塑磁泵小孔超聲復(fù)合銑削加工質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)研究

張百慧，張遼遠(yuǎn)，王向飛，楊 光

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159)

薄壁泵體零件廣泛應(yīng)用于航空、航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域，且有著嚴(yán)格的制造精度要求。新能源汽車中輸送冷卻水的泵體中的轉(zhuǎn)子，具有體積小、機(jī)械強(qiáng)度高、尺寸精度高、形狀復(fù)雜、韌性良好等優(yōu)勢(shì)，并可嵌入金屬件及塑料件中使用，用途廣泛。轉(zhuǎn)子的材料是新型復(fù)合磁性材料，其中心孔部分的材料是含聚醚醚酮(PEEK)樹脂的復(fù)合材料嵌入了轉(zhuǎn)子外殼體，這是一種樹脂類復(fù)合材料，具有自潤(rùn)滑性好、耐腐蝕、機(jī)械性能優(yōu)異等特點(diǎn)，可用于高端機(jī)械、核工程和航空等科技領(lǐng)域[1]。

轉(zhuǎn)子通常以中心孔與軸進(jìn)行定位，轉(zhuǎn)子孔的精度和表面質(zhì)量直接影響泵的使用壽命和能耗等。轉(zhuǎn)子由于其材料特性在零件機(jī)械加工制造時(shí)極其困難，傳統(tǒng)的加工方法很難滿足工作要求，因此采用超聲技術(shù)和先進(jìn)機(jī)床技術(shù)相結(jié)合的解決方式。

超聲加工技術(shù)作為一種加工脆硬材料的有效手段，其實(shí)質(zhì)是在傳統(tǒng)的切削過程中給刀具或工件施加某種有規(guī)律的振動(dòng)，使切削速度、進(jìn)給量、切削深度按一定規(guī)律變化[2]。與傳統(tǒng)加工相比，振動(dòng)切削改變了工具與工件之間的空間、時(shí)間存在條件，從而改變了加工機(jī)理[3]，可以有效地減小切削力，降低加工溫度，提高加工質(zhì)量和加工效率。

本文針對(duì)磁性泵體材料難加工的問題，設(shè)計(jì)并制造了超聲動(dòng)力頭系統(tǒng)，與立式加工中心相結(jié)合，并對(duì)材料進(jìn)行超聲振動(dòng)加工實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析傳統(tǒng)加工與超聲復(fù)合加工對(duì)材料表面質(zhì)量的影響。

1 超聲振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 超聲振動(dòng)銑削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用的機(jī)床為沈陽景宏數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的立式數(shù)控加工中心，立式數(shù)控加工中心如圖1所示。

圖1 數(shù)控加工中心

超聲振動(dòng)銑削裝置主要由刀柄、超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、加工工具等組成[4]，圖2為超聲振動(dòng)銑削裝置和加工出的變幅桿實(shí)物。

圖2 超聲振動(dòng)銑削裝置和變幅桿實(shí)物

由圖2a可知，刀柄采用7/24錐度的BT40刀柄實(shí)現(xiàn)刀具與立式加工中心機(jī)床主軸的連接，用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有J1MK460臥式車床進(jìn)行加工。加工出的超聲振動(dòng)銑削裝置刀柄實(shí)物如圖3所示。

圖3 刀柄實(shí)物圖

超聲發(fā)生器又稱為超聲電源，是將交流電轉(zhuǎn)化為與超聲換能系統(tǒng)相匹配的高頻交流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲換能系統(tǒng)工作，可產(chǎn)生20kHz的高頻電流信號(hào)。超聲換能系統(tǒng)是將超聲電源的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)，最后經(jīng)由變幅桿傳遞放大，將振動(dòng)傳遞到加工刀具的裝置[5]。超聲發(fā)生器參數(shù)如表1所示。

表1 超聲發(fā)生器參數(shù)

1.2 復(fù)合階梯形變幅桿的設(shè)計(jì)[6]

在超聲設(shè)備中，變幅桿是比較重要且獨(dú)特的部分。在超聲加工過程中，由于換能器產(chǎn)生的振幅很小(如頻率20kHz時(shí)只有幾微米)，所以需要借助超聲變幅桿對(duì)換能器產(chǎn)生的超聲振幅進(jìn)行放大，即把其機(jī)械振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)位移或速度進(jìn)行放大，或?qū)⒊暷芰考性谳^小的面積上，即聚能作用[7-10]。

最簡(jiǎn)單也較常用的變幅桿有：指數(shù)形、懸鏈線形、階梯形和圓錐形，這幾類變幅桿為單一變幅桿[11]。其中，階梯形變幅桿加工制造比較簡(jiǎn)單，但存在應(yīng)力集中的缺點(diǎn)。單一形狀的變幅桿難以達(dá)到放大性能要求和加工需要，因此通常采用由單一形狀組合而成的復(fù)合式變幅桿，達(dá)到提高輸出性能的目的。

因此，本文基于傳統(tǒng)振動(dòng)理論，設(shè)計(jì)一種1/4波長(zhǎng)、具有指數(shù)形過渡段的階梯形變幅桿，同時(shí)在突變截面處采用過渡圓弧，以提高工作穩(wěn)定性和彎曲勁度，借助有限元軟件進(jìn)行三維建模和動(dòng)力學(xué)分析，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。

