鄒 翔 ，丁 翔 ，朱永偉

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

硬、韌等難加工材料在現(xiàn)代工業(yè)中有廣泛應(yīng)用，如壓電陶瓷和硬質(zhì)合金等。壓電陶瓷硬而脆，傳統(tǒng)機(jī)械加工廢品率高，很難滿足加工效率與精度要求[1]；硬質(zhì)合金具有很高的硬度，且韌性較高，傳統(tǒng)切削方式難以進(jìn)行加工。超聲加工利用工具超聲頻振動激勵工作液中微細(xì)懸浮顆粒撞擊工件，是實(shí)現(xiàn)硬、韌材料高精、高效加工的有效方法。旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)械加工可有效加工硬、韌材料，提高加工效率，促進(jìn)廢屑排除，減小切削力，提高工件表面質(zhì)量[2-4]。超聲復(fù)合電解加工是超聲與電解作用有機(jī)結(jié)合的復(fù)合特種加工方法，可實(shí)現(xiàn)各種硬、韌等難加工零件的高效率、高精度加工[5]，超聲振動促進(jìn)加工產(chǎn)物和熱量排出，改善電極間的流場情況，提高加工過程的穩(wěn)定性，保證加工質(zhì)量[6-7]。分析旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合電解加工機(jī)理，用ANSYS 的Workbench 壓電分析[8]功能分析壓電陶瓷堆，分析壓電陶瓷堆數(shù)與超聲系統(tǒng)振幅關(guān)系，進(jìn)行超聲系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證試驗(yàn)超聲振幅滿足要求；進(jìn)行對比試驗(yàn)，研究旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合電解加工的技術(shù)特性。

1 系統(tǒng)構(gòu)建及加工機(jī)理分析

旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合電解加工系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)超聲振動裝置、電解裝置及數(shù)控裝置組成，如圖1 所示。其中，旋轉(zhuǎn)超聲振動裝置由變頻器、交流電機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、超聲換能器、變幅桿和工具頭（電極）組成。換能器采用夾心壓電式，變幅桿采用指數(shù)形，工具電極可在高速旋轉(zhuǎn)的同時進(jìn)行超聲頻振動。

圖1 旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合電解加工系統(tǒng)示意圖

在旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合電解加工中，材料主要通過旋轉(zhuǎn)超聲振動下微細(xì)磨料顆粒塑性去除以及脈沖電解作用去除[9]，其加工原理如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合電解加工原理圖

電極旋轉(zhuǎn)和超聲振動同時作用在加工區(qū)，顯著增強(qiáng)加工間隙中的超聲效應(yīng)，有效消除電解鈍化，加速電解液循環(huán)和加工產(chǎn)物排出，并對已加工面進(jìn)行超聲拋磨，在提高加工效率的同時提高材料定域蝕除能力，改善加工精度。

2 旋轉(zhuǎn)超聲振動裝置設(shè)計(jì)

2.1 旋轉(zhuǎn)超聲主軸設(shè)計(jì)

超聲裝置通過聯(lián)軸器與電機(jī)相連，電機(jī)接變頻器，電機(jī)驅(qū)動超聲裝置同軸旋轉(zhuǎn)。由變頻器調(diào)節(jié)超聲主軸的轉(zhuǎn)速。主軸裝有碳刷式引電裝置，通過碳刷引線—碳刷—集流環(huán)—電機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成電流回路，在旋轉(zhuǎn)過程中將超聲發(fā)生器的超聲頻電信號傳送給壓電換能器，實(shí)現(xiàn)電極的超聲振動。旋轉(zhuǎn)超聲主軸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)超聲主軸結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 壓電換能器設(shè)計(jì)

壓電換能器采用一定預(yù)緊力的螺桿將前后端蓋、壓電陶瓷和電極片連接起來，螺桿周圍設(shè)有絕緣管，杜絕螺桿在換能器通電中產(chǎn)生干擾，影響換能器正常工作，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 壓電換能器結(jié)構(gòu)示意圖

壓電換能器工作原理是利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，當(dāng)外加電場頻率與壓電陶瓷固有頻率一致時，壓電陶瓷表面可達(dá)最大振幅。但壓電陶瓷的應(yīng)變系數(shù)較小，盡管在共振情況下，可以達(dá)到最大的縱向振幅，但單個壓電陶瓷片所引起的振幅有限，故采用4片疊加得到所需振幅。多個壓電陶瓷片組成的晶堆的長度變化量在電壓不變時為線性變化[10]。

