doi：10.11835/j.issn.1000-582X.2023.105

摘要：超聲換能器是超聲振動輔助切削裝置的核心部件，為研制適用于高速干切的大振幅超聲振動輔助切削裝置，需先設(shè)計研制超聲換能器?；诳紤]刀具的二級放大超聲換能器設(shè)計方法，遵循“變幅桿-超聲換能器”一體式設(shè)計理念，結(jié)合ANSYS有限元軟件的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析結(jié)果，設(shè)計并研制了二級放大超聲換能器。根據(jù)研制的二級放大超聲換能器特性，系統(tǒng)設(shè)計并研制與其相匹配的超聲波發(fā)生器、止轉(zhuǎn)環(huán)、輸電系統(tǒng)和刀柄殼結(jié)構(gòu)。對二級放大超聲換能器進(jìn)行了阻抗分析和振幅測量等性能測試。對所設(shè)計研制的大振幅超聲振動輔助高速干切裝置開展實驗測試分析，探究了其對難加工材料30CrMnSiNi2A加工表面質(zhì)量的改善程度。結(jié)果表明：二級放大超聲換能器縱向振動仿真結(jié)果與理論設(shè)計一致，二級放大超聲換能器輸出振幅穩(wěn)定，在50%輸出功率下縱振振幅為15.4μm，最大可達(dá)25.1μm，且輸出振幅與功率百分比呈正相關(guān)，性能良好；所研制的大振幅超聲振動輔助切削裝置可大幅降低進(jìn)給方向切削力和表面粗糙度，顯著提高難加工材料加工表面質(zhì)量，適用于難加工材料高速干切。

關(guān)鍵詞：二級放大超聲換能器；有限元仿真分析；大振幅超聲振動輔助切削裝置；振幅；超聲振動輔助高速干切

中圖分類號：TG663文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1000-582X（2024）09-014-16

Design and development of a large-amplitude ultrasonic vibration-assisted high-speed dry cutting device and its performance tests

HUANG Xuefeng，CAO Huajun，ZHANG Jin，SONG Yang，KANG Xinzhen

（College of Mechanical and Vehicle Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，P.R.China）

Abstract：The ultrasonic transducer is the core component of an ultrasonic vibration-assisted cutting device.To develop a large-amplitude ultrasonic vibration-assisted cutting device suitable for high-speed dry cutting，the first step is to design and develop the ultrasonic transducer.Based on the design method of the second-stage amplified ultrasonic transducer considering the tool，following the integrated design concept of amplifier-ultrasonic transducer，and combined with the results of modal analysis and harmonious response analysis using ANSYS finite element software，a two-stage amplified ultrasonic transducer was designed and developed.According to the characteristics of the developed two-stage amplified ultrasonic transducer，its matching ultrasonic generator，anti-rotation ring，power transmission system，and tool holder shell structure were systematically designed and developed.Performance tests including impedance analysis and amplitude measurement were carried out for the developed two-stage amplified ultrasonic transducer.Experimental test and analysis of the designed and developed large-amplitude ultrasonic vibration-assisted high-speed dry cutting device were conducted to explore the improvement of surface quality in the difficult-to-machining material 30CrMnSiNi2A.The results show that the longitudinal ultrasonic vibration simulation results of the two-stage amplified ultrasonic transducer are consistent with the theoretical design，and the longitudinal vibration amplitude output is stable.The longitudinal vibration amplitude is 15.4μm at 50%output power and can reach a maximum of 25.1μm，with the output amplitude positively correlated with the power percentage，indicating good performance test results.The developed large-amplitude ultrasonic vibration-assisted cutting device greatly reduces the cutting force and surface roughness in the feeding direction，significantly improves the surface quality of difficult-to-machine materials，and is suitable for high-speed dry cutting of such materials.

Keywords：two-stage amplified ultrasonic transducer;finite element simulation analysis;large amplitude ultrasonic vibration assisted cutting device;amplitude;ultrasonic vibration assisted high-speed dry cutting

隨著航空航天行業(yè)的高速發(fā)展，航空航天領(lǐng)域?qū)Φ湫筒牧系男枨笕找嫱ⅰ６湫筒牧纤哂械母邚姸群蛷?fù)雜結(jié)構(gòu)等難加工特性，使傳統(tǒng)加工技術(shù)方法難以滿足典型材料零部件生產(chǎn)加工的要求[1]。通過引入超聲振動輔助加工技術(shù)，將傳統(tǒng)刀具與工件持續(xù)接觸切削方式轉(zhuǎn)化為脈沖式切削模式，大幅縮短了刀具與材料的接觸時間，進(jìn)而有效地降低了摩擦力和切削熱。超聲振動輔助加工作為以斷續(xù)切削機理為主導(dǎo)的非傳統(tǒng)加工方法，具有切削力小、切削熱低、刀具延壽、表面加工質(zhì)量高等特點，適用于鉆削、銑削、車削和一些特種加工[2]。與此同時，高速干切[3]作為清潔切削加工的關(guān)鍵技術(shù)，無論從加工環(huán)境、加工質(zhì)量或綠色發(fā)展[4-5]等方面考慮，均可滿足航空航天典型材料零部件的加工制造。

