基于磨削加工氣霧冷卻超聲聚焦系統(tǒng)的設(shè)計與研究*

汪幫富 李 華 趙江江 殷 振 曹自洋 任 坤

(①蘇州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇蘇州 215009;②江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013;③蘇州快速電梯有限公司，江蘇蘇州 215006;④河南工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州 450001)

為了克服精密與超精密磨削加工過程中大量澆注冷卻液的不足和污染環(huán)境等問題，研究綠色、高效的冷卻技術(shù)已經(jīng)成為精密磨削技術(shù)發(fā)展主要方向之一。在對國內(nèi)外冷卻方式研究的基礎(chǔ)上提出了氣霧聚焦超聲冷卻的新型冷卻方式，它以氣霧介質(zhì)的強(qiáng)換熱能力和聚焦超聲的聲動力效應(yīng)為基礎(chǔ)，突破磨削區(qū)氣障，進(jìn)入磨削區(qū)實現(xiàn)冷卻。該新型冷卻方式極大地提高了冷卻液的使用率，降低了冷卻液的使用量，是實現(xiàn)綠色精密磨削的重要途徑。在為了實現(xiàn)該新型冷卻方式的基礎(chǔ)上，對氣霧聚焦超聲冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了研究和制作［1－5］。冷卻原理如圖1所示。

氣霧聚焦超聲系統(tǒng)由超聲霧化器和聚焦超聲系統(tǒng)兩部分組成，將超聲霧化器和超聲聚焦器分開設(shè)計，這樣避免了超聲霧化器和超聲聚焦器的頻率相互影響的問題，降低了設(shè)計和制造的難度［6］。氣霧冷卻聚焦超聲系統(tǒng)主要由超聲電源、超聲霧化器、微量供液裝置、超聲聚焦器等組成。超聲電源是用以產(chǎn)生超聲頻電能并提供給超聲換能器的裝置;超聲霧化器將微量供液裝置提供的微量冷卻液霧化，以提供足量的氣霧冷卻介質(zhì);超聲聚焦器可產(chǎn)生一定輻射壓力的聲場，可將在超聲焦區(qū)的霧化介質(zhì)輸送到磨削區(qū)，是實現(xiàn)氣霧聚焦超聲冷卻的關(guān)鍵部件。本文重點就超聲聚焦器設(shè)計制造作一下介紹。

1 氣霧冷卻超聲聚焦系統(tǒng)中關(guān)鍵部件——聚焦器的設(shè)計

理論上要求聚焦超聲換能器的縱振諧振頻率和聚焦器的彎曲振動諧振頻率一致，實現(xiàn)聚焦器的局部共振，實現(xiàn)較大的聚焦聲強(qiáng)。通過有限元分析方法，對理論設(shè)計的聚焦超聲換能器和聚焦器組合成聚焦超聲系統(tǒng)后的性能參數(shù)進(jìn)行分析，由于聚焦器邊界自由振動方程的推導(dǎo)及計算的復(fù)雜性，為了更快得到聚焦器的參數(shù)，本部分基于有限元從厚度、開口半徑、曲率半徑三因素對聚焦器與彎曲振型振動特性的影響進(jìn)行分析［6］。所設(shè)計的聚焦器材料選用硬鋁LY－12。圖2所示為所設(shè)計聚焦器的結(jié)構(gòu)簡圖。

考慮所設(shè)計的聚焦器和聚焦換能器要能夠進(jìn)行裝配，故在聚焦器的尺寸上取D1=20 mm，D2=26 mm，l=8 mm。為了得到足夠強(qiáng)的輻射超聲，將開口直徑D3選定為98 mm。聚焦器厚度設(shè)計為3 mm，即R2=R1+3。為了得到聚焦器內(nèi)徑對頻率的變化規(guī)律，固定參數(shù)D1，D2，l和D3，只改變R1和R2的大小，運(yùn)用有限元工具，改變參數(shù)R1，搜尋合適的振型和頻率點。通過有限元分析結(jié)果得出了曲率半徑對聚焦器頻率的影響規(guī)律如圖3和圖4。從圖3中可以看出，隨著聚焦器內(nèi)徑的增加，聚焦器的一階振動頻率和二階振動頻率漸降低。一階振動頻率趨近于2 674 Hz，二階振動頻率趨近于12 770 Hz。對直徑98 mm，厚度3 mm和內(nèi)孔15 mm的硬鋁LY－12圓板進(jìn)行有限元分析得出了帶中心孔圓板的振動頻率見表1。通過對比表1和圖3可以得出，當(dāng)聚焦器內(nèi)弧半徑R1逐漸增大后，其一階振動頻率和二階振動頻率趨近于同口徑的薄圓板的一階和二階振動頻率。