2.3 變幅桿設(shè)計(jì)

換能器前端蓋表面輸出振幅在共振情況下一般為幾微米，達(dá)不到超聲加工要求。而變幅桿能將機(jī)械振動質(zhì)點(diǎn)位移量、速度量進(jìn)行放大，并把能量集中在變幅桿的小端面上傳遞給工具頭。根據(jù)試驗(yàn)要求所設(shè)計(jì)的變幅桿，如圖5所示。

圖5 指數(shù)形變幅桿的設(shè)計(jì)

3 超聲振動系統(tǒng)振動特性分析

通過ANSYS 的Workbench 對系統(tǒng)動力學(xué)特性進(jìn)行分析，由此來得出系統(tǒng)的固有振動特性和諧響應(yīng)特性。固有振動特性指在無阻尼自由振動條件下的系統(tǒng)固有頻率和振型情況。諧響應(yīng)分析用于確定線性結(jié)構(gòu)在受隨時間按正弦（簡諧）規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

3.1 壓電陶瓷堆的模態(tài)分析

壓電陶瓷堆選用的材料為發(fā)射型壓電陶瓷PZT-4，極化方向?yàn)檠睾穸确较?，在ANSYS Workbench 中為沿Y軸方向極化，在工程數(shù)據(jù)源中建立PZT-4 材料相關(guān)屬性，采取電端并聯(lián)、機(jī)械串聯(lián)的連接方式，以下對雙陶瓷片進(jìn)行分析，忽略電極片影響。對壓電陶瓷堆進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格劃分方法，最后生成節(jié)點(diǎn)數(shù)6 385和單元數(shù)3 627的有限元模型。

壓電陶瓷暴露在空氣當(dāng)中，沒有邊界約束，唯一約束為電路狀態(tài)，在考慮壓電效應(yīng)的情況下，需在壓電陶瓷正負(fù)極表面施加0 V 電壓，使其在短路恒壓狀態(tài)下來求解此狀態(tài)下的耦合模態(tài)。

模態(tài)分析設(shè)置當(dāng)中，設(shè)置最大模態(tài)階數(shù)為20，頻率搜索范圍為10 kHz～50 kHz，其前5 階模態(tài)固有頻率分別為18 327 Hz、26 085 Hz、33 094 Hz、42 813 Hz 和48 724 Hz。對于換能器而言，需要壓電陶瓷片的工作模式為上下振動，引起縱向振動。觀察前五階模態(tài)振型圖可知，第四階模態(tài)振型為縱振且最大縱向振幅在陶瓷表面中部，如圖6所示。

圖6 壓電陶瓷堆四階模態(tài)振型圖

3.2 壓電陶瓷堆的諧響應(yīng)分析

根據(jù)所得固有頻率，建立諧響應(yīng)分析模塊，網(wǎng)格劃分與模態(tài)分析一致，在諧響應(yīng)分析中設(shè)置求解頻率范圍為10 kHz～50 kHz，求解方案間隔為50，解法采用完全法，設(shè)置恒定結(jié)構(gòu)阻尼比為0.3%。在壓電陶瓷正負(fù)極施加電壓耦合，正極電壓為200 V，負(fù)極電壓為0 V，進(jìn)行諧響應(yīng)分析。后處理中，選擇壓電陶瓷片表面中心節(jié)點(diǎn)，設(shè)置方向Y軸，得到表面中心節(jié)點(diǎn)的Y軸向幅頻特性曲線，如圖7 所示。由圖7 和后處理結(jié)果可知，諧振頻率為42.80 kHz 時，壓電陶瓷片表面中心處振幅最大，為10.33 μm。在分析樹中選擇求解結(jié)果的定向變形選項(xiàng)，定向變形方向?yàn)閅軸，選擇整個陶瓷堆，打開振幅，可觀察到整個陶瓷堆Y軸方向的振幅情況，如圖8 所示。分析結(jié)果表現(xiàn)出壓電陶瓷材料特性，并且其與模態(tài)分析的結(jié)果吻合，陶瓷片表面中心處振幅最大。

4 超聲振動裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 變幅桿優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的超聲振動裝置的壓電陶瓷數(shù)量為4，當(dāng)超聲振動裝置接工具后，固有頻率有所降低，從19.41 kHz 變?yōu)?8.99 kHz。當(dāng)加載電壓為200 V，振幅也從25.85 μm 降為20.35 μm，影響加工效率。通過ANSYS 對變幅桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到所需的加工要求。將最大縱向振幅MAX_UY的倒數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)最小化視為最優(yōu)。固有頻率f和最大應(yīng)力MAX_EQV作為狀態(tài)變量，f的取值范圍為18 kHz～21 kHz，最大應(yīng)力不超過480 MPa。