超聲振動輔助切削裝置主要由3部分組成，分別為信號發(fā)生、輸電系統(tǒng)和刀柄硬件。信號發(fā)生部分即超聲波發(fā)生器，其主要功能是將交流電轉(zhuǎn)化并輸出頻率大于16 kHz的高頻振蕩信號。Kardys等[6]對超聲焊接領(lǐng)域的數(shù)字信號合成單元進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)了精準(zhǔn)控制多功能超聲波發(fā)生器的輸出參數(shù)；Yokozawa等[7]提出了一種利用開關(guān)的占空比調(diào)節(jié)超聲換能器諧振頻率的動態(tài)追頻技術(shù)；劉寧莊等[8]為了更快捕捉換能器的最佳工作頻率，提出了基于FPGA的諧振自動追蹤策略，提高了超聲波發(fā)生器的工作效率。輸電系統(tǒng)主要有無線輸電非接觸式和導(dǎo)電滑環(huán)電刷接觸式2種形式，其作用是將超聲頻電信號傳遞到刀柄硬件結(jié)構(gòu)中。吳陳軍[1]基于松耦合變壓器原理建立了無線輸電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用感應(yīng)導(dǎo)電的方式設(shè)計了一組可相對高速轉(zhuǎn)動的無線輸電傳輸單元，實現(xiàn)了超聲振動銑削加工。導(dǎo)電滑環(huán)和無線輸電均適用高速干切，但在高速轉(zhuǎn)動條件下導(dǎo)電滑環(huán)易磨損，服役性能方面需采用其他合金涂層材料來提高導(dǎo)電滑環(huán)轉(zhuǎn)速范圍和使用壽命。無線輸電非接觸式受限于單通道信號的傳輸模式，存在傳輸效率低等問題。刀柄硬件部分包含換能器、變幅桿和刀具頭等刀柄結(jié)構(gòu)。朱傳宇[9]基于半波長理論與夾心式壓電換能器設(shè)計理論，設(shè)計了應(yīng)用于超聲輔助SiC陶瓷磨削加工中的旋轉(zhuǎn)超聲刀柄，并依據(jù)磨削力和粗糙度結(jié)果驗證了旋轉(zhuǎn)超聲刀柄的振動加工性能；茆廷學(xué)[10]針對光學(xué)玻璃的銑削加工設(shè)計了一種超聲振動銑削刀柄，并測試了超聲振動銑削刀柄的頻率和振幅分別為23.384 kHz和6.5μm，但是該超聲刀柄振幅較小且無法調(diào)節(jié)輸出振幅，難以適應(yīng)不同工況下的切削加工。為提高超聲振動振幅，已有學(xué)者開展了大振幅超聲換能器的相關(guān)研究。陳桂生等[11]設(shè)計了一種階梯式的換能器，提高了超聲換能器輸出振幅，并指出大振幅超聲換能器起到提高加工效率的效果[12]；靳濤[13]針對蜂窩復(fù)合材料切割加工設(shè)計了一種大振幅超聲變幅桿，通過優(yōu)化變幅桿法蘭盤的厚度和布置U型槽結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了超聲換能器的大振幅輸出，提高了超聲傳遞效率。在齒輪超聲加工領(lǐng)域，梁欣等[14]提出了一種級聯(lián)縱彎諧振新型變幅桿，實現(xiàn)了齒輪分度圓處最大振幅12μm，滿足了齒輪超聲加工需求。潘巧生等[15]設(shè)計了一種等應(yīng)力大振幅變幅桿，通過仿真優(yōu)化調(diào)節(jié)形狀因素和輸出端尺寸，實現(xiàn)了大振幅超聲振動。

