超声调制电加工振动系统优化设计及试验.pdfVIP

超声加工 349 超声调制电]Jn T振动系统的优化设计及试验 邵健，陈洪振，缪新磊，朱永伟 (扬州大学机械工程学院，江苏扬州225127) 摘要：进行超声调制电加工振动系统组件(变幅杆及工具电极)的动力学分析，经ANSYS数值分析与理论 计算结果的比较，表明采用有限元分析方法可获得较高精度；用ANSYS参数优化方法设计超声振动系统组件， 取得显著改进效果；通过振动系统的参数测试，设计的振动系统工作稳定，验证设计的合理性；通过微结构超声 复合电加工试验，证明此技术对难加工材料、异型面零件hn．x-的技术优势。 关键词：超声振动系统；变幅杆；ANSYS分析；优化设计；超声调制电加工 超声及超声复合电加工振动系统由超声换能器、变幅杆及工具电极三部分组成。要使超声振动系统能 有效、可靠地工作，振动系统须具有良好动态特性，优化设计须对振动系统的动力学性能进行分析、研究。 振动系统动力学性能主要包括固有振动特性和谐响应特性两个方面。固有振动特性是指在无阻尼自由振动 条件下，变幅杆及工具的固有特征，即固有频率和振动的应力；而谐响应是用于分析确定变幅杆在承受随 时间按正弦规律变化的轴向载荷时的稳态响应，目的是计算变幅杆及工具的端面振幅、位移节点和最大等 效应力，从而计算出放大系数和形状等性能参数。对于谐响应分析，峰值响应发生在激振频率和变幅杆的 固有频率相近时。只有当变幅杆的固有频率和其工作频率相近时，变幅杆端面才能有最大的振幅位移，因 此，在谐响应分析之前，应该首先进行模态分析，以确定变幅杆的固有频率。系统设计时，原则上要求振 动系统的各个组成部分谐振处于同一频【l圳。 本文对超声调制电加工振动系统变幅杆及工具电极进行动力学分析，优化结构设计，构建完善超声振 动系统，并进行超声复合电加工试验研究，为难加工材料、异型面零件加工研究一种有效方法。 1 变幅杆的动力学分析 变幅杆常用的研究方法有理论推导、实验研究和数值分析。由于指数型变幅杆具有工作点稳定等优点， 本文以指数形变幅杆为研究对象，用有限元软件ANSYS对变幅杆进行模态分析，得出各阶固有频率、相应 的振型，由此确定纵振时变幅杆实际共振频率；由谐响应分析得出位移节点、放大系数等【5蚓。 1．1指数形变幅杆动力学分析 变幅杆材料设计为C45钢，采用三维模型，自下向上方法生成实体，即先定义关键点，然后由点依次 生成线、面和体。采用Solid 95作为基本单元类型，可用于不规则形状，适用于模拟弯曲边界，而且精度 上无任何损失。该单元由20个节点定义，每个节点3个自由度：瓜y、Z方向，对变幅杆建模并进行网 格划分(图1)。设置模态提取方法为BlockLanczos，待提取的模态个数为7。范围为10～30kHz之间， kHz，从固有频率中取与工作频率20 kHz最接近的频率，研究此固有振动频率点的响应特性，发现变幅杆 在19．685 kHz时发生纵振，此时其各点的位移矢量均沿轴向方向，由此可得指数形变幅杆的实际纵振频率 为19．685 kHz。加载时，在变幅杆大端眩面内所有的节点上施加x方向为0．005mlil的位移，设定强制频 kHz。 率范围为14～28 指数形变幅杆在固有频率为19．685 kHz时，变幅杆大端输入振幅为5×10击m，小端输出振幅为 从图中可看到位移节点位于离大端56．1 mm附近。图4是变幅杆轴向各截面位置与其对应应力值的关系曲 350 第15届全国特种加工学术会议论文集(下) mlTl附近。 线，从图中可看到最大工作应力位于离大端87 ”。；：：戮：{ 鼍黑产烹=糍戮攀氅篙坶鬻笋素=：==———黑紫■!_…， 图1 变