超聲振動去毛刺工具頭的設計及振動特性分析

袁野杰，魏周玲，傅波

（四川大學 機械工程學院，成都610065）

0 引 言

在現代制造領域中，大多數加工方法均不可避免使加工零件產生毛刺，這將影響零件的精度及后續的加工和裝配，降低機械產品的整體性能，甚至會危及設備的安全運行[1]。因此，去毛刺是機械加工中一道不可缺少的工序。隨著材料技術、精密機械等領域的不斷發展，對加工零件中的深孔、盲孔、交叉孔等特殊位置毛刺的去除要求越來越高，加之節能環保的要求，研究新型去毛刺方法勢在必行[2]。本文對超聲振動去毛刺系統進行了研究，重點對工具頭進行了設計和仿真優化，為超聲振動去毛刺系統在生產中的應用打下基礎。

1 超聲振動去毛刺系統的組成結構

毛刺是工件加工后殘留在工件母體上的一小部分材料，要去除它必須使去除毛刺的應力超過其極限應力。將定值或周期性外力作用于毛刺材料上，使其達到疲勞強度極限而失效或發生變形并超過臨界斷裂應變，毛刺即可去除。超聲振動去毛刺時，去毛刺工具頭在超聲振動系統的驅動下周期性地碰撞毛刺，致使毛刺反復受力，當所受力超過了毛刺材料的屈服極限時，毛刺即被折斷切除，從而達到去除毛刺的目的[3]。

本文研究的超聲振動去毛刺系統主要由超聲波發生器、換能器、變幅桿和去毛刺工具頭組成，如圖1所示。超聲波發生器1輸出的高頻電信號經由換能器2轉換成縱向機械振動，隨后傳遞給變幅桿3進行振幅放大，最后將高頻定振幅傳輸給去毛刺工具頭4，工具頭在超聲振動驅動下對工件上的毛刺進行高速撞擊，直至毛刺斷裂去除，并使工件表面達到一定的平整度。該系統采用夾心式壓電超聲換能器，此類換能器容易制造，成本低廉，且機電能量轉換效率高，性能穩定，在功率超聲領域應用廣泛[4-5]。

圖1 超聲振動去毛刺系統

2 超聲振動去毛刺工具頭的設計

工具頭是超聲振動去毛刺系統的重要組成元件，其振動模式對毛刺的去除質量有重要影響。該系統工具頭采用了縱扭振動模式，將縱振和扭轉振動復合在一起，以期實現對交叉孔等特殊位置毛刺的高效率去除。

為了實現縱扭振動，需要在工具頭處將超聲換能器的縱向振動轉換為扭轉振動。傳統的將縱向振動轉換為扭轉振動的方法是利用2個換能器在變幅桿的兩端進行作用，形成推挽式的扭轉振動，可獲得較大的輸出功率，但轉換效率不高。系統采用在傳振桿上開出若干斜槽，使縱向振動在傳振桿中傳播時出現扭轉分量，實現振動模式之間的轉換，以獲得較大輸出功率和轉換率的扭轉振動[4]。系統去毛刺工具頭結構如圖2所示，工具頭的刀柄由一段圓柱實體和一段筒壁開有斜槽的圓筒構成，斜槽將輸入端傳遞的一部分縱向振動轉換成扭轉振動。工具頭的初始尺寸按照諧振頻率28 kHz，應用傳輸矩陣法計算得到[6]。

圖2 縱扭復合振動工具頭結構

3 超聲振動去毛刺工具頭振動特性分析及優化

為了驗證所設計的工具頭結構能否在28 kHz超聲電源驅動下產生諧振，且振型與設計一致，借助于有限元分析軟件ANSYS，對其振動特性進行分析和優化[7-8]。

3.1 工具頭的模態分析

首先研究不同尺寸的矩形斜槽對工具頭共振頻率及振型的影響。在SolidWorks中建立縱扭復合振動工具頭的參數化模型，其中斜槽長度a、寬度b、與工具頭軸線的傾斜角r為參數變量，利用ANSYS Workbench軟件的Design Xplorer模塊對工具頭進行多參數單一目標的有限元分析，獲得各尺寸參數對共振頻率的影響，如圖3 所示。