超聲振動輔助加工技術(shù)的發(fā)展一方面源于各類典型難加工材料的加工需求，另一方面源于超聲振動輔助加工技術(shù)本身的斷續(xù)切削機理為典型難加工材料提供了一種有效的加工方式[16-19]。Paktinat等[20]針對7075鋁合金材料開展了縱向超聲振動輔助鉆削加工與常規(guī)鉆削的對比實驗，結(jié)果表明超聲振動輔助技術(shù)的引入可起到刀具延壽和減小切削力的作用。Zhou等[21]通過碳化硅增強金屬基復(fù)合材料的超聲振動輔助加工實驗，研究了切削過程中的材料去除機制、切削力、表面粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)，并根據(jù)實驗結(jié)果得出了材料加工的推薦工藝參數(shù)。Ma等[22]開展了碳纖維復(fù)合材料縱扭耦合超聲輔助鉆削實驗，通過變換主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和超聲波參數(shù)，建立了碳纖維復(fù)合材料力學(xué)預(yù)測模型，并通過實驗驗證了預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。Zhang等[23]開展了碳纖維復(fù)合材料軸向超聲振動切邊質(zhì)量的實驗與仿真分析，全面揭示了軸向振動對碳纖維布修邊質(zhì)量的影響機理。從研究現(xiàn)狀可知，超聲振動輔助加工技術(shù)大多應(yīng)用于難加工材料的鉆削加工，而少有學(xué)者開展航空航天典型難加工材料的高速干式銑削加工研究。

因此，針對航空航天典型材料零部件的高速干切技術(shù)，筆者設(shè)計開發(fā)了一種大振幅超聲振動輔助高速干切裝置，將該裝置應(yīng)用于典型難加工材料的銑削加工中，以超聲振動輔助裝置輸出的大振幅超聲振動，提高難加工材料去除率和可加工性，降低切削力和表面粗糙度，從而提高表面加工質(zhì)量。

1大振幅超聲振動輔助切削裝置設(shè)計

1.1二級放大超聲換能器理論設(shè)計與仿真分析

超聲換能器的主要功能是將超聲發(fā)生器輸入的高頻振蕩信號轉(zhuǎn)化為機械振動，進(jìn)而傳遞給變幅桿結(jié)構(gòu)。超聲變幅桿又稱為超聲聚能器，其外形通常為變截面桿。在超聲振動輔助切削裝置中，超聲變幅桿的主要作用是將超聲換能器產(chǎn)生的機械變形放大，并將超聲能量聚集在較小的面積上，以產(chǎn)生聚能作用。變幅桿的種類主要有指數(shù)形、圓錐形、懸鏈形、階梯形和復(fù)合形，復(fù)合形由各種簡單形狀變幅桿根據(jù)實際需要組合而成[24]。本研究中選用圓錐過渡梯形變幅桿結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢在于既可實現(xiàn)高放大系數(shù)，又以圓錐截面過渡，可同時滿足剛性和強度要求，提高變幅桿的工作穩(wěn)定性。另外，為減少能量傳輸損耗，采用變幅桿作為夾心式壓電換能器結(jié)構(gòu)中的前蓋板結(jié)構(gòu)，以滿足“變幅桿-超聲換能器”一體式設(shè)計理念。該理念是將變幅桿作為換能器的前蓋板結(jié)構(gòu)，進(jìn)而縮小整體結(jié)構(gòu)尺寸，提高其緊湊性，減小能量損失[25]。變幅桿-超聲換能器一體式理論設(shè)計示意圖如圖1所示，以節(jié)面中心為原點o，徑向為y軸，換能器中心線為x軸，R1和R2分別為圓錐形部分的輸入端半徑和輸出端半徑；vf為后蓋板輸入端表面振速，ve為換能器輸出端振速；x1、x2、x3、x4、x5分別為后蓋板段位移、壓電陶瓷組段位移、圓錐過渡梯形變幅桿輸入端位移、圓錐形結(jié)構(gòu)位移和圓錐過渡梯形變幅桿輸出端位移；l1、l2、l3、l4、l5分別為后蓋板長度、壓電陶瓷組長度、圓錐過渡梯形變幅桿輸入端長度、圓錐形結(jié)構(gòu)長度和圓錐過渡梯形變幅桿輸出端長度。

所提出的超聲換能器以圓錐過渡梯形變幅桿作為換能器的前蓋板部分，因此超聲換能器的面積函數(shù)為

由設(shè)計理論可知，任意變截面超聲換能器縱振波動方程為[25]

式中：μn（xn）為質(zhì)點位移函數(shù)；Sn（xn）為變幅桿的橫截面積函數(shù)；kn為圓波數(shù)，kn=wn/cn，wn為圓頻率，cn=（En/ρn）0.5為縱波在不同介質(zhì)的傳播速度，En和ρn分別為材料楊氏模量和密度。

如圖1所示，節(jié)面設(shè)計在圓錐過渡梯形變幅桿的圓錐面輸入端，節(jié)面即是變形位移為0的位置，節(jié)面左側(cè)

