超聲復(fù)合電加工振動參數(shù)檢測控制與試驗研究

鄧正泉，張愛家，王　秒，張彥哲，朱永偉

（揚州大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇揚州225127）

超聲復(fù)合電加工振動參數(shù)檢測控制與試驗研究

鄧正泉，張愛家，王秒，張彥哲，朱永偉

（揚州大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇揚州225127）

利用高速、高精激光微位移傳感器及高頻數(shù)字示波器進行超聲及其復(fù)合加工的振動參數(shù)（振幅與頻率）在線測量，其結(jié)果具有高精度和實時性。設(shè)計了控制軟件，為保持超聲振動的穩(wěn)定及復(fù)合電加工參數(shù)的在線實時調(diào)節(jié)與優(yōu)化建立了基礎(chǔ)條件，同時通過數(shù)學(xué)處理得到了超聲振幅與超聲激振電壓之間的關(guān)系。利用分析與測試結(jié)果合理選擇加工參數(shù)，對陶瓷、硬質(zhì)合金等硬脆性難加工材料進行了超聲及其復(fù)合電加工試驗，超聲振動系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，試驗結(jié)果驗證了超聲及其復(fù)合電加工技術(shù)對硬脆難加工材料的加工優(yōu)勢。

超聲調(diào)制；復(fù)合電加工；振動特性；在線檢測；超聲加工試驗

超聲復(fù)合電加工是利用超聲頻振動的空化、泵吸、渦流作用與微火花放電、電化學(xué)作用等效應(yīng)的有機復(fù)合，被大量理論和實驗證明是加工硬脆性材料、難加工材料的有效方式［1］。

在超聲復(fù)合電加工實驗中，因超聲振動系統(tǒng)負(fù)載的變化、換能器的發(fā)熱、工具頭的損耗等原因，加工過程的狀態(tài)值難以保持穩(wěn)定［2-3］。超聲振動幅值是影響超聲復(fù)合電加工效率的重要因素，較大的振動幅值能保證一定的加工速度，有利于加工產(chǎn)物的排除，同時也是設(shè)定加電間隙的依據(jù)。因此，對超聲振幅及其影響參數(shù)的在線檢測是實現(xiàn)振動幅值實時調(diào)控、保證加工效率的首要步驟。本文構(gòu)建了超聲振動參數(shù)在線檢測、控制的軟硬件系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上進行了加工試驗研究。

1　檢測系統(tǒng)的構(gòu)建

在超聲復(fù)合電加工過程中，影響超聲振動幅值的主要因素有振動頻率和超聲激勵電壓，且保持系統(tǒng)處于共振狀態(tài)是加工的前提，在此基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)超聲激勵電壓，可改變超聲振動的幅值［4］。

1.1參數(shù)測量的硬件結(jié)構(gòu)

圖1是超聲振動參數(shù)測量示意圖。變幅桿小端面振動幅值采用LK-G5000激光位移傳感器測量，其精度可達0.01 μm，采樣頻率可達392 kHz，約為超聲振動頻率的20倍，且根據(jù)奈奎斯特定律［5-6］，可精確復(fù)現(xiàn)原始信號的波形。對于超聲激勵電壓，將霍爾電壓傳感器并聯(lián)在超聲電源電壓輸出端口，測量施加在壓電陶瓷堆兩端的激勵電壓。用PCI-1706U型數(shù)據(jù)采集卡將電壓傳感器及激光位移傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換并輸入計算機中。測試現(xiàn)場見圖2。

圖1　超聲振動參數(shù)測量示意圖

圖2　超聲振動參數(shù)測試現(xiàn)場

1.2基于虛擬儀器的軟件設(shè)計

LabVIEW是一種基于圖形化編程語言的測試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，其便捷、輕松的開發(fā)環(huán)境可幫助工程人員快速解決各種測試應(yīng)用課題［7-8］。本文基于該平臺編寫了用于實時檢測超聲振動參數(shù)的軟件，包括用于顯示測量參數(shù)值的前面板與測試程序內(nèi)部運行結(jié)構(gòu)的流程圖（圖3）。測試時，選擇數(shù)據(jù)采集卡的0、1通道同步采集激光位移傳感器和霍爾電壓傳感器的模擬信號輸出，經(jīng)線性還原可分別得到振幅與電壓值。另外，對激光位移傳感器采集的波形數(shù)據(jù)進行“三點法”計算，可得到超聲振動頻率。