表1 帶有中心孔圓板的振動頻率分析結(jié)果

從圖4可以得出，聚焦器的三階振動頻率趨近于28 171 Hz，四階振動頻率趨近于55 962 Hz。對比表1得出三階振動頻率和四階振動頻率隨聚焦器內(nèi)弧半徑R1的增大頻率會大于同口徑的薄圓盤的振動頻率。這樣可以得出聚焦器振動頻率隨聚焦器內(nèi)弧半徑R1的變化而變化的規(guī)律，為以后設(shè)計不同內(nèi)弧半徑的聚焦器奠定了基礎(chǔ)。圖5為聚焦器振動模態(tài)剖視圖。從聚焦器的模態(tài)分析中可知聚焦器的頻率為26 525 Hz。將聚焦器和超聲換能器組合在一起可得出超聲聚焦器模態(tài)剖視圖，如圖6所示。

從圖6中可得出組合后的超聲聚焦器頻率為26 662 Hz，聚焦器振動模態(tài)為三階振動模態(tài)。為了得出振動幅值在聚焦器位置的分布，選擇聚焦器內(nèi)弧面為路徑提取Z向振幅UZ如圖7所示。

圖7中橫坐標(biāo)為聚焦器圓心角α值(見圖2所示)，縱坐標(biāo)為振幅值。從圖中可以看出節(jié)點在振幅為0處位置。通過弧長數(shù)據(jù)可以計算出節(jié)圓(注:在圓盤的振動輻射面上存在兩個互為反相的振動區(qū)，如當(dāng)內(nèi)側(cè)振動區(qū)的質(zhì)點向下運(yùn)動時，外側(cè)振動區(qū)的質(zhì)點則向上運(yùn)動;反之亦反。兩區(qū)域的振動總是反相的，其交界線形成了一個圓叫節(jié)圓，節(jié)圓上的質(zhì)點不會發(fā)生振動位移［7］)與球面中心線的角度，可得出節(jié)圓位置中心軸線夾角 α 分別為50°，36°，15°。

2 氣霧冷卻超聲聚焦系統(tǒng)的聚焦器補(bǔ)償設(shè)計

振動聚焦器開口半徑大可以獲得大的輻射功率，開口直徑設(shè)定為98 mm。也由于開口直徑大，聚焦器工作在諧振狀態(tài)時已經(jīng)出現(xiàn)3個節(jié)圓。由于節(jié)圓的存在，聚焦器彎曲振動時會出現(xiàn)彎曲振動的反相區(qū)。在節(jié)圓的一側(cè)增加圓環(huán)臺階來達(dá)到改變相位的目的。經(jīng)計算得出圓環(huán)補(bǔ)償?shù)奈恢脩?yīng)在振幅相對較小的區(qū)域。聚焦器一共有3個節(jié)圓位置，內(nèi)節(jié)圓、中間節(jié)圓和外節(jié)圓。由上述已經(jīng)得出不同節(jié)圓與中心軸線的夾角分別為50°，36°，15°。本文經(jīng)有限元分析設(shè)計了在中間節(jié)圓(即夾角為36°處的節(jié)圓)內(nèi)側(cè)位置和外側(cè)位置補(bǔ)償?shù)木劢蛊?，即補(bǔ)償在15°與36°之間和50°與36°之間。

增加補(bǔ)償之后，聚焦器厚度增加，聚焦器的頻率會下降。為了保證加厚度補(bǔ)償?shù)木劢蛊骱统暰劢箵Q能器的頻率一致，需要調(diào)整聚焦器基底的厚度，以及適當(dāng)調(diào)整所加補(bǔ)償部分的位置。經(jīng)有限元分析得出理想振型如圖8和圖9所示。

從圖8可知在聚焦器中間節(jié)圓內(nèi)側(cè)補(bǔ)償后聚焦器頻率為26.5 kHz，從圖9可知在中間節(jié)圓外側(cè)補(bǔ)償后聚焦器頻率為26.1 kHz。經(jīng)有限元仿真后得出聚焦器補(bǔ)償后的結(jié)構(gòu)尺寸如圖10所示。