為后蓋板和壓電陶瓷組以及變幅桿輸入端圓柱面，均為等圓柱截面，即Sn（xn）為常數(shù)，則式（2）簡化為

根據(jù)式（3），可解得通式為

式中：Fn（xn）為縱向彈性力；Zn=ρncnSn（xn）為換能器各個部分的聲阻抗；An、Bn為系數(shù)；j為虛數(shù)單位。

根據(jù)如圖1所示設(shè)計的節(jié)面，節(jié)面左側(cè)的等圓柱截面部分的振速和力的邊界條件為

聯(lián)立式（4）和式（5）中各邊界條件，求得截面左側(cè)等圓柱截面部分的頻率方程為

如圖1所示，節(jié)面右側(cè)結(jié)構(gòu)為圓錐過渡型和等圓柱截面變幅桿結(jié)構(gòu)，因此l5等圓柱截面的振速和縱向彈性力由式（4）表達(dá)，而圓錐形部分的縱振波動方程為

式中，α=l4。

根據(jù)式（7）求得通解

式中：vn（xn）為圓錐部分的振速；Fn（xn）為圓錐部分的縱向彈性力；Cn和Dn為系數(shù)。

根據(jù)如圖1所示設(shè)計的節(jié)面，節(jié)面右側(cè)的圓錐形結(jié)構(gòu)和等圓柱截面部分的振速和力的邊界條件為

式中，vo為圓錐過渡梯形變幅桿輸入端振速。

聯(lián)立式（4）、式（8）和式（9）方程求解得到節(jié)面右側(cè)圓錐形和等圓柱截面部分頻率方程為

圓錐過渡梯形變幅桿為同種材料。因此，k=k4=k5。

超聲換能器由前蓋板、后蓋板、壓電陶瓷組和預(yù)緊螺栓組成。預(yù)緊螺栓的作用是為壓電陶瓷提供預(yù)緊力。前蓋板即變幅桿結(jié)構(gòu)的作用主要是保證機械振動能量有效向前傳遞；而后蓋板的主要作用是保證能量向前傳遞，盡可能減小能量從后表面輻射[25]。因此，前、后蓋板材料均選用40Cr，換能器整體材料屬性如表1所示。

在確定超聲換能器前后蓋板材料后，需對換能器整體尺寸進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，壓電陶瓷片外徑不應(yīng)大于超聲波在壓電陶瓷材料中波長的1/4[25]。材料波長的計算式為

式中：c為壓電陶瓷材料聲速，c=3 150 m/s；f為超聲頻率，f=20 kHz。

壓電陶瓷片的尺寸與變幅桿超聲信號輸入端相同，均為R1。換能器中最核心的部分是壓電陶瓷材料，其性能參數(shù)決定了整個換能器結(jié)構(gòu)的性能。壓電陶瓷重要的性能參數(shù)分別為機電耦合系數(shù)k、介質(zhì)損耗因子tanδE、聲速c、諧振頻率fs等。機電耦合系數(shù)反映壓電陶瓷材料在機械能和電能之間的轉(zhuǎn)換效率；介質(zhì)損耗因子表示壓電陶瓷機械損耗程度。因此，針對超聲振動輔助裝置的應(yīng)用場景，需選用機電耦合系數(shù)高、介電損耗較小的PZT（鋯鈦酸鉛）材料。本研究中的壓電材料選用PZT-8，尺寸為外徑38 mm、內(nèi)徑15 mm和高度5 mm，材料屬性如表2所示。

變幅桿超聲信號輸出端半徑R2的大小考慮了振幅放大倍數(shù)和ER16刀柄頭標(biāo)準(zhǔn)件尺寸。換能器整體結(jié)構(gòu)基于半波長設(shè)計原理，按照傳統(tǒng)設(shè)計方法取值，并結(jié)合式（6）（10）（11），得到圓錐過渡梯形變幅桿的設(shè)計尺寸參數(shù)如表3所示。

換能器需要通過卡簧、壓帽和刀具等零件統(tǒng)一裝配，最終輸出端為刀具末端，因此，需要考慮用于切削加工的刀具尺寸參數(shù)。圖2為設(shè)計時考慮了刀具結(jié)構(gòu)的超聲換能器整體結(jié)構(gòu)，即整個換能器中的放大結(jié)構(gòu)為第一級放大的圓錐過渡梯形變幅桿和第二級放大的刀具部分。一體化設(shè)計更貼近工程應(yīng)用場景，并可得到更大的刀具末端振幅，振幅放大系數(shù)為