圖3　超聲振動參數(shù)檢測程序

2　超聲振幅與電壓關(guān)系擬合及控制

2.1振幅與激勵電壓的關(guān)系

由超聲加工的原理可知，超聲振動加工的實質(zhì)是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為工具頭振動的機械能，其振動能量的強弱可用能量密度J來衡量［9-12］：

式中：ρ為彈性介質(zhì)的密度；ω為圓頻率。

對于功率超聲加工，由于超聲振動系統(tǒng)中各個構(gòu)件的橫向尺寸遠(yuǎn)小于波長，所以不考慮橫波的影響，另外不計材料內(nèi)部的機械損耗。假設(shè)通過變幅桿每一截面的振動能量是不變的，而能量密度J表示的是單位面積內(nèi)的功率大小，對于既定的超聲加工設(shè)備，其密度ρ、波速c、圓頻率w是確定的，因而振動幅值只與超聲加工功率有關(guān)。

考慮到在實際加工過程中，工具頭端面的振動無法采用傳感器直接測量，故本試驗的振幅測量端面選擇的是變幅桿的小端面，并分別對階梯形和指數(shù)形變幅桿進行研究。當(dāng)超聲電源開啟后，調(diào)節(jié)振動頻率，使振動系統(tǒng)保持共振狀態(tài)，此時階梯形變幅桿的振動頻率為17.4 kHz，指數(shù)形變幅桿的振動頻率為18.3 kHz。加工開始后，將超聲電源電壓從20 V逐步增加至最大電壓，從LabVIEW波形采集窗可實時觀測到電壓值的變動情況，每間隔12 V激光位移傳感器控制軟件存儲一次測量振幅值。

圖4是變幅桿振幅隨超聲激勵電壓變化的關(guān)系曲線?？煽闯?，隨著超聲激勵電壓的增加，變幅桿小端面的振幅也隨之增大。在LabVIEW中，采用最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合公式包括振幅與輸入電壓2個參數(shù)，可得到振幅A與電壓U的關(guān)系式。

階梯形變幅桿的振幅與超聲激勵電壓的擬合公式為：

指數(shù)形變幅桿的振幅與超聲激勵電壓的擬合公式為：

圖4　振幅隨超聲激勵電壓的變化曲線

圖5　激光傳感器檢測的超聲振幅曲線

2.2超聲激勵電壓調(diào)控

在超聲復(fù)合電加工中，工具頭端面的振動幅值是影響加工效率的一個重要因素。由實際加工經(jīng)驗可知，振幅越大，加工效率越高［13］。

超聲振動系統(tǒng)的共振與否是實現(xiàn)超聲加工的關(guān)鍵。在加工開始前，首先要保證系統(tǒng)共振，數(shù)字超聲電源在一定范圍內(nèi)可自動尋找、跟蹤系統(tǒng)共振頻率［14］，但在外加負(fù)載超出其調(diào)節(jié)范圍時，需調(diào)節(jié)超聲電源的激振頻率，使其達到共振。

根據(jù)擬合公式（2）、（3）可知，超聲振動幅值與超聲激勵電壓成正比關(guān)系。在加工過程中，通過傳感器對超聲振動參數(shù)的在線檢測，經(jīng)控制軟件分析與處理后，可實時調(diào)整超聲激勵電壓，從而可保證超聲振動幅值在一個較大的范圍內(nèi)在線可調(diào)。超聲激勵電壓的調(diào)控示意圖見圖6。

圖6　超聲激勵電壓調(diào)控示意圖

3　加工試驗

圖7是超聲調(diào)制電加工系統(tǒng)，主要包括超聲電源、超聲振動裝置、工具電極與工件、工作臺、高頻單脈沖電源、同步電源斬波器、TBS1154數(shù)字存儲示波器、激光微位移傳感器、霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和PC機等裝置。

圖7　超聲調(diào)制電加工系統(tǒng)

3.1單一超聲加工試驗

超聲加工特別適合于加工硬脆非金屬材料（如：硬脆陶瓷、玻璃等），具有加工效率高、精度好、表面質(zhì)量好的優(yōu)點。壓電陶瓷（PZT）器件廣泛用于高精密傳感器中，傳統(tǒng)加工常采用金剛石機械切片，但存在效率低、刀片消耗大、加工切口余量大等缺點。

圖8a是單一超聲加工非導(dǎo)電陶瓷PZT材料的樣件。因壓電片尺寸微小，故釆用特殊膠水將其多片粘接在一片玻璃上，每片玻璃可加工多個定位孔，以提高加工效率。圖8b是加工壓電陶瓷片上直徑2.8 mm的定位孔，表面導(dǎo)電層無剝落及喇叭口現(xiàn)象，且加工效率高，加工精度、表面質(zhì)量均很好。單一超聲加工可利用超聲調(diào)制復(fù)合電加工系統(tǒng)（圖7），加工時關(guān)閉脈沖電源。

