超声复合电加工振动装置的特性分析与优化
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机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第２期
２０１５年２月
超声复合电加工振动装置的特性分析与优化 邵健，朱永伟，周欢，陈洪振 （扬州大学机械工程学院，江苏扬州２２５１２７）
摘要：超声复合电加工中的超声振动装置是加工系统的核心部件之一，由于影响复合加工过程的参数多且复杂，超声 共振的稳定性难以实时、有效控制，为保证复合ｈ－Ｙ－过程超声振动参数的稳定，利用ＡＮＳＹＳ工具进行参数化建模，利用 其功能强大的多物理场耦舍功能对振动装置进行动力学分析并进行装置主参数的优化设计；利用ＡＮＳＹＳ后处理功能， 可求得加工工具在不同截面处的振幅；利用激光微位移传感器检测不同截面的超声振动振幅，二者相比较，可验证优化 设计方法能够对变截面超声加工工具起到良好的修正作用。 关键词：超声振动；ＡＮＳＹＳ；共振；激光微位移传感器；优化设计 中图分类号：ＴＨ１６；ＴＧ６６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３９９７（２０１５）０２—００８４—０５
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ Ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ－Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ＳＨＡＯ Ｊｉａｎ，ＺＨＵ Ｙｏｎｇ－ｗｅｉ，ＺＨＯＵ Ｈｕａｎ，ＣＨＥＮ Ｈｏｎｇ—ｚｈｅｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｙａｎｇｚｈｏｕ ２２５１２７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ－ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉｎ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ｉｎ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｒｅｄ－ｔｉｍｅ ａｎｄ ｅｆｅｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｋｅｅｐ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｏｒｙｄｅｖｉｃｅ ｗｈｉｌｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇｉｓ ｕｓｅｄ ｂｙｍｅａｎｓ ｏｆＡＮＳＹＳｔｏｏｌｓ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅ ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｖｉｂｒａｔｏｒｙ ｄｅｖｉｃｅ ａｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｉｔｓ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｍｕｈｉｐｈｙｓｉｃｓ ｆｉｅｌｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎ； ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｏｏｌｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｓｔ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ＡＮＳＹＳ；ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｏｒｙ ａｍｐｌｉｔｕｄｅｓ ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｒａｓ３－３ｅＣｔｉｏｎｓ ｏｆｔｈｅ ｔｏｏｌｓ ａｒｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｌａｓｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｔｗｏ ｖａｌｅｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ，ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｈａｓ ａｇｏｏｄ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎ ｖａｒｉａｂｌｅ ｃｒｏｓｓ－－ ｓｅｃｔｉｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｏｏｌｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ＡＮＳＹＳ；Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；Ｍｉｃｒｏ－Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｌａｓｅｒ Ｓｅｎｓｏｒ；Ｏｐｔｉｍａｌ Ｄｅｓｉｇｎ
１引言 超声加工可分为单一超声加工和超声复合加工两种方式， 超声复合加工是指采用超声、电解和电火花等复合的加工方法， 在保持单一加工方法技术优势的同时，又能够克服各自的技术局 限，在有效去除材料的前提下，实现微结构的高精、高效和低成本 加工。在加工试验中，超声加工所需要的加工振幅一般在几微米 到几百微米，比如超声复合电加工，由于其电极问物理、化学过程 复杂多变，加工参数需及时有效进行人工干预及调节，以适应变 化的加工条件，否则由于加工区极间条件的不良循环，放电作用、 电解作用将偏离期望值，超声振动系统偏离共振条件，工具电极 振幅下降，加工效率会明显下降，甚至停止加工，此时还会造成电 极间持续短路放电，因电极损耗，加工精度将下降。因此研究超声