在第二級放大部分選用長度60 mm、直徑8 mm的硬質(zhì)合金刀具。根據(jù)設(shè)計參數(shù)，用Solidworks軟件建立二級放大超聲換能器三維模型，模型包含硬質(zhì)合金立銑刀、卡簧、壓帽、圓錐過渡梯形變幅桿、壓電陶瓷組、后蓋板，以及預(yù)緊螺栓，如圖3所示。針對理論設(shè)計建立的模型，采用ANSYS仿真軟件對模型開展模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。ANSYS仿真軟件中先賦予不同零部件的對應(yīng)材料屬性，再采用最大尺寸3 mm的設(shè)定對模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，最后對模型進(jìn)行自由模態(tài)求解。

在刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還需確定刀具懸伸尺寸l6以保證超聲換能器裝配刀具后法蘭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。因此，依據(jù)刀具裝夾的工程經(jīng)驗以及盡可能地保證刀具裝配后法蘭的穩(wěn)定，通過ANSYS仿真軟件探究了二級放大超聲換能器刀具懸伸分別為35、40、45 mm時的縱振模態(tài)，仿真結(jié)果如圖4所示。當(dāng)?shù)毒邞疑鞛?5 mm時，模態(tài)頻率與理論設(shè)計頻率最接近，為19.844 kHz，但此時法蘭結(jié)構(gòu)變形較大，不利于實際安裝。當(dāng)?shù)毒邞疑鞛?5 mm時，模態(tài)頻率已進(jìn)一步偏離20 kHz設(shè)計頻率，且法蘭結(jié)構(gòu)變形更為劇烈，不滿足設(shè)計需求。當(dāng)?shù)毒邞疑鞛?0 mm時，二級放大超聲換能器法蘭結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，符合設(shè)計要求，因此確定刀具懸伸l6為40 mm。

如圖4（b）所示，二級放大超聲換能器的縱振模態(tài)頻率為19.734 kHz。因此，當(dāng)外界激振頻率在19.734 kHz范圍內(nèi)時，二級放大超聲換能器實現(xiàn)縱向振動，驗證了理論設(shè)計的準(zhǔn)確性。圖5為二級放大超聲換能器模態(tài)分析的縱振速度矢量圖，輸出端軸向值最大位置在刀具尖端，振動效果良好，且變形位移為0的節(jié)面位置與預(yù)先理論設(shè)計的法蘭盤結(jié)構(gòu)重合，即設(shè)計結(jié)果與仿真結(jié)果相符。再結(jié)合圖6所示的二級放大超聲換能器諧響應(yīng)分析結(jié)果可知：在ANSYS中對壓電陶瓷材料賦予壓電體特性并施加對應(yīng)300 V電壓后，得到諧振頻率為19.8 kHz，與二級放大超聲換能器縱振的模態(tài)頻率接近。同時，諧振頻率下理論二級放大超聲換能器的最大振幅為16.4μm，進(jìn)一步驗證了換能器理論模型的準(zhǔn)確性。

1.2大振幅超聲振動輔助切削裝置整體設(shè)計

大振幅超聲振動裝置包括超聲波發(fā)生器、止轉(zhuǎn)環(huán)、輸電系統(tǒng)、刀柄殼和二級放大超聲換能器等結(jié)構(gòu)。超聲波發(fā)生器的主要組成部分為信號發(fā)生器、功率放大器、振蕩器和輸出變壓器，其主要功能為將50 Hz的220 V或380 V交流電轉(zhuǎn)化為頻率大于16 kHz的超聲頻交流電信號，為超聲振動輔助切削提供能量[26]。超聲信號發(fā)生器頻率需要同刀柄硬件部分中換能器的固有頻率相匹配。同時，超聲波發(fā)生器的輸出阻抗還需與換能器的阻抗進(jìn)行阻抗匹配[26]。此外，超聲波發(fā)生器還應(yīng)具備自動追頻功能，通過追蹤頻率信號進(jìn)行自我調(diào)節(jié)以尋找換能器的諧振頻率。采用主體結(jié)構(gòu)如圖7所示的自主研發(fā)超聲波發(fā)生器，其主要原理是：用32位單片機的脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）功能做脈沖信號，再通過驅(qū)動芯片放大信號，進(jìn)而驅(qū)動MOS管（金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）；然后取樣匹配電路的2個電壓信號，判斷換能器阻抗變化和頻率改變；最后通過單片機的AD功能對電壓信號采樣，再通過程序算法實現(xiàn)閉環(huán)。經(jīng)過與二級放大超聲換能器的阻抗匹配，所研制出的超聲波發(fā)生器如圖8所示，具備0～100%的功率調(diào)節(jié)、自動追頻、失頻報警和模式調(diào)節(jié)等功能，可實現(xiàn)二級放大超聲換能器不同輸出振幅控制并適用于多種刀具工況，其主要性能參數(shù)見表4。

