Page 32 - 《应用声学》2020年第3期

352 2020 年 5 月

两者相差 324.8 Hz，误差为 1.63%。这说明该超声 5 结论
振动系统的工作频率与换能器本身的工作频率相
差很小，当该超声振动系统处于谐振点时，换能器 (1) 推导了杯形砂轮变幅器的频率方程，建立
将处在一个较为理想的工作状态。此外，该超声 了杯形砂轮变幅器设计理论，开发了杯形砂轮变幅
振动系统反谐振频率 F p 为 20.5021 kHz，频率带宽 器设计软件。利用该软件设计了 20 kHz 杯形砂轮
∆f(F p − F s )为267.7 Hz，动态电阻R 1 为47.3 Ω，机 变幅器，并对其进行了模态分析，理论与仿真两者间
械品质因素 Q m 为522.652，说明该超声振动系统振 的误差为5.56%。造成该误差的主要原因是，圆管部
动效率较高。 分的一维纵振理论模型无法完全准确地描述圆管
实际的纵径耦合振动模态，因而导致设计结果存在
4.2 超声谐振试验
一定误差。但该误差小于 10%，仍满足工程应用的
为研究该超声振动系统的谐振特性，进行了超
要求。
声谐振实验，如图 11所示。将超声波发生器与滑环
(2) 在理论设计的基础上，利用有限元软件对
转子间的导线相连接，启动电源，按下声波运行按
所设计的变幅器进行了分析及修正，确定了杯形砂
钮，通过调频螺母调节超声波发生器输出的电信号
轮变幅器的最终尺寸。根据该尺寸加工了杯形砂轮
频率，使超声振动系统处于谐振状态并保持稳定，
变幅器实物，将其与刀柄一体化外套筒、导电滑环
此时，超声波发生器显示频率为 20.151 kHz (通过
一起组装成了杯形砂轮超声辅助磨削主轴附件式
调节调频螺母，该频率的值可在小范围内变化)。在
工具系统。
砂轮表面均匀撒上碳化硅颗粒 (砂轮以下部件用白
(3) 对所研制的杯形砂轮超声辅助磨削主轴附
色塑料纸包裹，以免碳化硅颗粒落入其中)，开启
件式工具系统进行了阻抗分析试验和超声谐振试
超声波发生器后，碳化硅颗粒在砂轮振动的作用
验。结果表明：该超声振动系统内部结构合理，压电
下迅速聚集为两个圆环，如图 12 所示，表明砂轮底
陶瓷换能器和杯形砂轮变幅器阻抗匹配效果较好，
部呈现出节圆型弯曲振动，与理论设计中的弯曲
能够实现稳定的超声振动，为进行超声磨削实验奠
振动假设和仿真模态结果相符。超声谐振试验证
定了基础，为主轴附件式超声磨削装置的设计提供
明所研制的杯形砂轮超声辅助磨削主轴附件式工
了理论参考。
具系统谐振效果较好，为进行超声加工实验奠定
(4) 所研制的杯形砂轮超声辅助磨削主轴附件
了基础。
式工具系统在经过后续的动平衡调整合格后，即可
ᡔܦฉ 对杯形砂轮的振幅进行测量，并进行超声磨削加工
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实验，对该超声磨削装置的性能 (振幅、频率、发热、
౔ॎᆋᣃᡔ 切削力、刀具寿命等) 及工件加工质量 (粗糙度、加
ܦᣙҰᇜҐ 工纹理、表面损伤等)进行研究。
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参 考 文 献
图 11 超声谐振试验
[1] Wang J, Zhang J, Feng P, et al. Damage formation and
Fig. 11 Ultrasonic resonance test
suppression in rotary ultrasonic machining of hard and
brittle materials: a critical review[J]. Ceramics Interna-
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[2] Wang Y, Lin B, Wang S, et al. Study on the system
matching of ultrasonic vibration assisted grinding for hard
and brittle materials processing[J]. International Journal
of Machine Tools and Manufacture, 2014, 77: 66–73.
[3] 姜峰, 李剑峰, 孙杰, 等. 硬脆材料塑性加工技术的研究现
(a) ҫᡔܦҒ (b) ҫᡔܦՑ 状 [J]. 工具技术, 2007, 41(7): 3–8.
Jiang Feng, Li Jianfeng, Sun Jie, et al. Research actuali-
图 12 超声谐振试验结果 ties of ductile machining for hard and brittle materials[J].
Fig. 12 Result of ultrasonic resonance test Tool Engineering, 2007, 41(7): 3–8.