將這兩種聚焦器與超聲聚焦換能器組裝配合后進(jìn)行有限元分析分別得出模態(tài)剖視圖如圖11和圖12。

3 超聲聚焦器的阻抗測試試驗研究

超聲聚焦器組裝完成后樣機(jī)如圖13所示，通過阻抗測試可以得出超聲聚焦器自身的性能參數(shù)，可以初步判定超聲聚焦器裝配的優(yōu)劣。本次試驗主要采用PV70A阻抗分析儀提取不同聚焦器組裝后的振動頻率和動態(tài)阻抗，測試所得曲線如圖14所示。

從圖14中曲線可以看出聚焦器都有有規(guī)則的導(dǎo)納圓，說明聚焦器裝配良好，可以看出經(jīng)有限元分析所得結(jié)果可控制在5%以內(nèi)，聚焦器的誤差相對非常小。

4 超聲聚焦器的振動測試試驗研究

振動測試聚焦超聲系統(tǒng)的振動特性主要包括聚焦器的振動幅值和振型等。圖15為聚焦器振動測試點分布圖，其中測試線都由18點組成，且按照由小到大的順序從外圈向內(nèi)圈排列。圖16為MTI－2100光纖測振儀測試曲線圖。在測試過程中，光纖測振儀探頭需要沿著徑向方向測試。

從圖16可看出聚焦器的節(jié)點位置分別在7點和8點之間，12點和13點之間，15點和16點之間。對比圖7可看出測試結(jié)果和有限元仿真結(jié)果基本一致，說明有限元仿真對聚焦器的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

5 超聲聚焦器的聲場有限元分析及試驗測試

超聲聚焦器的設(shè)計目的是為了在焦點處實現(xiàn)能量的集中。氣霧冷卻聚焦超聲系統(tǒng)中超聲聚焦器需要提供高輻射超聲以提高達(dá)到焦區(qū)處的氣霧顆粒的運(yùn)動速度，從而有利于氣霧進(jìn)入磨削區(qū)進(jìn)行高效冷卻。對超聲聚焦器在空氣中的輻射聲場進(jìn)行有限元分析(圖17為超聲聚焦器經(jīng)有限元分析后在后處理中提取的聲場分布云圖)，測試的截面聲壓分布云圖如圖18所示。

從上述兩圖中可以看出超聲振動聚焦系統(tǒng)聲場聲壓分布，并且在聚焦器前方接近球心處有一焦區(qū)，聲波近似為球面波向外傳播且聲壓幅值隨著傳播距離的增加逐漸減小。

為了更直觀地觀察超聲聚焦器的聚焦效果，搭建試驗平臺將點燃的蠟燭放置在聚焦器軸線上，通過對比蠟燭火焰從遠(yuǎn)到近逐漸靠近焦區(qū)時的形態(tài)，觀察超聲對火焰形態(tài)的影響。如圖19、20所示。

實驗表明隨著蠟燭逐漸靠近聚焦器，蠟燭火焰受到超聲產(chǎn)生的輻射壓力也越來越大，火焰開始搖曳并變小最終熄滅。蠟燭火焰越靠近聚焦器底部越容易熄滅，也就是越靠近焦域的時候超聲輻射強(qiáng)度越大。該試驗直觀地顯示了聚焦器軸線上的聲壓分布，也是對聲場測試結(jié)果的一個驗證。

6 結(jié)語

本文在研究常用聚焦原理的基礎(chǔ)上，為了能夠在空氣介質(zhì)中實現(xiàn)大功率的超聲輻射，提出一種聚焦器彎曲振動超聲聚焦器。超聲聚焦器聚焦的實現(xiàn)是通過聚焦器的彎曲振動，聚焦器的彎曲振動具有低輻射阻抗并且具有大的輻射面積，因此超聲聚焦器可以在空氣中輻射出強(qiáng)超聲。基于有限元方法設(shè)計了聚焦器并與超聲聚焦換能器進(jìn)行了裝配。用MTI－2100光纖測振儀和激光多普勒測振儀測試了聚焦換能器的振型，將測試的振型與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，試驗測試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。為今后進(jìn)一步研究打下良好的基礎(chǔ)。

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