假設(shè)變幅桿是由均勻、各向同性材料所構(gòu)成的變截面桿，忽略機(jī)械損耗，平面縱波沿桿的軸向傳播，圖4所示為一變截面桿。

圖4 變截面桿縱振示意圖

(1)

在簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)情況下，式(1)可以寫為

(2)

圖5 變幅桿結(jié)構(gòu)圖

圖5中，S1、S2、S3分別為變幅桿端面面積；a、b分別為等截面桿桿長(zhǎng)；l1、l2、l3分別為指數(shù)形過渡段的階梯形變幅桿桿長(zhǎng)；ξI、ξII、ξIII分別為質(zhì)點(diǎn)位移函數(shù)。

對(duì)于等截面桿，有

ξn=Ancos(kx)+Bncos(kx)

(3)

利用公式(3)邊界條件：

(4)

對(duì)于帶有特殊形狀過渡段的階梯形變幅桿，本文只考慮兩端自由時(shí)的情況，其頻率公式為

atan2(kl1)+btan(kl2)+c=0

(5)

(6)

具有指數(shù)形過渡段的階梯形變幅桿，過渡段的截面變化規(guī)律為[11]

R=R1e-βx，βl2=lnN，k′2=k2-β2

由式(6)可得質(zhì)點(diǎn)位移函數(shù)為

(7)

式中:

(8)

變幅桿頻率方程為

(9)

選用材料為TC4，材料參數(shù)如表2所示。

表2 TC4材料參數(shù)表

變幅桿大端直徑為26mm，小端直徑為10mm，中間段直徑為15mm；通過式(9)求解頻率方程，解得變幅桿各段桿長(zhǎng)l1=8mm，l2=26.61mm，l3=36.39mm，圓弧過渡處分別為R1=15mm，R2=10mm，在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)法蘭盤，厚度為2mm。

2 變幅桿的振動(dòng)特性分析

2.1 基于ABAQUS的模態(tài)分析

利用理論計(jì)算得出的變幅桿尺寸，在有限元分析軟件ABAQUS[12]中用part模塊進(jìn)行三維建模。選用property分析模塊對(duì)三維模型設(shè)置對(duì)應(yīng)的材料屬性；設(shè)定邊界條件和生成網(wǎng)格，網(wǎng)格單元為四節(jié)點(diǎn)線性四面體單元，網(wǎng)格近似大小為5mm；在作業(yè)分析完成后可以得出模態(tài)分析的結(jié)果。

通過模態(tài)分析共得到20階模態(tài)，每一階都有其對(duì)應(yīng)的固有頻率和振動(dòng)形態(tài)，各階模態(tài)和對(duì)應(yīng)頻率如表3所示。

表3 階數(shù)與固有頻率數(shù)值對(duì)應(yīng)表

由于20階模態(tài)模型很多，在這里不逐一列出。對(duì)每一個(gè)振型進(jìn)行分析，在第6階振型對(duì)應(yīng)的頻率下變幅桿只有軸向變形，觀察其前一階和后一階振動(dòng)形態(tài)，可得出第6階為最優(yōu)振型，對(duì)應(yīng)的頻率為23081Hz。第6階振型如圖6所示，此頻率下變幅桿基本達(dá)到了工作要求。

圖6 變幅桿第6階模態(tài)

2.2 諧振響應(yīng)分析

為得出上述模態(tài)分析下變幅桿固有頻率在外加頻率下的振幅，對(duì)變幅桿進(jìn)行諧振響應(yīng)分析。建模過程、材料屬性、劃分網(wǎng)格的形式同模態(tài)分析一致；在step模塊中采用動(dòng)力顯示分析步，分為10個(gè)周期，共輸出500幀，一個(gè)周期為50幀；在load模塊中加入換能器，圓頻率為2pif，輸入振幅為0.01mm的正弦位移約束。在諧振響應(yīng)分析結(jié)果中，頻率為23081Hz時(shí)最易發(fā)生共振，該頻率下的云圖如圖7所示。

圖7 23081HZ振幅分布云圖

由圖7可以看出，變幅桿輸出端處的振幅最大，為23.58μm。有限元仿真得出的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)與解析值相近，因此可以認(rèn)為有限元仿真結(jié)果可靠。結(jié)合理論計(jì)算與仿真分析的結(jié)果，對(duì)變幅桿的尺寸加以調(diào)整，設(shè)計(jì)出變幅桿的基本模型，同時(shí)考慮到實(shí)際加工需要和設(shè)計(jì)要求，綜合以上內(nèi)容設(shè)計(jì)出滿足要求的變幅桿，最終制造出變幅桿實(shí)物。

2.3 變幅桿的振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)變幅桿相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性，對(duì)制造出的變幅桿進(jìn)行振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)。采用OptoMET激光多普勒測(cè)振儀對(duì)變幅桿輸出端進(jìn)行振動(dòng)特性測(cè)試。激光振動(dòng)儀允許測(cè)量的最大頻率為500kHz，測(cè)量速度為±1.225m/s，高通設(shè)置為25kHz，在24V驅(qū)動(dòng)電壓激勵(lì)下測(cè)量變幅桿小端的實(shí)際輸出頻率和輸出振幅。