設(shè)計(jì)變量是將變幅桿各截面半徑L1，L2，L4，L7，L9，L11，L14在理論設(shè)計(jì)點(diǎn)±0.02 m 變動；L15為諧振長度的1/12，在理論設(shè)計(jì)點(diǎn)±0.01 m 變動，優(yōu)化設(shè)計(jì)圖如圖9所示。

選擇一階循環(huán)控制方式，優(yōu)化后得到合理序列參數(shù)，L1增加0.002 mm，L15減少0.002 mm，振幅從原來的20.35 μm 增大到了23.42 μm，且系統(tǒng)固有頻率也從18.99 kHz 增大到19.10 kHz。優(yōu)化后的超聲振動裝置幅頻特性曲線如圖10所示。

4.2 超聲振動裝置輸出振幅測量

對優(yōu)化后的超聲振動裝置輸出振幅進(jìn)行測量，如圖11（a）所示。測量步驟：將激光位移傳感器合理布置在變幅桿小端面下方，然后打開超聲波發(fā)生器，將超聲振動裝置共振頻率調(diào)整為19.10 kHz。經(jīng)采樣處理后得到振動位移隨時間變化數(shù)據(jù)曲線，如圖11（b）所示，最大振幅約為23 μm，因存在能量損耗，略低于ANSYS 分析結(jié)果。

圖11 旋轉(zhuǎn)超聲振動裝置輸出振幅測量

5 旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合電解加工試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)裝置和參數(shù)

試驗(yàn)采用的加工工具為金剛石固結(jié)磨粒工具頭（粒度100 號）。最高主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)20 000 r/min，超聲振幅最高為23 μm，電解電源2 V～6 V 可調(diào)，通過示波器實(shí)時監(jiān)測電壓信號。

5.2 陶瓷（PZT）加工對比試驗(yàn)

對壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛PZT）進(jìn)行機(jī)械鉆削和旋轉(zhuǎn)超聲加工對比試驗(yàn)，超聲振幅分別為8 μm和16 μm，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速設(shè)置為5 000 r/min，時間為1 min，加工效果如圖12所示，加工深度對比如圖13所示。

圖12 陶瓷材料兩種加工方式試驗(yàn)效果圖

圖13 不同超聲振幅下加工深度曲線

由圖12 可知，機(jī)械磨削后的加工產(chǎn)物成形精度低于超聲加工。由圖13 可知，機(jī)械加工深度遠(yuǎn)小于超聲加工深度。超聲加工工件表面磨痕較小，因超聲振動加入，對工件表面產(chǎn)生強(qiáng)烈超聲拋磨作用，減少工具端面磨粒因摩擦造成的加工劃痕，超聲振動帶動磨粒高頻撞擊工件表面，提高加工效率。

5.3 硬質(zhì)合金加工對比試驗(yàn)

對硬質(zhì)合金（YT15）進(jìn)行不同電解電壓的試驗(yàn)對比，超聲振幅為16 μm，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速設(shè)置為5 000 r/min，脈沖頻率為5 000 Hz，占空比為5∶5，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaNO3水溶液，加工時間為3 min，加工效果如圖14所示。

圖14 硬質(zhì)合金三種加工方式試驗(yàn)效果圖

由圖14 可知，隨著電壓的升高，加工效率明顯提升，6 V電壓下深度明顯深于2 V、4 V。但電壓過高，雜散腐蝕現(xiàn)象也越嚴(yán)重，6 V 電壓的加工表面略有發(fā)黑，在進(jìn)行加工時不宜選擇過高電壓。

6 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)、構(gòu)建旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合電解加工系統(tǒng)，試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠性。

2）應(yīng)用ANSYS 的Workbench 功能對壓電陶瓷堆進(jìn)行動力學(xué)特性分析，對超聲振動裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效調(diào)節(jié)輸出超聲振幅。實(shí)測系統(tǒng)超聲振幅最大可達(dá)23 μm，滿足試驗(yàn)要求。

3）進(jìn)行陶瓷（PZT）和硬質(zhì)合金（YT15）多種加工方式試驗(yàn)對比，試驗(yàn)表明，旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合電解可加工出精細(xì)表面結(jié)構(gòu)，加工效率可提高50%以上。