圖3 各尺寸參數對共振頻率的影響

由圖3中曲線變化可總結出：1）縱扭復合振動的共振頻率隨著斜槽與軸線夾角r的增大而在0°～10°范圍內增大，在10°～20°范圍幾乎不變，在20°～90°范圍呈下降趨勢；2）斜槽長度a增大，會減小復合振動的共振頻率；3）斜槽寬度b增大，復合振動的共振頻率隨之減小。

根據斜槽尺寸對縱扭復合振動共振頻率影響的規律，對開有A～G型斜槽的縱扭復合振動工具頭分別進行有限元模態分析，結果如表1所示。從表中數據可以證實此前總結出的斜槽長度a、寬度b、傾斜角r對共振頻率的影響規律準確，還可總結出：1）增加斜槽行數，工具頭輸出的振幅和頻率均有所降低；2）增加斜槽的列數，對共振頻率和振幅的影響不大。

表1 幾種斜槽類型的扭轉振動工具頭模態分析結果

圖4 四種類型工具頭的縱扭復合振動位移圖

圖4展示了A、B、E、F型斜槽工具頭縱扭復合振動的位移云圖。從圖中可以看出，B型斜槽的工具頭在產生縱-扭復合振動時，輸出端的位移最大，但分布不均勻，而其共振頻率27.845 kHz卻很接近28 kHz，結合表1中的振動位移幅值大小，確定采用B型開槽工具頭將縱向振動轉換成縱-扭復合振動，但結構還需要進一步優化。

3.2 工具頭的結構優化

圖5 各個參數變量對工具頭共振頻率的影響

由圖2 可知，復合振動工具頭的軸向尺寸受l8、l9、l10的影響，而斜槽長度a、寬度b和斜槽傾角r亦對共振頻率的影響重大。根據制造加工能力，將斜槽的寬度b定為4 mm， 利 用ANSYS Workbench 軟件的Design Xplorer模塊對工具頭進行多變量單目標的優化設計，得到27種變量組合，其中 l8、l9、l10、a、r單個參數變量對工具頭共振頻率的影響如圖5所示。

從圖中可以看出，工具頭的復合共振頻 率 隨l8、l9、l10、a、r 的 增 大而逐漸減小。圖6呈現了各變量因子對復合共振頻率的影響敏感系數，可見工具頭斜槽傾斜角r對共振頻率的影響最為敏感，斜槽長度a的敏感性次之，據此建立主要影響因子r和a在設定范圍內變化所得的共振頻率響應三維圖，如圖7所示。

圖6 各參數對共振頻率的影響敏感系數

圖7 l10和a參數的頻率響應

根據優化分析后最終確定l8=10 mm，l9=10 mm，l10=28 mm，開槽長度a=10 mm，寬度b=4 mm，傾斜角r=35°。

根據改進后的工具頭結構重新建立有限元分析模型，進行模態分析，得到工具頭縱-扭復合振動的共振頻率為28.361 kHz，振動位移云圖如圖8所示。從圖中可以看出，振動位移最大分布在刀頭端，且分布均勻，縱-扭復合振動的工具頭設計合理。

圖8 優化后的B型斜槽工具頭縱-扭復合振動位移云圖

4 結語

介紹了一種超聲振動去毛刺系統，分析了其組成結構。對縱扭超聲振動去毛刺工具頭的結構進行了設計分析，利用有限元分析軟件ANSYS對具有不同斜槽類型的縱扭復合振動工具頭的振動特性進行了模態分析，對工具頭的結構進行了優化，設計了合適的超聲振動去毛刺工具頭結構，為超聲振動去毛刺系統的進一步研究和生產應用打下了基礎。