超聲變幅桿振幅和頻率測(cè)試結(jié)果如圖8所示。由圖8a可知：超聲變幅桿系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，實(shí)際測(cè)量變幅桿穩(wěn)定輸出振幅峰值為23μm；振動(dòng)頻率的測(cè)試結(jié)果如圖8b所示，同樣在振動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，實(shí)際測(cè)量得出變幅桿振動(dòng)頻率峰值為24kHz，與理論計(jì)算和動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了之前所做工作的正確性。

圖8 超聲變幅桿振幅和頻率測(cè)試結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)超聲復(fù)合加工對(duì)材料表面質(zhì)量的影響，進(jìn)行超聲復(fù)合切削實(shí)驗(yàn)。所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括景宏數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的立式數(shù)控加工中心，自行研制的超聲動(dòng)力頭系統(tǒng)，LZGK-200T超聲電源等。

工件預(yù)留小孔直徑為φ3.5mm。在傳統(tǒng)加工時(shí)，由于轉(zhuǎn)子本身材料特點(diǎn)，加工時(shí)產(chǎn)生的切削熱使材料產(chǎn)生變形，采用φ3.995mm硬質(zhì)合金三刃銑刀進(jìn)行切削加工，根據(jù)一般銑削熱塑性材料的切削參數(shù)，設(shè)定加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速范圍為500～1500r/min，進(jìn)給量為30～90mm/min。在超聲復(fù)合加工時(shí)也采用相同的刀具和切削參數(shù)，對(duì)比分析零件加工質(zhì)量。傳統(tǒng)加工和超聲復(fù)合加工后的零件表面如圖9所示。

圖9 傳統(tǒng)與超聲復(fù)合加工的零件表面

加工后測(cè)得中心孔直徑為3.98～3.995mm，從圖9中可以看出，超聲振動(dòng)后的零件表面質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)加工。傳統(tǒng)加工時(shí)，由于材料自身特性，孔的尺寸精度受溫度的影響較大，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，單位時(shí)間內(nèi)材料與刀具的接觸次數(shù)增加，導(dǎo)致溫度升高，工件材料受熱變形影響較大，且材料散熱性能差、受熱變形明顯，在常溫冷卻后收縮變形更明顯，加工后的表面質(zhì)量相對(duì)較差。超聲復(fù)合銑削時(shí)，在主軸高速旋轉(zhuǎn)和均勻進(jìn)給的同時(shí)還施加了超聲高頻振動(dòng)，超聲振動(dòng)會(huì)使刀具與工件間產(chǎn)生高頻的接觸和分離；分離時(shí)，沒有與切屑層的剪切力及切屑間的摩擦力，可以減小切削力，降低切削熱，減小了工件受熱變形的影響，提高了加工精度和表面質(zhì)量，同時(shí)保護(hù)刀具，而且斷續(xù)切削的切削方式更有利于排屑。

假設(shè)刀具的進(jìn)給速度為vm，圖10為一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)刀具端部縱振運(yùn)動(dòng)的示意圖。

圖10中，A為超聲振動(dòng)的振幅，f為超聲振動(dòng)頻率，δ為刀具壓入工件最大深度，t為加工時(shí)間。

圖10 刀具端部磨粒縱振運(yùn)動(dòng)的示意圖

假設(shè)刀具高頻振動(dòng)方程為正弦曲線

z1=Asin(2πft)

(9)

則刀具端部運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

z=z1+z2=Asin(2πft)+vmt

(10)

刀尖運(yùn)動(dòng)速度方程為

v=v1+v2=2πAfcos(2πft)+vm

(11)

由式(9)～式(11)可知，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度相同時(shí)，在時(shí)間一定，且材料去除率相同的情況下，傳統(tǒng)銑削加工時(shí)單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度和速度均小于超聲復(fù)合銑削，即單位長(zhǎng)度、時(shí)間內(nèi)去除材料的體積小于超聲復(fù)合銑削，超聲復(fù)合銑削可大幅降低切削力。超聲復(fù)合銑削加工時(shí)，超聲振動(dòng)產(chǎn)生高頻沖擊作用在工件表面，使得工件表面產(chǎn)生大量的微裂紋，更有利于材料去除。

4 結(jié)束語

針對(duì)磁性復(fù)合泵體中轉(zhuǎn)子材料難加工問題設(shè)計(jì)了一套超聲復(fù)合振動(dòng)銑削系統(tǒng)。對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)中的變幅桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得出第6階固有頻率最好，變幅桿的固有頻率為23081Hz，輸出端幅值為23.58μm。實(shí)際測(cè)量結(jié)果與之前理論設(shè)計(jì)、有限元分析結(jié)果基本一致。使用自行研制的超聲動(dòng)力頭進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，超聲振動(dòng)加工的工件表面質(zhì)量與傳統(tǒng)銑削加工的表面質(zhì)量相比較好。