多功能旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置的設(shè)計與優(yōu)化

黃 帥，劉 新，瞿嬌嬌，陳發(fā)澤，徐文驥

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024）

目前，超聲波技術(shù)已非常成熟，在測量、醫(yī)學(xué)、制造、清洗等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。自1927 年美國物理學(xué)家成功利用超聲振動技術(shù)對玻璃板雕刻和快速鉆孔以來，各國學(xué)者都對這項技術(shù)進(jìn)行了深入研究，其加工對象主要為傳統(tǒng)加工方法難以加工的硬、脆、軟材料。隈部淳一郎對一維超聲振動的裝置設(shè)計、加工機理、應(yīng)用等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究[1]。二維超聲橢圓振動切削在降低切削力、切削熱、抑制刀具磨損和加工時的顫振、提高加工質(zhì)量等方面表現(xiàn)出較好的性能[2-4]。Suzuki 等設(shè)計出三維超聲振動裝置并成功用于加工實驗[5]。

旋轉(zhuǎn)超聲加工是采用固結(jié)磨粒的工具頭加工工件，在主軸方向以超聲頻率振動并隨主軸高速旋轉(zhuǎn)的一種加工方法。其加工機理包括錘擊、劃擦、磨拋等；若在冷卻液作用下加工，還有交變液壓沖擊波和空化作用，材料去除包括脆性去除和塑性去除[6-7]。旋轉(zhuǎn)超聲鉆削加工的材料去除率約為普通超聲鉆削的10 倍，且能加工深徑比更大的孔[8]。袁小飛等[9]設(shè)計了用于鋁合金加工的旋轉(zhuǎn)超聲銑削設(shè)備。王懷斌[10]研制了旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工裝置，并用于鐵氧體、陶瓷、玻璃等材料的加工。旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)與其他加工方法相結(jié)合已成為加工硬脆材料的重要方法之一，其中的關(guān)鍵技術(shù)是旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置的設(shè)計。若裝置可作為附件添加到其他機床上，且在不破壞機床原有結(jié)構(gòu)的條件下具有多功能性，便能使該項技術(shù)得到廣泛應(yīng)用和推廣。

肖永軍等[11]設(shè)計的旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置采用碳刷傳輸電能，主軸旋轉(zhuǎn)時有滑動磨損，且不適合高速運轉(zhuǎn)，高頻傳輸電能時會產(chǎn)生接觸火花，還存在積碳和漏電等問題。皮鈞等[12]研制的旋轉(zhuǎn)超聲刀柄系統(tǒng)采用感應(yīng)電能傳輸方式，有效解決了碳刷傳輸電能帶來的問題。但目前的旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置多存在以下問題：非接觸傳輸電能的兩個線圈之間的氣隙不可調(diào)；刀柄系統(tǒng)的錐體和腔體一體化設(shè)計缺乏經(jīng)濟性，且加工難度較大，若錐體或腔體的某一部分需要更換，則需整體重新設(shè)計；換能器和變幅桿采用螺紋連接，超聲振動傳輸時會有一定損失；工具與振動裝置通過螺紋連接，造成能量損耗，且與微小工具頭連接時出現(xiàn)螺紋加工困難和連接強度低等問題。

本文設(shè)計的多功能旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置可在多種普通機床上使用，經(jīng)濟性和實用性較高。非接觸傳輸電能的線圈之間的氣隙可調(diào)，刀柄錐體采用標(biāo)準(zhǔn)化的莫氏錐，無需單獨加工，刀柄腔體部分單獨加工后與錐體裝配，換能器和變幅桿一體化設(shè)計為復(fù)合體，并運用有限元法優(yōu)化，振動裝置與工具采用熱裝方式連接。