振动系统动力学特性对于微细结构的复合加工具有一定的指导 意义。 近年来，诸多的学者对于单一超声及超声复合加工这一领 域进行了相关的研究，例如：文献 对变截面复合型变幅杆进行了 动力学分析及优化，得出了最优的固有频率、谐振长度和振幅放 大倍数等相关参数，并探究了工具头长度与变幅杆谐振长度间的 关系，最终得出确定变幅杆固定位置的有效方法；文献口设计了一 种用于超声电解复合加工的振动系统，通过理论分析和仿真设 计，与传统的全波长振动系统相比较，所设计的１，２波长振动系 统的长度和体积减小了，系统的回转精度得到提高，为加工深小 孔提供了一定的理论基础；文献［３１对同步复合电加工机理进行了 深入研究，所构造、完善的同步超声复合电加工系统采用激光微 位移传感器实时得到超声振动参数的变化情况，在微结构加工试
来稿日期：２０１４—０７—２０ 基金项目：国家自然科学基金项目（５１０７５３５５，５１３７５４２８） 作者简介：邵健，（１９８９一），男，江苏南通人，硕士研究生，主要研究方向：超声及复合加工技术研究 朱永伟，（１９６６一），男，江苏扬州人，博士，教授，主要研究方向：特种加工新技术 第２期 邵健等：超声复合电加工振动装置的特性分析与优化 ８＝５ 验中利用掺人金刚石微粉的低电压、低电导率的工作液，对比无 混粉加工工件实验、电解液质量分数实验等，最后得出了不同参 数对加工过程的影响，为微、纳米级加工提供了一种有效的方法。 通过ＡＮＳＹＳ动力学分析，应用强大的多物理场耦合模块和 参数化建模的方法对某超声加工系统振动装置进行了参数修正， 得出了振动装置振幅变化和应力分希隋况，并在此基础上进行了 振幅检测试验。 ２超声复合电加工系统的建立与动力学
分析 ２。１振动系统模型的建立 动力学分析中需要指定材料的密度、弹性模量和泊松比等 参数。采用的换能器压电陶瓷材料类型为ＰＺＴ－４，换能器前端盖 材料为具有强度高、有一定的耐热性、声速较高的硬质铝合金 ＬＹ１２，这种材料具有良好的热传导性能，有利于在加工过程中换 能器前端盖的散热 ，指数型变幅杆及其后端盖采用４５钢调质， 以下为各种材料的参数。 表１超声系统各部分材料参数 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｅａｃｈ Ｐａｒｔ ｉｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ
所搭建的超声复合电加工振动系统，如图１所示。
１．后端盖２．陶瓷片３．前端盖４．变幅杆５．激光探测头６．标准片 ７．工具头８．超声振动９．工作台测量仪１０．工件１ １．工作液 １２．磁ｆ生工作台１３．底座１４．激励电压１５．超声波发生器 图１超声复合电加工系统示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ—Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ 由图１可知，换能器陶瓷片收到振动系统超声波发生器的 交变电信号，由于逆压电效应，将电信号转换为机械式振动，通过 前端盖、变幅杆及工具头将振幅放大，从而达到加工工件要求。激光 探测头能够实时在线测量工具头振幅变动晴况。随着加工过程进 行，磁『生工作台自动向上移动，保证工具头和工件间的接触压力。 ２＿２未加工具头的振动系统模态分析 超声振动系统振子一般由超声换能器、变幅杆和工具头组 成。变幅杆类型主要有圆锥形、悬链线型、阶梯型、指数型等单一 及各种复合型变幅杆日，对于变幅杆的设计方法有解析法、机电等 效法、表面弹观法、有限元分析法等，而有限元分析法不需要通过 反复解算微分方程、超越方程等数学难题来确定变幅杆的设计 ， 并且能够方便的确定放大系数、应力极大点、节点、形状因素等性 能参数。 动力学分析主要包括模态分析和谐响应分析两部分，通过 模态分析得到振动系统的固有振动特性，即系统的固有频率和振 型，主要分为横振、纵振、弯振、扭振以及复合振等［）］，分析频率点 在２０ｋＨｚ附近的纵振模态。 在模态分析中，通过自下而上的方式构建三维模型，在 ＡＮＳＹＳ中进行单元类型定义时，换能器前后端盖、压电陶瓷片、 变幅杆分别赋予ＳＯＬＩＤ１８５单元、ＳＯＨＤ５单元、ＳＯＬＩＤ９５单元， 通过ＡＰＤＬ命令流定义压电陶瓷的特性，包括弹性刚度矩阵Ｃ、 压电矩阵ｅ和电介质矩阵８，换能器压电陶瓷间采取的连接方式 为电端并联、机械串联；施加约束时在压电陶瓷片正极和负极表 面施加电压耦合部，加载０电压约束并进行网格划分，使得换能 器处于短路叵压状态以得到振动系统的谐振频率，在系统正常加 工过程中，由于换能器和超声变幅杆本身存在位移节点，该点的 轴向位移理论上为０，可以通过固定位移节点的方式使声能消散 最小，从而不影响系统的振动频率，分析流程如下： 对模型进行简化处理，由于电极较薄，忽略电极影响和变幅 杆与换能器间的螺栓联接，将模型简化为连续体表示圈，如图２所 示 图２完整振动系统网格划分图 Ｆｉｇ．２ Ｍｅｓｈｉｎｇ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ 图２由于结构本身的对称性，故建立１／４模型进行分析，两 片压电陶瓷的轴向极化方向不一样，在设置材料常数时需要分别 设置压电矩阵ｅ、－－ｅ，采用１／４对称模型进行求解，可以有效的减 少模型节点数和单元数，加快计算速度，对求解精度没有影响；采 取Ｂｌｏｃｋ Ｌａｎｃｚｏｓ方法，设置频率范围为（１５～４０）ｋＨｚ，在ＡＮＳＹＳ 后处理器中提取前１Ｏ阶模态，前四阶阶模态频率分别为 １９．６４２ｋＨｚ、３０．５３１ ｋＨｚ、３７．５９１ ｋＨｚ、３８．１４５ ｋＨｚ，振动装置一阶纵 向振动的前后对比图，如图３所示。二阶、四阶模态为横向振动， 三阶模态为弯曲振动。 当外部激振频率变化且与超声振动系统的固有频率不相匹 配时，系统的振动效果会变差，达不到理想效果，而且也会影响微 细孔、轴、齿轮等的加工精度。
