基于有限元分析的橢圓振動切削換能器

金沙

摘 要：經過解析以往的縱向震動換能設備的構造，策劃出新式的能夠在構造不勻稱的條件下，單方面帶動橢圓形成震動的模式，采取簡單的問題代替復雜的問題對換能設備開展有效的靜力以及動力學解析，對換能設備的大小開展改良策劃，能夠推動換能設備震動形式以及諧振速度達到完善的境界，從這個根本上開發出單向帶動超聲橢圓震動切屑設備，同時使用PCD刀具開展超聲橢圓震動切削實驗，能夠獲取品質較好的制造，證明了采取簡單的問題代替復雜問題可行性，對換能設備的策劃以及策劃系數改善與震動方法解析方面進行了可行性的引導，并且也證明了橢圓震動切削可以在很大程度上提升制造品質。

關鍵詞：有限元分析；超聲換能器；橢圓振動；PCD刀具

在制造航天器中，對很多工件的制造都要求必須精準，一些工件必須要確保其制造的大小、圓滑度以及圓柱度等系數，并且還要盡最大可能的減小制造時在其外表遺留的應力。在日常的切削制造中，因為切削的作用，只是憑借提升制造工具的敏銳性、減少吃刀量的技術方式對殘留在工件外表的應力減小沒有太大的作用。超聲震動切削擁有減少切削力度、提升制造外表品質以及精準度的優點，不過在日常的超聲震動切削時，因為刀具和能夠接觸到刀面的工件外表會多次的進行摩擦，不僅損壞了工件外表，對刀具也會產生相應的損壞，出現刀刃崩壞，尤其在制造精準度要求高的工件，大多使用金剛石抑或聚晶金剛石硬度強脆性大十分敏銳的刀具時，更加阻礙了超聲震動切削在制造精確度高的工件中普及。在二十世紀九十年代，日本的開發工作者第一個提出了在制造精準度高的工件范圍內使用超聲橢圓震動的切削措施。文章經過簡單問題代替復雜問題的方式對換能設備的構造開展解析，變動機械構造的系數，開發除了在構造不平衡的條件下，使用單向就能夠帶動橢圓震動的超聲換能設備，同時使用PCD材質的刀具完成了對鋁合金材質材料的精密加工試驗，有很好的效果，在很大程度上促進了超聲震動在制造精準度高的工件中的使用。

1 超聲橢圓振動切削機理

超聲震動切削方式是以平常的切削方式為根本，使用超聲震動帶動刀具出現一種附屬的強制震動，刀具和零件能夠產生來回式的具有間斷的切削方式，進而遺留在配件外表的應力降低，切削范圍內溫度降低，能夠防止積削瘤的出現，在很大程度上提升制造品質。不過平常的超聲震動切削存在一定的弊端，刀具和零件來回的多次進行摩擦，對刀具會產生破壞，制造時刀具受力狀況如圖1中顯示的。

從圖1（a）可以看出在超聲振動切削階段，刀具要承受主切削力 Nr、吃刀抗力 Nr、切屑與前刀面之間的摩擦力Fr以及以加工表面與后刀面之間的摩擦力Fr，4 個力合成后力對刀尖形成下壓力F；而在分離階段，刀尖主要承受 Nr和Fr，如圖1（b）所示，兩個力合成后對刀尖形成拉力F，非常容易使刀具在短時間內形成崩刃。

a切削階段刀具受力 b 分離階段刀具受力

圖1 普通超聲振動切削刀具受力示意圖

橢圓振動切削與普通振動切削的不同是當刀具與工件處于分離階段時，后刀面不會與加工工件表面相互摩擦，保證了已加工表面的質量，同時切屑在刀具摩擦力的帶動下也順利排出，大幅度減小了 Nf，降低了工件表面的殘余應力。刀尖在Fr和 Nr的作用下承受圖 2 中 F 方向的合力，使刀尖不容易疲勞破損。超聲橢圓振動切削增強了振動切削所特有的刀具與工件間歇式切削的特性，提高了工件的加工質量和刀具的使用壽命。

2 換能器的結構設計和分析

超聲震動切削設備中最關鍵的構成部位是超聲震動換能設備，總體上來講，換能設備本身分三種震動樣式：彎曲、扭轉以及縱向震動，如果換能設備自身構造具有不平衡的現象，就會產生復合震動，如縱扭、彎扭以及縱彎震動復合。假如出現了兩種復合震動形式，并且其震動具有位差，換能設備就會形成橢圓震動。使用這種換能設備自身構造不平衡的，順應的調節換能設備的構造系數，就能夠取得滿足超聲震動設備開啟橢圓震動的方式。

能夠使用簡單問題代替復雜問題的方式解析調節換能設備的系數以便能夠取得想要的橢圓震動方式。按照換能設備的策劃原理以及震動設備制造的需求，應該使用夾心樣式的換能設備，這種構造擁有高功率、制作、裝置簡易等優點，頻率在二十到三十赫茲間，并且為了讓換能設備構造中具有本身的不勻稱，要添加上重量相對較重的大道具，就能夠出現想要的橢圓震動。

2.1 動力學分析

使用簡單的問題代替復雜問題解析方式是能夠得到持續載體的物理方面的數據，使用范疇非常普遍，可以處理很多繁雜的力學以及耦合場中的困難。使用簡單的問題代替復雜問題解析靜力學以及動力學中的耦合場對此進行解析，可以對所策劃的換能設備的震動形式與諧振速度進行正確的模仿以及算計，并且還能夠模仿出壓電陶瓷累積在換能設備中，諧振速度產生變化這種狀態下換能設備的震動。

從算計的構造能夠得出，換能設備的構造在添加了具有重量的刀具之后，在機器構造上就出現不勻稱性，因為這種不勻稱換能設備的震動形式也出現了改變，形成縱彎復合震動形式。需要對換能設備中變幅桿的大小數據進行調節，如圖3，讓縱彎復合這種震動方式的速度符合策劃需要。

2.2 靜力學耦合場分析

在換能器縱彎復合振動的諧振頻率附近，給換能器的縱向振動壓電陶瓷堆加載正弦交流電壓，觀察換能器附加刀具的振動形式，驗證換能器在結構不對稱的情況下通過單一的縱向激勵，可以產生縱彎復合橢圓振動。在壓電陶瓷堆的 4 片壓電陶瓷上加載 800cos（2π×22500t）的交流電壓，利用有限元靜力學分析求解出在加載的條件下附加刀具刀尖的軌跡。

3 結束語

文章經過對超聲橢圓震動換能設備構造的探索，建議了可以在單向帶動換能設備出現橢圓震動的構造，使用簡單問題代替復雜問題的解析方式對換能設備的構造開展了靜力學以及動力學中耦合場解析，同時使用光纖探測震動設備對單向帶動換能設備開展了檢測，證實了在換能設備構造不勻稱的背景下，能夠經過單向帶動橢圓形成震動，并且文章使用這種構造開發了一整套的利用橢圓震動制造的切削體系，經過對LY12零件的制造，獲得了精準值很高的結果，證明單向帶動橢圓震動的切削方式能夠完成精準高的切削加工，由于其只要單向帶動并且構造簡易，因此擁有十分強的適用特點。

參考文獻

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