1 旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)基本原理

圖1 是超聲波加工基本原理。一維超聲振動加工有工具頭振動和工件振動兩種方式，工具頭振動又分為普通超聲加工和旋轉(zhuǎn)超聲加工。普通超聲加工原理見圖1a，為獲得零件的表面輪廓，需制作與零件形狀相對應(yīng)的工具頭，工具頭沿主軸方向作超聲頻率機械振動，帶動磨料液中的磨粒高頻錘擊工件表面，并在空化作用下去除工件表面材料，從而獲得所設(shè)計的形狀。旋轉(zhuǎn)超聲加工原理見圖1b，通常將金剛石磨粒固結(jié)在圓柱形工具頭末端。工具頭沿主軸方向以超聲頻率振動的同時，還隨主軸高速旋轉(zhuǎn)，可按仿銑加工工藝逐層去除材料，從而獲得零件形狀，也可完成套料加工、鉆孔、磨削等工藝。

圖1 超聲波加工基本原理

圖2 是設(shè)計的多功能旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置的結(jié)構(gòu)組成。錐柄1 采用標(biāo)準(zhǔn)莫氏錐，不同機床作相應(yīng)選擇即可，無需自行加工，此方案可保證該裝置在不改變原機床結(jié)構(gòu)的情況下具有良好的兼容性。腔體7 根據(jù)換能器的尺寸設(shè)計，更換不同參數(shù)的換能器時，此方案可保證裝置其他部件的結(jié)構(gòu)無需改變。為實現(xiàn)振動系統(tǒng)隨主軸旋轉(zhuǎn)，采用非接觸感應(yīng)電能傳輸方式。初級線圈3 由固定圈2 固定在主軸外殼9 上，不同機床使用該裝置時只需更換固定圈2 而不用重新設(shè)計線圈結(jié)構(gòu)。次級線圈4 固定在腔體7 上，隨主軸8 一起轉(zhuǎn)動，調(diào)整固定圈2 的位置即可調(diào)整初級線圈3 與次級線圈4 之間的氣隙。復(fù)合振動體6 是換能器和變幅桿一體化設(shè)計的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，沒有采用常規(guī)的螺紋連接方式，可減少超聲振動傳輸過程中的損失。工具頭5 與復(fù)合振動體6 采用熱裝方式連接。

圖2 多功能旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置的結(jié)構(gòu)組成

2 旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置的設(shè)計

2.1 電磁感應(yīng)式非接觸電能傳輸

目前，旋轉(zhuǎn)超聲加工采用的超聲波信號頻率一般為15～25 kHz。提高加工效率可從提高頻率和增大功率出發(fā)；但頻率不宜過高，否則會造成工具疲勞失效。設(shè)計選用的超聲波信號發(fā)生器，其最大功率900 W，頻率40 kHz，功率連續(xù)可調(diào)，頻率固定。

超聲波信號由信號發(fā)生器傳輸?shù)叫D(zhuǎn)運動的換能器，有電刷和電磁感應(yīng)非接觸傳輸兩種方式。電刷在高頻和高速時的性能不穩(wěn)定，電磁感應(yīng)式非接觸電能傳輸基本原理和結(jié)構(gòu)見圖3。銅線在骨架5 上繞制后裝入由粉末冶金鐵氧體制成的鐵芯7內(nèi)，鐵芯置于外殼6 內(nèi)。初級線圈和次級線圈分別固定在固定圈1和腔體9 上，固定圈1 固定在主軸外殼4 上，調(diào)整固定圈1 可實現(xiàn)調(diào)整兩線圈間的氣隙，試驗時，在兩線圈間墊上塞尺，可將氣隙調(diào)整至0.2 mm。次級線圈、腔體9、錐體2 隨主軸3 一起轉(zhuǎn)動。若更換機床使主軸結(jié)構(gòu)改變，則重新設(shè)計固定圈1 即可，無需改變其他部分的結(jié)構(gòu)。超聲頻率電信號通過初級線圈產(chǎn)生變化的磁場，磁感線穿過次級線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，完成電-磁-電的轉(zhuǎn)換。電信號從靜止的初級線圈傳輸?shù)叫D(zhuǎn)的次級線圈，實現(xiàn)電磁耦合非接觸傳輸[13]。

圖3 電磁感應(yīng)式非接觸電能傳輸基本原理和結(jié)構(gòu)

