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(xiàn)代制造領域中，大多數(shù)加工方法均不可避免使加工零件產(chǎn)生毛刺，這將影響零件的精度及后續(xù)的加工和裝配，降低機械產(chǎn)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(fā)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(jié)能環(huán)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(tǒng)進行了研究，重點對工具頭進行了設計和仿真優(yōu)化，為超聲振動去毛刺系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應用打下基礎。

1 超聲振動去毛刺系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)的驅(qū)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(tǒng)主要由超聲波發(fā)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(fā)生器1輸出的高頻電信號經(jīng)由換能器2轉(zhuǎn)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(qū)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(tǒng)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(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)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(tǒng)

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(tǒng)的重要組成元件，其振動模式對毛刺的去除質(zhì)量有重要影響。該系統(tǒng)工具頭采用了縱扭振動模式，將縱振和扭轉(zhuǎn)振動復合在一起，以期實現(xiàn)對交叉孔等特殊位置毛刺的高效率去除。

為了實現(xiàn)縱扭振動，需要在工具頭處將超聲換能器的縱向振動轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)振動。傳統(tǒng)的將縱向振動轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)振動，可獲得較大的輸出功率，但轉(zhuǎn)換效率不高。系統(tǒng)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(xiàn)扭轉(zhuǎn)分量，實現(xiàn)振動模式之間的轉(zhuǎn)換，以獲得較大輸出功率和轉(zhuǎn)換率的扭轉(zhuǎn)振動[4]。系統(tǒng)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(zhuǎn)換成扭轉(zhuǎn)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(yōu)化

為了驗證所設計的工具頭結構能否在28 kHz超聲電源驅(qū)動下產(chǎn)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(yōu)化[7-8]。

3.1 工具頭的模態(tài)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(shù)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(shù)變量，利用ANSYS Workbench軟件的Design Xplorer模塊對工具頭進行多參數(shù)單一目標的有限元分析，獲得各尺寸參數(shù)對共振頻率的影響，如圖3 所示。

圖3 各尺寸參數(shù)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(nèi)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(jù)斜槽尺寸對縱扭復合振動共振頻率影響的規(guī)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(tài)分析，結果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)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(guī)律準確，還可總結出：1）增加斜槽行數(shù)，工具頭輸出的振幅和頻率均有所降低；2）增加斜槽的列數(shù)，對共振頻率和振幅的影響不大。

表1 幾種斜槽類型的扭轉(zhuǎn)振動工具頭模態(tài)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(chǎn)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(zhuǎn)換成縱-扭復合振動，但結構還需要進一步優(yōu)化。

3.2 工具頭的結構優(yōu)化

圖5 各個參數(shù)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(jù)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(yōu)化設計，得到27種變量組合，其中 l8、l9、l10、a、r單個參數(shù)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(xiàn)了各變量因子對復合共振頻率的影響敏感系數(shù)，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(jù)此建立主要影響因子r和a在設定范圍內(nèi)變化所得的共振頻率響應三維圖，如圖7所示。

圖6 各參數(shù)對共振頻率的影響敏感系數(shù)

圖7 l10和a參數(shù)的頻率響應

根據(jù)優(yōu)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(jù)改進后的工具頭結構重新建立有限元分析模型，進行模態(tài)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(yōu)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(tǒng)，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(tài)分析，對工具頭的結構進行了優(yōu)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(tǒng)的進一步研究和生產(chǎn)應用打下了基礎。