Page 31 - 《应用声学》2020年第3期

第 39 卷 第 3 期 牛金荣等： 超声辅助磨削杯形砂轮变幅器设计与试验 351

完全处在节点位置，不发生振动。变幅器在添加了 转速为 3000 r/min，工作寿命为 2 亿转。工作时，超
法兰及圆锥杆大端的连接螺栓后，模态分析所得的 声波发生器产生的高频电能通过导线流入滑环转
谐振频率有所降低，由19.942 kHz 变为19.357 kHz， 子，继而从滑环定子通过导线流入压电换能器，产生
与设计频率 20 kHz相差 643 Hz，误差为 3.2%，在所 超声振动。
允许的误差范围内。在模态分析得到的全部模态结
4.1 阻抗特性试验
果中，所需频率 19.357 kHz 的上下相邻两阶频率分
为分析该超声振动系统的阻抗特性，使用
别为18.797 kHz 和20.333 kHz，分别相差 560 Hz和
PV70A型阻抗分析仪进行了阻抗分析试验，测试装
976 Hz，不会对该频率造成干扰。
置如图9所示，测得结果如图10所示。

4 试验分析
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依据上述尺寸设计结果加工了变幅杆，并购 रࢺЦጇፒ
置了 20 kHz 换能器及金刚石杯形砂轮。将三者与
BT40 刀柄一体化外套筒和导电滑环装配在一起
(在换能器、变幅杆、杯形砂轮的连接面处涂一层凡
士林，减少能量损失)，组成如图 8 所示的杯形砂轮
超声辅助磨削主轴附件式工具系统。该超声振动系
统的电能传输由导电滑环完成，所使用的滑环最高
图 9 阻抗分析试验
Fig. 9 Impedance analysis test
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૱ᑟ٨ 阻抗分析结果表明，该超声振动系统的导纳
曲线 (粉色线) 为一个完整的单圆，对数坐标图中红
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色线只有一对极小值和极大值，蓝色线呈现明显的
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“几”字形，说明该超声振动系统内部结构合理，压电
౔ॎᆋᣃ 陶瓷换能器和杯形砂轮变幅器阻抗匹配效果较好。

在图10的参数栏中，该超声振动系统的谐振频率F s
图 8 杯形砂轮超声辅助磨削主轴附件式工具系统 为 20.2344 kHz，与换能器实测频率 19.9096 kHz 相
Fig. 8 Spindle accessory UAG device with cup 比(利用阻抗分析仪对试验所使用的20 kHz 换能器
wheel 进行测试，实际测得的谐振频率F s 为19.9096 kHz)，

图 10 杯形砂轮超声辅助磨削系统阻抗测试结果
Fig. 10 Result of impedance analysis test