硬韌材料旋轉超聲復合電解加工設計與試驗*

鄒 翔 ，丁 翔 ，朱永偉

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

硬、韌等難加工材料在現代工業中有廣泛應用，如壓電陶瓷和硬質合金等。壓電陶瓷硬而脆，傳統機械加工廢品率高，很難滿足加工效率與精度要求[1]；硬質合金具有很高的硬度，且韌性較高，傳統切削方式難以進行加工。超聲加工利用工具超聲頻振動激勵工作液中微細懸浮顆粒撞擊工件，是實現硬、韌材料高精、高效加工的有效方法。旋轉超聲機械加工可有效加工硬、韌材料，提高加工效率，促進廢屑排除，減小切削力，提高工件表面質量[2-4]。超聲復合電解加工是超聲與電解作用有機結合的復合特種加工方法，可實現各種硬、韌等難加工零件的高效率、高精度加工[5]，超聲振動促進加工產物和熱量排出，改善電極間的流場情況，提高加工過程的穩定性，保證加工質量[6-7]。分析旋轉超聲復合電解加工機理，用ANSYS 的Workbench 壓電分析[8]功能分析壓電陶瓷堆，分析壓電陶瓷堆數與超聲系統振幅關系，進行超聲系統優化設計，保證試驗超聲振幅滿足要求；進行對比試驗，研究旋轉超聲復合電解加工的技術特性。

1 系統構建及加工機理分析

旋轉超聲復合電解加工系統由旋轉超聲振動裝置、電解裝置及數控裝置組成，如圖1 所示。其中，旋轉超聲振動裝置由變頻器、交流電機、旋轉機構、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，變幅桿采用指數形，工具電極可在高速旋轉的同時進行超聲頻振動。

圖1 旋轉超聲復合電解加工系統示意圖

在旋轉超聲復合電解加工中，材料主要通過旋轉超聲振動下微細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 旋轉超聲復合電解加工原理圖

電極旋轉和超聲振動同時作用在加工區，顯著增強加工間隙中的超聲效應，有效消除電解鈍化，加速電解液循環和加工產物排出，并對已加工面進行超聲拋磨，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 旋轉超聲振動裝置設計

2.1 旋轉超聲主軸設計

超聲裝置通過聯軸器與電機相連，電機接變頻器，電機驅動超聲裝置同軸旋轉。由變頻器調節超聲主軸的轉速。主軸裝有碳刷式引電裝置，通過碳刷引線—碳刷—集流環—電機旋轉的轉子構成電流回路，在旋轉過程中將超聲發生器的超聲頻電信號傳送給壓電換能器，實現電極的超聲振動。旋轉超聲主軸結構如圖3所示。

圖3 旋轉超聲主軸結構示意圖

2.2 壓電換能器設計

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

圖4 壓電換能器結構示意圖

壓電換能器工作原理是利用壓電陶瓷的壓電效應，當外加電場頻率與壓電陶瓷固有頻率一致時，壓電陶瓷表面可達最大振幅。但壓電陶瓷的應變系數較小，盡管在共振情況下，可以達到最大的縱向振幅，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 變幅桿設計

換能器前端蓋表面輸出振幅在共振情況下一般為幾微米，達不到超聲加工要求。而變幅桿能將機械振動質點位移量、速度量進行放大，并把能量集中在變幅桿的小端面上傳遞給工具頭。根據試驗要求所設計的變幅桿，如圖5所示。

圖5 指數形變幅桿的設計

3 超聲振動系統振動特性分析

通過ANSYS 的Workbench 對系統動力學特性進行分析，由此來得出系統的固有振動特性和諧響應特性。固有振動特性指在無阻尼自由振動條件下的系統固有頻率和振型情況。諧響應分析用于確定線性結構在受隨時間按正弦（簡諧）規律變化的載荷時的穩態響應。

3.1 壓電陶瓷堆的模態分析

壓電陶瓷堆選用的材料為發射型壓電陶瓷PZT-4，極化方向為沿厚度方向，在ANSYS Workbench 中為沿Y軸方向極化，在工程數據源中建立PZT-4 材料相關屬性，采取電端并聯、機械串聯的連接方式，以下對雙陶瓷片進行分析，忽略電極片影響。對壓電陶瓷堆進行網格劃分，采用四面體網格劃分方法，最后生成節點數6 385和單元數3 627的有限元模型。