初級線圈和次級線圈結(jié)構(gòu)相同，用銅線繞制。根據(jù)安培環(huán)路定律[14]，線圈的匝數(shù)計算公式為：

式中：N 為線圈匝數(shù)；B 為磁感應(yīng)強度；L 為磁路（閉合回線）的平均長度；U 為傳輸電壓；μ 為磁導(dǎo)率；P為傳輸功率。

超聲電信號傳輸?shù)酱渭壘€圈后，換能器與次級線圈通過導(dǎo)線連接，由此便完成了電能的傳輸。為提高傳輸效率，需減小線圈之間的氣隙，并對電路進(jìn)行補償。圖4 是超聲振動系統(tǒng)的等效電路，換能器阻抗Z0等效為電容C0和電阻R0并聯(lián)。在次級邊并聯(lián)補償電容C1，Z1為等效負(fù)載，則輸出功率為：

上式可整理為：

式中：f 為傳輸信號的頻率。當(dāng)[1-4π2f2L2（C0+C1）]=0 時，輸出功率最大，由此可計算出補償電容C1。

圖4 超聲振動系統(tǒng)的等效電路

然后，將2 個線圈等效為阻抗Z2，補償電容和換能器等效為阻抗Z1，將Z1和Z2作為信號發(fā)生器的負(fù)載，按上述方法進(jìn)行初級邊補償，以提高功率傳輸效率。

2.2 超聲振動系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化

超聲振動系統(tǒng)主要由換能器和變幅桿兩部分組成。換能器的功能是將超聲頻率的電信號轉(zhuǎn)換為超聲頻率的機械振動；變幅桿的功能是把換能器的振動速度和位移放大，并將振動能量集中在較小的面積上。

常見的換能器有磁致伸縮式和壓電式兩種形式。磁致伸縮式換能器尺寸較大，電聲轉(zhuǎn)換效率相對較低，且發(fā)熱量大，不適合用于旋轉(zhuǎn)超聲振動系統(tǒng)。壓電式換能器振動較大，聲輻射較強，加工多選用此形式換能器。

變幅桿是連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接。由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效，所以本文將換能器和變幅桿一體化設(shè)計為復(fù)合體，在復(fù)合體節(jié)點處添加法蘭盤與腔體固定。復(fù)合體、壓電陶瓷、換能器端蓋通過螺桿連接，連接方案有2 種：復(fù)合體設(shè)計為一體、單獨使用螺桿。運用ANSYS 軟件對螺桿與復(fù)合體設(shè)計為一體的方案進(jìn)行有限元分析（圖5），結(jié)果表明螺桿與復(fù)合體設(shè)計為一體的方式，在螺桿末端和復(fù)合體末端同時出現(xiàn)軸向最大振動，即超聲振動從換能器同時向兩端傳播，螺桿也起到變幅桿的作用。因此，不能采用螺桿與復(fù)合體一體化設(shè)計的方案，需單獨使用螺桿連接復(fù)合體、壓電陶瓷和換能器端蓋，連接處有間隙存在，有利于減緩振動能量傳向螺桿末端。

圖5 帶螺桿的復(fù)合體有限元分析結(jié)果

復(fù)合體變幅桿部分為階梯型變幅桿，其放大系數(shù)較大、設(shè)計簡單、加工容易，但在前后段的連接處直徑突然變化，易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞斷裂，因此需設(shè)計過渡圓弧。過渡圓弧對振動系統(tǒng)固有頻率、放大倍數(shù)、使用性能都有影響，取不同圓弧半徑R（R=6、8、10 mm）進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果見表1。提取模態(tài)后，對復(fù)合體進(jìn)行諧響應(yīng)分析（圖6），結(jié)果表明：圓弧半徑為8 mm、縱振模態(tài)為38.251 kHz 時，振型為軸向縱振，驗證了復(fù)合體設(shè)計方案滿足設(shè)計要求。

