康 凱，張?jiān)齐?，趙 猛，張 豪，金義坤，程 浩

(1.杭州電子科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省機(jī)械工業(yè)情報(bào)研究所，浙江 杭州 310009)

0 引 言

硬脆材料和復(fù)合材料具有超越傳統(tǒng)材料的優(yōu)異性能，已經(jīng)在社會(huì)上得到了廣泛應(yīng)用。但它們的加工卻一直是科學(xué)界的難題，因?yàn)樗鼈兙哂械退苄?、易脆性以及表面組織易受損等缺點(diǎn)，常用的電火花加工，化學(xué)腐蝕等加工方法都無(wú)計(jì)可施，即使能簡(jiǎn)單加工，也存在效率低、質(zhì)量差、耗能高等問(wèn)題，而且一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也無(wú)法加工[1]。

隨著超聲加工技術(shù)的問(wèn)世，硬脆材料和復(fù)合材料不能加工的問(wèn)題得以解決，但仍然存在著加工效率低、加工質(zhì)量差等問(wèn)題[2-3]。20世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)，將超聲加工技術(shù)和傳統(tǒng)金剛石磨削加工技術(shù)結(jié)合了起來(lái)，使其在加工過(guò)程中具有工具磨損小和加工精度高等優(yōu)點(diǎn)。

超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)是超聲主軸的核心?，F(xiàn)階段，大部分聲學(xué)系統(tǒng)的變幅桿采用階梯式、圓錐式或指數(shù)式，而刀具采用圓形刀或者尖型刀。杭州電子科技大學(xué)馬中秋對(duì)超聲波切割主軸系統(tǒng)進(jìn)行了研究，介紹了超聲切割的基本原理，分析了各種變幅桿優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)圓形刀和尖型刀進(jìn)行了總結(jié)，最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)介紹了復(fù)合變幅桿的優(yōu)越性。

基于以上研究，本文主要針對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)復(fù)合變幅桿和復(fù)合電鍍金剛石刀具進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

1 旋轉(zhuǎn)超聲加工

超聲波加工工件時(shí)，超聲波發(fā)生器通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)連接超聲換能器，使發(fā)生器中的電磁振蕩轉(zhuǎn)換為相同頻率且與工件表面方向垂直的超聲機(jī)械振動(dòng)，其振幅通過(guò)變幅桿放大，驅(qū)動(dòng)工具端面作超聲振動(dòng)[4]。傳統(tǒng)的超聲加工機(jī)理是磨料懸浮液中的磨料在工具的超聲振動(dòng)和相應(yīng)的壓力下，高速不停地沖擊加工區(qū)，最終擊碎成顆?；蚍勰?/p>

在旋轉(zhuǎn)超聲加工工件時(shí)，所用的工具表面磨料不僅具有沖擊作用，還具有一定的公轉(zhuǎn)速度，這就導(dǎo)致磨料在很高頻率下不斷的撞擊工件表面的情況下，也對(duì)工件表面造成損傷，故該旋轉(zhuǎn)超聲加工可以說(shuō)是超聲加工和磨料磨蝕去除加工的合二為一，具有錘擊、磨蝕和撕扯3個(gè)特點(diǎn)。

其工作原理如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)理圖

2 旋轉(zhuǎn)超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)主要由3部分組成，分別是換能器、變幅桿和工具桿。

聲學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 聲學(xué)系統(tǒng)1-金剛石復(fù)合刀具；2-變幅桿；3-法蘭盤(pán)；4-換能器

2.1 換能器

超聲換能器把超聲振動(dòng)系統(tǒng)中的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，它是聲學(xué)系統(tǒng)中關(guān)鍵組件之一[5]。其中，磁致伸縮換能器和壓電換能器應(yīng)用最廣。由于磁致伸縮換能器的電聲效率比較低，在工業(yè)生產(chǎn)中一般選用夾心式壓電換能器。

旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)系統(tǒng)工作在超聲頻的低頻段15 kHz～25 kHz，夾心式壓電陶瓷換能器正好與其相符，且有較高的電聲轉(zhuǎn)換效率。

2.2 變幅桿

鑒于單一變幅桿存在的各種問(wèn)題，局限性很大，本文設(shè)計(jì)出新型復(fù)合變幅桿-一段圓錐形三段圓柱形。根據(jù)研究需求，筆者設(shè)計(jì)的變幅桿額定工作頻率為20 kHz，采用1/4波長(zhǎng)，材料選取合金鋼。

該復(fù)合變幅桿結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 變幅桿

該復(fù)合變幅桿由4段單一的變幅桿組成，圓柱形變幅桿為L(zhǎng)1,L3和L4，在L1和L3之間用圓錐變幅桿L2進(jìn)行過(guò)渡，降低了L1到L3到過(guò)渡時(shí)應(yīng)力突然變小的情況。在L3之后延伸一段L4主要就是為了加大變幅桿的放大系數(shù)，更好地保證工件切割。

由于四端網(wǎng)絡(luò)法相比較于解析法具有直觀性、易變換性、計(jì)算量較小等優(yōu)勢(shì)[6]，這里采用四端網(wǎng)絡(luò)法設(shè)計(jì)復(fù)合式變幅桿，也可以看成由多個(gè)單一變幅桿合成的組合體，每段都可以看作是一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)矩陣，再各個(gè)矩陣串聯(lián)，從而得到整體網(wǎng)絡(luò)矩陣，最后再通過(guò)整體網(wǎng)絡(luò)矩陣計(jì)算求得所需要的工作頻率和它的放大倍數(shù)[7]。

筆者可以通過(guò)已知條件(工作頻率要求)，分析計(jì)算求出各自的尺寸。

根據(jù)邊界條件：u|x=0=uP,u|x=L=u2；以及平衡條件：F|x=0=-F1,F|x=L=-F2，得出以下方程組：

(1)

復(fù)合變幅桿放大系數(shù)為[8-9]：

(2)

復(fù)合變幅桿頻率方程為：

(3)

2.3 工具桿

旋轉(zhuǎn)超聲加工所用的工具桿材料是金剛石，主要分為燒結(jié)式和電鍍式金剛石工具桿，電鍍金剛石刀具價(jià)格低廉，燒結(jié)式金剛石刀具實(shí)用性好。為了節(jié)約成本，本研究選擇電鍍金剛石工具桿。

在旋轉(zhuǎn)超聲加工中，超聲加工的刀具一定要能夠承受住具有高頻的交變載荷，才能夠有可靠地將超聲變幅桿傳輸來(lái)的能量載荷傳遞給工具，可以看出變幅桿和工具桿之間的連接方式至關(guān)重要，常見(jiàn)的焊接雖然可以避免這個(gè)問(wèn)題，但是當(dāng)變幅桿和刀具桿有一方破壞，就需要全部更換，故此本研究選用螺紋連接方式，使其更換刀具方便，在這里也要盡可能地避免連接處的損失，保證它們的同軸度，確保連接緊密[10-11]。

本次設(shè)計(jì)的刀具桿，可以通過(guò)以下公式計(jì)算得出，在這里采用了等效質(zhì)量法。

(4)

式中：M—等效質(zhì)量；ρ—材料密度；S—工具端面的截面積；m—工具的質(zhì)量；m=ρlS；k—圓波數(shù)；l—工具長(zhǎng)度。

本研究設(shè)計(jì)出一個(gè)復(fù)合工具桿-三段圓柱形與一段指數(shù)型組成的復(fù)合桿件(3和4之間采用指數(shù)型過(guò)渡，避免了載荷突變而引發(fā)刀具破壞的情況)。

工具桿如圖4所示。

圖4 工具桿

3 變幅桿、刀具有限元分析

變幅桿、工具桿材料都選用40Cr合金鋼，彈性模量為E=2.11×1011N/m2、泊松比為0.27、密度為7 820 kg/m3。

筆者在ANSYS Workbench有限元分析軟件中，先進(jìn)行網(wǎng)格劃分，變幅桿網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 變幅桿網(wǎng)格劃分

