基于有限元分析的橢圓振動切削換能器

金沙

摘 要：經(jīng)過解析以往的縱向震動換能設(shè)備的構(gòu)造，策劃出新式的能夠在構(gòu)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(fù)雜的問題對換能設(shè)備開展有效的靜力以及動力學(xué)解析，對換能設(shè)備的大小開展改良策劃，能夠推動換能設(shè)備震動形式以及諧振速度達(dá)到完善的境界，從這個(gè)根本上開發(fā)出單向帶動超聲橢圓震動切屑設(shè)備，同時(shí)使用PCD刀具開展超聲橢圓震動切削實(shí)驗(yàn)，能夠獲取品質(zhì)較好的制造，證明了采取簡單的問題代替復(fù)雜問題可行性，對換能設(shè)備的策劃以及策劃系數(shù)改善與震動方法解析方面進(jìn)行了可行性的引導(dǎo)，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(zhì)。

關(guān)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(zhǔn)，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(shù)，并且還要盡最大可能的減小制造時(shí)在其外表遺留的應(yīng)力。在日常的切削制造中，因?yàn)榍邢鞯淖饔茫皇菓{借提升制造工具的敏銳性、減少吃刀量的技術(shù)方式對殘留在工件外表的應(yīng)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(zhì)以及精準(zhǔn)度的優(yōu)點(diǎn)，不過在日常的超聲震動切削時(shí)，因?yàn)榈毒吆湍軌蚪佑|到刀面的工件外表會多次的進(jìn)行摩擦，不僅損壞了工件外表，對刀具也會產(chǎn)生相應(yīng)的損壞，出現(xiàn)刀刃崩壞，尤其在制造精準(zhǔn)度要求高的工件，大多使用金剛石抑或聚晶金剛石硬度強(qiáng)脆性大十分敏銳的刀具時(shí)，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(jì)九十年代，日本的開發(fā)工作者第一個(gè)提出了在制造精準(zhǔn)度高的工件范圍內(nèi)使用超聲橢圓震動的切削措施。文章經(jīng)過簡單問題代替復(fù)雜問題的方式對換能設(shè)備的構(gòu)造開展解析，變動機(jī)械構(gòu)造的系數(shù)，開發(fā)除了在構(gòu)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(shè)備，同時(shí)使用PCD材質(zhì)的刀具完成了對鋁合金材質(zhì)材料的精密加工試驗(yàn)，有很好的效果，在很大程度上促進(jìn)了超聲震動在制造精準(zhǔn)度高的工件中的使用。

1 超聲橢圓振動切削機(jī)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(xiàn)一種附屬的強(qiáng)制震動，刀具和零件能夠產(chǎn)生來回式的具有間斷的切削方式，進(jìn)而遺留在配件外表的應(yīng)力降低，切削范圍內(nèi)溫度降低，能夠防止積削瘤的出現(xiàn)，在很大程度上提升制造品質(zhì)。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(jìn)行摩擦，對刀具會產(chǎn)生破壞，制造時(shí)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(gè)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(gè)力合成后對刀尖形成拉力F，非常容易使刀具在短時(shí)間內(nèi)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(dāng)?shù)毒吲c工件處于分離階段時(shí)，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(zhì)量，同時(shí)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(yīng)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(qiáng)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(zhì)量和刀具的使用壽命。

2 換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

超聲震動切削設(shè)備中最關(guān)鍵的構(gòu)成部位是超聲震動換能設(shè)備，總體上來講，換能設(shè)備本身分三種震動樣式：彎曲、扭轉(zhuǎn)以及縱向震動，如果換能設(shè)備自身構(gòu)造具有不平衡的現(xiàn)象，就會產(chǎn)生復(fù)合震動，如縱扭、彎扭以及縱彎震動復(fù)合。假如出現(xiàn)了兩種復(fù)合震動形式，并且其震動具有位差，換能設(shè)備就會形成橢圓震動。使用這種換能設(shè)備自身構(gòu)造不平衡的，順應(yīng)的調(diào)節(jié)換能設(shè)備的構(gòu)造系數(shù)，就能夠取得滿足超聲震動設(shè)備開啟橢圓震動的方式。

能夠使用簡單問題代替復(fù)雜問題的方式解析調(diào)節(jié)換能設(shè)備的系數(shù)以便能夠取得想要的橢圓震動方式。按照換能設(shè)備的策劃原理以及震動設(shè)備制造的需求，應(yīng)該使用夾心樣式的換能設(shè)備，這種構(gòu)造擁有高功率、制作、裝置簡易等優(yōu)點(diǎn)，頻率在二十到三十赫茲間，并且為了讓換能設(shè)備構(gòu)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(xiàn)想要的橢圓震動。

2.1 動力學(xué)分析

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

從算計(jì)的構(gòu)造能夠得出，換能設(shè)備的構(gòu)造在添加了具有重量的刀具之后，在機(jī)器構(gòu)造上就出現(xiàn)不勻稱性，因?yàn)檫@種不勻稱換能設(shè)備的震動形式也出現(xiàn)了改變，形成縱彎復(fù)合震動形式。需要對換能設(shè)備中變幅桿的大小數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖3，讓縱彎復(fù)合這種震動方式的速度符合策劃需要。

2.2 靜力學(xué)耦合場分析

在換能器縱彎復(fù)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(yàn)證換能器在結(jié)構(gòu)不對稱的情況下通過單一的縱向激勵，可以產(chǎn)生縱彎復(fù)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(xué)分析求解出在加載的條件下附加刀具刀尖的軌跡。

3 結(jié)束語

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

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