輸電系統(tǒng)采用默孚龍公司定制生產(chǎn)的MT60130系列導(dǎo)電滑環(huán)。根據(jù)BV8H立式加工中心主軸尺寸及導(dǎo)電滑環(huán)尺寸配套設(shè)計了由止轉(zhuǎn)環(huán)和止轉(zhuǎn)棒組成的止轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其主要作用是固定導(dǎo)電滑環(huán)結(jié)構(gòu)中的定子部分，以保證整體結(jié)構(gòu)正常工作?？紤]到所使用的BV8H立式加工中心主軸適配BT系列刀柄，本研究中與換能器結(jié)構(gòu)相連的刀柄殼結(jié)構(gòu)中的刀柄頭部尺寸為標(biāo)準(zhǔn)BT40系列刀柄頭；殼體部分與換能器法蘭盤最大直徑匹配，并通過4顆M4螺栓與換能器結(jié)構(gòu)中的法蘭盤連接。大振幅超聲振動輔助切削裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

2二級放大超聲換能器性能測試

根據(jù)二級放大超聲換能器設(shè)計參數(shù)，試制換能器后蓋板和變幅桿2個非標(biāo)準(zhǔn)零部件，并同選用的壓電陶瓷片、筒夾、壓帽和刀具等標(biāo)準(zhǔn)零部件進(jìn)行統(tǒng)一裝配后得到如圖10所示的二級放大超聲換能器實物。其中，二級放大超聲換能器中的筒夾為ER16系列，刀具夾持范圍為直徑1～10 mm，壓帽選用ER16MS系列。對所加工的大振幅換能器進(jìn)行阻抗分析和振幅測量，以測試其性能。

2.1二級放大超聲換能器阻抗分析

為探究所加工的二級放大超聲換能器的實際工作頻率與設(shè)計頻率的吻合度以及能量傳遞效率等性能，采用阻抗分析儀對其進(jìn)行阻抗分析。通過阻抗分析儀得到二級放大超聲換能器的串聯(lián)諧振頻率F0、動態(tài)電感L1、動態(tài)電容C1、動態(tài)電阻Ω1、靜態(tài)電容C0和機械品質(zhì)因素Qm等參數(shù)。超聲換能器的整體結(jié)構(gòu)等效電路如圖11所示。

通過使用ZX70A阻抗分析儀對二級放大超聲換能器進(jìn)行測試，得到圖12所示的阻抗特性及參數(shù)。其中，串聯(lián)諧振頻率F0代表二級放大超聲換能器的工作頻率；動態(tài)電阻Ω1的大小代表超聲換能器的機械損耗大小，并可即時反應(yīng)出換能器工作時的發(fā)熱量；動態(tài)電感L1和動態(tài)電容C1的參數(shù)值由換能器本身的壓電體材料和尺寸決定；機械品質(zhì)因素Qm的數(shù)值用以表征換能器的能量傳遞效率，Qm越大表明超聲換能器的效率越高。

由阻抗分析結(jié)果可知，二級放大超聲換能器的串聯(lián)諧振頻率F0為20.617 kHz，與有限元仿真諧響應(yīng)分析頻率結(jié)果偏差3.9%，產(chǎn)生的原因是在仿真分析中壓電陶瓷設(shè)定為均質(zhì)，而實際生產(chǎn)加工的壓電陶瓷片材料不能達(dá)到完全均質(zhì)；此外，在仿真中超聲換能器模型各結(jié)構(gòu)之間的連接裝配均為理想狀態(tài)，而實際裝配過程中接觸面與各零部件連接裝配過程比較復(fù)雜，因此結(jié)果存在一定偏差。動態(tài)電阻Ω1的值較小，為78.4Ω，表明二級放大超聲換能器的熱量損耗較小。動態(tài)電容C1為585.3 pF，代表了壓電陶瓷片在振動工作下的電容變化量。動態(tài)電感L1為101.8 mH，靜態(tài)電容C0為6.3 nF，機械品質(zhì)因素Qm為187.2，這3個參數(shù)值適中。綜合上述參數(shù)，二級放大超聲換能在諧振頻率下能正常連續(xù)穩(wěn)定地工作，能量傳遞效率較高。因此，二級放大超聲換能器性能良好，符合實際工況需求。