表1 復(fù)合體模態(tài)分析結(jié)果

圖6 R=8 mm 諧響應(yīng)分析結(jié)果

2.3 熱裝工具頭

熱裝工具頭技術(shù)是利用熱脹冷縮原理，將工具頭放入受熱膨脹的夾頭孔中，夾頭冷卻后，以過盈配合將工具頭固定的一種連接技術(shù)。該技術(shù)在高速工具系統(tǒng)中已成熟運用，具有靜態(tài)精度、剛性高、可靠性和安全性好等特點[15]。在旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置中運用熱裝工具頭技術(shù)，有利于減少螺紋連接時的能量損失，可規(guī)避微小工具頭螺紋加工難度大和連接剛度低等缺點。夾頭可裝夾鉆削、銑削、磨削等工具頭，更換裝置的莫氏錐便可在鉆床、銑床、磨床上實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲加工。

3 結(jié)論

（1）裝置錐體采用標(biāo)準(zhǔn)化莫氏錐，腔體分開設(shè)計，不改變機床結(jié)構(gòu)即可在多種普通機床上使用。

（2）裝置運用電磁感應(yīng)式非接觸電能傳輸?shù)姆绞?，在不同機床上使用裝置時，改變固定圈結(jié)構(gòu)而無需重新設(shè)計線圈結(jié)構(gòu)，兩線圈間氣隙可調(diào)。

（3）振動系統(tǒng)換能器和變幅桿一體化設(shè)計為復(fù)合體。運用有限元分析優(yōu)化了螺桿結(jié)構(gòu)和過渡圓弧半徑，驗證了復(fù)合體的設(shè)計方案是可行的。

（4）工具頭運用熱裝技術(shù)連接，可減小螺紋連接的能量損耗，尤其能增強微細(xì)工具頭的連接強度。

[1]隈部淳一郎.精密加工－振動切削基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1985.

[2]李勛，張德遠(yuǎn).不分離型超聲橢圓振動切削試驗研究[J].機械工程學(xué)報，2010（19）：177－182.

[3]Cong W L，Pei Z J，Deines T，et al.Rotary ultrasonic machining of stainless steels∶empirical study of machining variables [J].International Journal of Manufacturing Research，2010，5（3）：370－386.

[4]康仁科，馬付建，董志剛，等.難加工材料超聲輔助切削加工技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2012（16）：44－49.

[5]Shamoto E，Suzuki N，Tsuchiya E，et al.Development of 3 DOF ultrasonic vibration tool for elliptical vibration cutting of sculptured surfaces [J].CIRP Annals－Manufacturing Technology，2005，54（1）：321－324.

[6]肖德賢.旋轉(zhuǎn)超聲波銑削加工技術(shù)的實驗研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2004.

[7]鄭書友，馮平法，徐西鵬.旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)研究進(jìn)展[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009（11）：1799－1804.

[8]VanCleave D.Ultrasonics gets bigger jobs in machining and welding[J].Iron Age，1976，13：69－72.

[9]袁小飛，成全，王燕，等.關(guān)于立式數(shù)控銑床旋轉(zhuǎn)超聲銑頭的研究[J].機械設(shè)計與制造，2010（11）：150－152.

[10]王懷斌.旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工工藝及裝置的研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[11]肖永軍，楊衛(wèi)平，李堯忠，等.旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置的研制[J].制造技術(shù)與機床，2007（6）：70－72.

[12]皮鈞，王素，馮薇.感應(yīng)電能傳輸超聲振動刀柄集成系統(tǒng)[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2010（1）：20－23.

[13]韓騰，卓放，劉濤，等.可分離變壓器實現(xiàn)的非接觸電能傳輸系統(tǒng)研究[J].電力電子技術(shù)，2004（5）：28－29.

[14]秦曾煌.電工學(xué)（上冊）－電工技術(shù)[M].6 版.北京：高等教育出版社，2003.

[15]宋志鵬，王貴成，王樹林，等.HSK 熱裝刀柄－刀具系統(tǒng)徑向剛度分析[J].工具技術(shù)，2010，44（8）：11－15.