變幅桿第四階位移云圖如圖6所示。

圖6 變幅桿第四階位移云圖

工具桿網(wǎng)格劃分如圖7所示。

企業(yè)內(nèi)部控制管理是以專業(yè)管理制度為基礎(chǔ)，以風(fēng)險(xiǎn)防范和有效監(jiān)督管理為目的，通過(guò)打造完善的過(guò)程性管控體系、流暢的管控流程來(lái)為企業(yè)經(jīng)營(yíng)發(fā)展保駕護(hù)航的一種規(guī)范性行為。有效的內(nèi)部控制管理對(duì)實(shí)現(xiàn)企業(yè)的統(tǒng)籌性經(jīng)營(yíng)發(fā)展意義重大，在有效的內(nèi)部控制管理約束下能夠引導(dǎo)各部門(mén)員工更好的落實(shí)自己的職責(zé)，確保企業(yè)財(cái)務(wù)管理信息的真實(shí)有效，將企業(yè)發(fā)展運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能遇到的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)控制在合理范圍內(nèi)。

圖7 工具桿網(wǎng)格劃分

工具桿第三階位移云圖如圖8所示。

圖8 工具桿第三階位移云圖

劃定模態(tài)分析頻率范圍為15 kHz-25 kHz,分別選取10階進(jìn)行模態(tài)分析，但實(shí)際變幅桿只有6階模態(tài)可用，參數(shù)如表1所示。

表1 變幅桿各階頻率

工具桿只有3階可用，參數(shù)如表2所示。

表2 工具桿各階頻率

由上述分析可以得出，當(dāng)變幅桿在第四階模態(tài)諧振頻率為20 074 Hz，此時(shí)與理想諧振誤差為74 Hz，小于5%的誤差范圍，滿足變幅桿設(shè)計(jì)要求，在位于云圖振動(dòng)頻率最小的地方增加法蘭盤(pán)。

由上述刀具在第三階諧振頻率為20 057 Hz，此事與理想諧振誤差為57 Hz，同樣低于5%的誤差范圍，滿足刀具設(shè)計(jì)要求。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本研究選用蜂窩材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，所用到試驗(yàn)工具有超聲主軸裝置、發(fā)生器、溫度測(cè)試儀、蜂窩材料、機(jī)床等。

圖9 聲學(xué)系統(tǒng)實(shí)物圖

當(dāng)設(shè)置振動(dòng)頻率為20 kHz左右時(shí)，所切割蜂窩材料如圖10所示。

圖10 蜂窩材料切屑

加工出來(lái)的材料切屑表面平滑，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)毛刺，加工質(zhì)量好，且在加工過(guò)程中無(wú)污染。由此可知：所設(shè)計(jì)的聲學(xué)系統(tǒng)能夠很好地加工蜂窩材料，故該復(fù)合式超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)滿足加工復(fù)合材料和硬脆材料要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了硬脆材料和復(fù)合材料具有復(fù)合型工具旋轉(zhuǎn)超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)，對(duì)換能器進(jìn)行了選型，對(duì)復(fù)合式變幅桿和電鍍金剛石復(fù)合刀具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸分析，并利用有限元分析軟件進(jìn)行了模態(tài)分析和硬脆材料(蜂窩材料)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

仿真結(jié)果表明：變幅桿和刀具在20 kHz時(shí)是理想的振幅，設(shè)計(jì)具有可行性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該具有復(fù)合型刀具的聲學(xué)系統(tǒng)可以高質(zhì)量、高效率的加工硬脆材料和復(fù)合材料。

在下一階段，本研究將對(duì)設(shè)計(jì)的新型復(fù)合電鍍金剛石刀具進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合機(jī)器人技術(shù)，把超聲主軸安裝在機(jī)器人的機(jī)械臂上，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料和硬脆材料的復(fù)雜形狀零件加工。