2.2二級放大超聲換能器振幅測量

正常工作狀態(tài)下二級放大超聲換能器的振幅大小對材料表面加工質(zhì)量具有重要影響。因此，為保證超聲換能器振幅的測量精度，選用德國Polytec公司生產(chǎn)的OFV-505/5000高性能激光測振儀測量振幅。該設(shè)備的測量方式為非接觸式測量，具備自動聚焦功能，位移分辨率優(yōu)于0.05 pm，頻率范圍為0～24 MHz。測試前的設(shè)備安裝需保證二級放大超聲換能器的振動方向與激光測振儀紅外光線水平，還需通過調(diào)整三腳架將激光頭發(fā)射的光路調(diào)整至貼有反光紙的測試位置，以便于激光的自動對焦和反射，進(jìn)而提高采集穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

測試現(xiàn)場如圖13所示，主要包括二級放大超聲換能器、自主研發(fā)的超聲波發(fā)生器、激光測振儀、接收信號的控制器，以及顯示超聲振動頻率、波形和振幅的示波器。測試數(shù)據(jù)包含超聲波發(fā)生器50%～100%輸出功率下二級放大超聲換能器的不同振幅，振幅值由控制器采集的多組原始數(shù)據(jù)取均值后由Matlab分析得到。

針對超聲波發(fā)生器不同輸出功率，測量其對應(yīng)的二級放大超聲換能器縱振振幅，測量結(jié)果及其變化規(guī)律如圖14所示。二級放大超聲換能器縱向振動輸出振幅隨功率增加而增大，當(dāng)輸出功率為100%時，超聲換能器的縱向振動振幅達(dá)25.1μm。振幅與功率百分比不呈線性關(guān)系，隨著功率百分比增加，振幅增幅變緩，這是由于壓電陶瓷片的性能隨功率提升而逐漸達(dá)到性能上限。

通常情況下，超聲波發(fā)生器選用50%輸出功率即可實現(xiàn)二級放大超聲換能器正常穩(wěn)定工作，其縱向振動的頻域圖和時域圖分別如圖15和圖16所示。由激光測振儀測試結(jié)果可知：在超聲波發(fā)生器50%輸出功率和18.11 kHz工作頻率下，二級放大超聲換能器縱向振動振幅為15.4μm，且振幅輸出平穩(wěn)，符合超聲振動輔助加工裝置要求。

3大振幅超聲振動輔助高速干切典型難加工材料工藝實驗驗證

3.1實驗條件

采用圖17所示自主研制的大振幅超聲振動輔助切削裝置，針對典型難加工材料30CrMnSiNi2A，開展了有無超聲振動輔助高速干切對比驗證實驗。超聲波發(fā)生器選用50%輸出功率和18.11 kHz工作頻率，此時輸出振幅為15.4μm；切削參數(shù)根據(jù)工程經(jīng)驗優(yōu)選轉(zhuǎn)速n=5 000 r/min、每齒進(jìn)給量fz=0.05 mm、切削深度ap=1 mm、切削寬度ae=6 mm；刀具為直徑6 mm的四刃合金立銑刀。開展了大振幅超聲振動輔助高速干切和普通高速干切對比實驗，分別采用Kistler測力儀、白光干涉儀和KEYENCE超景深顯微鏡（VHX-1000）對切削力、加工表面粗糙度和切屑形貌進(jìn)行測量。

3.2實驗結(jié)果與分析

在難加工材料切削過程中，切削力是影響30CrMnSiNi2A表面質(zhì)量的重要因素，通過開展有無超聲振動輔助高速干切的切削力對比分析，可探究超聲振動輔助加工技術(shù)的引入對降低切削力的改善程度。圖18為不同方向普通高速干切與超聲振動輔助高速干切的切削力對比分析，發(fā)現(xiàn)超聲振動輔助加工可顯著降低進(jìn)給方向切削力Fy、較大程度降低縱向切削力Fz，但對切向切削力Fx影響較小。這是由于在刀具進(jìn)給方向切削過程中，超聲振動輔助加工技術(shù)通過高頻斷續(xù)切削，改變了傳統(tǒng)的連續(xù)切削過程，使刀具與工件周期性接觸與分離，利于切屑脫離[27]；同時，刀具尖端呈現(xiàn)高頻縱向微米級振動，可實現(xiàn)變厚度切削，進(jìn)而改善了難加工材料的可加工性，顯著降低進(jìn)給方向切削力。通過采用Dynoware切削力分析軟件對圖18中的切削力數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理和誤差補償，選取加工過程中切削力波形平穩(wěn)階段，得出該階段的切削力峰值。由上述處理結(jié)果可知：普通高速干切工況下3個方向的切削力Fx、Fy、Fz分別為219.3、223.9、95.6 N；超聲振動輔助高速干切工況下3個方向的切削力Fx、Fy、Fz分別為213.8、148.9、82.5 N。對比普通高速干切和超聲振動輔助高速干切2種工況下的3個方向的切削力可知：超聲振動輔助加工技術(shù)的引入使切向切削力Fx、進(jìn)給方向切削力Fy、縱向切削力Fz分別降低2.5%、33.5%和13.7%。

