合振動(dòng)的共振頻率為28.361 kHz，振動(dòng)位移云圖如圖8所示。從圖中可以看出，振動(dòng)位移最大分布在刀頭端，且分布均勻，縱-扭復(fù)合振動(dòng)的工具頭設(shè)計(jì)合理。

圖8 優(yōu)化后的B型斜槽工具頭縱-扭復(fù)合振動(dòng)位移云圖

4 結(jié)語

介紹了一種超聲振動(dòng)去毛刺系統(tǒng)，分析了其組成結(jié)構(gòu)。對(duì)縱扭超聲振動(dòng)去毛刺工具頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)具有不同斜槽類型的縱扭復(fù)合振動(dòng)工具頭的振動(dòng)特性進(jìn)行了模態(tài)分析，對(duì)工具頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了合適的超聲振動(dòng)去毛刺工具頭結(jié)構(gòu)，為超聲振動(dòng)去毛刺系統(tǒng)的進(jìn)一步研究和生產(chǎn)應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。