圖8　單一超聲加工樣件

然而，超聲加工有電極損耗，且隨著加工時間的增加，加工精度不可避免地會下降，加工面積及深度增大時，效率優(yōu)勢將不再顯著。特別是在加工硬且堅韌的金屬材料（如：硬質(zhì)合金、鈦合金、高強度鋼）時，不但加工效率低，而且由于電極損耗大，加工精度與表面質(zhì)量將變差。此時要實現(xiàn)有效的微精加工，需將超聲與放電、電解等方式有效復(fù)合，才能有效解決這類材料的加工難題［15-16］。

3.2超聲復(fù)合同步電解微精加工試驗

采用陣列圓形微凸起的工具電極加工硬質(zhì)合金YG8材料，主要加工參數(shù)如下：工件與工具間的靜壓力為2.0 N，加工時間2 min，磨料為W10碳化硼，其懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaNO3水溶液，并采用“靜液”人工方式供給。

試驗通過單一超聲加工、超聲頻振動復(fù)合3 V直流電解加工、超聲頻振動復(fù)合3 V脈沖電解加工、超聲頻振動復(fù)合同步3 V電解加工進行對比。材料表面微凹坑局部放大成形效果見圖9。可看出，超聲頻振動復(fù)合同步脈沖電解在保持加工效率的基礎(chǔ)上，加工復(fù)制精度得到提高，具有更好的加工精度和表面質(zhì)量。這是因為超聲頻振動復(fù)合同步脈沖電解微精加工中，電解作用與超聲頻振動協(xié)調(diào)同步，加工間隙微小，超聲效應(yīng)輔助及時去除電解產(chǎn)物、更新電解液，更有利于改善及穩(wěn)定電解加工的間隙狀態(tài)，提高電解去除的定域性，還可避免通常大電流密度電解時產(chǎn)生的雜散腐蝕作用，加工過程穩(wěn)定性會更好，從而有效提高了加工精度及表面質(zhì)量。

圖9　微細(xì)陣列圓形微凹坑顯微照片

4　結(jié)論

（1）設(shè)計并完善了超聲振動參數(shù)（振幅A與頻率ω）測試系統(tǒng)，經(jīng)檢測試驗驗證其測量方法具有良好的工作可靠性，振動參數(shù)測量結(jié)果具有很高的精度與實時性。

（2）設(shè)計了系統(tǒng)測量軟件，振幅、頻率檢測與控制方案合理可行，通過試驗驗證與數(shù)學(xué)分析得出超聲振動系統(tǒng)輸出端面振幅和輸入激勵電壓均近似成線性正相關(guān)關(guān)系，為超聲及超聲復(fù)合電加工過程的在線、實時控制及優(yōu)化建立了實驗條件。

（3）根據(jù)分析測量結(jié)果，選取合理的超聲及超聲復(fù)合加工參數(shù)，進行了硬脆性、難加工材料的超聲與超聲復(fù)合電加工試驗，驗證了超聲復(fù)合電加工方法的技術(shù)優(yōu)勢。

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Vibration Parameters Detection Control and Experimental Research of Ultrasonic Compound Electric Machining

Deng Zhengquan，Zhang Aijia，Wang Miao，Zhang Yanzhe，Zhu Yongwei
（Collage of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China）

The measuring results are with high accuracy and timeliness by high-speed，highprecision micro-displacement laser sensor and high-frequency digital oscilloscope online measured ultrasonic vibration parameters（amplitude and frequency）.Development control software can provide basic conditions for maintain the stability of the ultrasonic vibration and compound electric machining parameters on-line in real time to adjust and optimization.At the same time，the relationship between ultrasound amplitude and ultrasonic excitation voltage is obtained by mathematical treatment.Meanwhile，the working stability of ultrasonic vibration system and technical advantages of ultrasonic compound electrical machining method are verified by using the results from analysis and tests，choosing processing parameters reasonably，testing ultrasound machining and ultrasonic compound modulation electric machining on ceramics，carbide and other hard and brittle difficult materials.

ultrasound modulation；compound electric machining；vibration characteristic；online measurement；ultrasonic machining experimental

TG663

A

1009－279X（2016）04－0045-04

2016-01-08

國家自然科學(xué)基金資助項目（51375428）

鄧正泉，男，1990年生，碩士研究生。