使用白光干涉儀對30CrMnSiNi2A普通高速干切和超聲振動輔助高速干切加工表面進(jìn)行了粗糙度測量，在進(jìn)刀口、出刀口和中間區(qū)域3個位置，每個位置各選取3個相鄰檢測點進(jìn)行測量，每個位置3個檢測點的粗糙度數(shù)據(jù)取平均值后得到2種加工方式下刀具進(jìn)刀口、出刀口和中間區(qū)域3個位置的粗糙度參數(shù)。在普通高速干切條件下，進(jìn)刀口、出刀口和中間區(qū)域3個位置的面粗糙度Sa分別為0.98、0.67、0.89μm；而在超聲振動輔助高速干切條件下，3個位置的面粗糙度Sa分別為0.57、0.62、0.71μm。相較于普通高速干切，超聲振動輔助高速干切在所選取的3個測量位置的表面粗糙度分別降低了41.8%、7.5%和20.2%，達(dá)到了提高表面加工質(zhì)量的目的。圖19與圖20分別為普通高速干切與超聲振動輔助高速干切30CrMnSiNi2A中間區(qū)域的二維和三維表面形貌圖，超聲振動輔助加工技術(shù)的引入使加工表面呈現(xiàn)更均勻平整的表面形貌和表面紋理，提高了加工表面平整性和紋理均勻性。

采用超景深顯微鏡（VHX-1000）對比觀察2種加工條件下的切屑形貌，如圖21所示。由圖中框圖和紅色虛線部分所示，相較于普通高速干切，超聲振動輔助高速干切過程中切屑光潔度更高，切屑呈現(xiàn)短而卷的折斷效果，更有利于從工件和刀具之間排出，間接驗證了超聲振動輔助高速干切可有效降低切削力和表面粗糙度。

綜上，針對難加工材料30CrMnSiNi2A，對比分析普通高速干切和超聲振動輔助高速干切2種條件下的切削力、表面粗糙度和切屑形態(tài)，超聲振動輔助加工技術(shù)的引入顯著降低了切削力和表面粗糙度，可有效改善表面加工質(zhì)量，適用于典型難加工材料的輔助高速干切。

4結(jié)束語

1）二級放大超聲換能器的縱向振動模態(tài)和諧響應(yīng)頻率分別為19.734 kHz和19.8 kHz，與理論預(yù)設(shè)的20 kHz分別相差1.3%和1.0%，諧響應(yīng)分析結(jié)果得到縱向振動相對位移為16.4μm。

2）由二級放大超聲換能器性能測試結(jié)果可知：串聯(lián)諧振頻率F0為20.617 kHz，與有限元仿真諧響應(yīng)分析頻率結(jié)果偏差3.9%；動態(tài)電阻Ω1為78.4Ω，動態(tài)電容C1為585.3 pF，動態(tài)電感L1為101.8 mH，靜態(tài)電容C0為6.3 nF，機械品質(zhì)因素Qm為187.2。二級放大超聲換能在諧振頻率下可保持連續(xù)穩(wěn)定工作，能量傳遞效率較高。

3）二級放大超聲換能器縱向振動輸出振幅隨功率增加而增大，且整體不呈線性關(guān)系。當(dāng)輸出功率為50%時，其縱向振動振幅為15.4μm；當(dāng)輸出功率為100%時，其縱向振動振幅最高達(dá)25.1μm。

4）由典型難加工材料30CrMnSiNi2A有無超聲振動輔助高速干切實驗結(jié)果可知：與普通高速干切相比，大振幅超聲振動輔助裝置的引入可使進(jìn)給方向、縱向和切向切削力分別降低33.5%、13.7%和2.5%。

5）普通高速干切工況下，進(jìn)刀口、出刀口和中間區(qū)域3個位置的面粗糙度分別為0.98、0.67、0.89μm；而大振幅超聲振動輔助高速干切相應(yīng)位置的面粗糙度分別為0.57、0.62、0.71μm，表面粗糙度分別降低41.8%、7.5%和20.2%。同時，所研制的大振幅超聲振動輔助加工裝置可使切屑呈現(xiàn)短而卷的形貌，且光潔度更高，利于其從工件和刀具之間排出。

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（編輯羅敏）