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

模態分析設置當中，設置最大模態階數為20，頻率搜索范圍為10 kHz～50 kHz，其前5 階模態固有頻率分別為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。觀察前五階模態振型圖可知，第四階模態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振型圖

3.2 壓電陶瓷堆的諧響應分析

根據所得固有頻率，建立諧響應分析模塊，網格劃分與模態分析一致，在諧響應分析中設置求解頻率范圍為10 kHz～50 kHz，求解方案間隔為50，解法采用完全法，設置恒定結構阻尼比為0.3%。在壓電陶瓷正負極施加電壓耦合，正極電壓為200 V，負極電壓為0 V，進行諧響應分析。后處理中，選擇壓電陶瓷片表面中心節點，設置方向Y軸，得到表面中心節點的Y軸向幅頻特性曲線，如圖7 所示。由圖7 和后處理結果可知，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果的定向變形選項，定向變形方向為Y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。分析結果表現出壓電陶瓷材料特性，并且其與模態分析的結果吻合，陶瓷片表面中心處振幅最大。

4 超聲振動裝置優化設計

4.1 變幅桿優化設計

本文設計的超聲振動裝置的壓電陶瓷數量為4，當超聲振動裝置接工具后，固有頻率有所降低，從19.41 kHz 變為18.99 kHz。當加載電壓為200 V，振幅也從25.85 μm 降為20.35 μm，影響加工效率。通過ANSYS 對變幅桿進行優化設計，達到所需的加工要求。將最大縱向振幅MAX_UY的倒數作為目標函數，目標函數最小化視為最優。固有頻率f和最大應力MAX_EQV作為狀態變量，f的取值范圍為18 kHz～21 kHz，最大應力不超過480 MPa。

設計變量是將變幅桿各截面半徑L1，L2，L4，L7，L9，L11，L14在理論設計點±0.02 m 變動；L15為諧振長度的1/12，在理論設計點±0.01 m 變動，優化設計圖如圖9所示。

選擇一階循環控制方式，優化后得到合理序列參數，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，且系統固有頻率也從18.99 kHz 增大到19.10 kHz。優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

對優化后的超聲振動裝置輸出振幅進行測量，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，然后打開超聲波發生器，將超聲振動裝置共振頻率調整為19.10 kHz。經采樣處理后得到振動位移隨時間變化數據曲線，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 分析結果。

圖11 旋轉超聲振動裝置輸出振幅測量

5 旋轉超聲復合電解加工試驗

5.1 試驗裝置和參數

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

5.2 陶瓷（PZT）加工對比試驗

對壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛PZT）進行機械鉆削和旋轉超聲加工對比試驗，超聲振幅分別為8 μm和16 μm，旋轉轉速設置為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效果圖

圖13 不同超聲振幅下加工深度曲線

由圖12 可知，機械磨削后的加工產物成形精度低于超聲加工。由圖13 可知，機械加工深度遠小于超聲加工深度。超聲加工工件表面磨痕較小，因超聲振動加入，對工件表面產生強烈超聲拋磨作用，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 硬質合金加工對比試驗

對硬質合金（YT15）進行不同電解電壓的試驗對比，超聲振幅為16 μm，旋轉轉速設置為5 000 r/min，脈沖頻率為5 000 Hz，占空比為5∶5，電解液為質量分數5%的NaNO3水溶液，加工時間為3 min，加工效果如圖14所示。

圖14 硬質合金三種加工方式試驗效果圖

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，雜散腐蝕現象也越嚴重，6 V 電壓的加工表面略有發黑，在進行加工時不宜選擇過高電壓。

6 結論

1）設計、構建旋轉超聲復合電解加工系統，試驗驗證了系統工作的穩定可靠性。

2）應用ANSYS 的Workbench 功能對壓電陶瓷堆進行動力學特性分析，對超聲振動裝置進行優化設計，可有效調節輸出超聲振幅。實測系統超聲振幅最大可達23 μm，滿足試驗要求。

3）進行陶瓷（PZT）和硬質合金（YT15）多種加工方式試驗對比，試驗表明，旋轉超聲復合電解可加工出精細表面結構，加工效率可提高50%以上。