Page 70 - 《应用声学》2021年第4期

554 2021 年 7 月

Keywords: Parallel grinding wheel; Composite amplitude transformer; Mindlin theory; Resonant frequency;
Resonance experiment
表面质量的工艺中，因此，将平行砂轮结合超声振动
0 引言
用于磨削领域。为了提高旋转超声磨削刀具系统在
旋转超声磨削加工技术具有切削力小、加工损 磨削工艺中的通用性，设计了一种可以应用于标准
伤少、加工效率高的优点，适用于工程陶瓷、光学 加工中心或通用机床上的旋转超声磨削刀具系统，
玻璃、金属基复合材料等硬脆性材料的加工 [1−2] 。 其中平行砂轮旋转超声磨削刀具系统由 BT40 标准
超声谐振刀具系统是超声磨削工艺系统的核心，它 刀柄设计的刀柄套筒、导电滑环、锁紧螺母、超声波
的性能直接影响着硬脆材料的加工质量和使用性 振子以及平行砂轮组成，其装配体如图1所示 [12] 。
能 [3−4] 。目前大负载旋转超声加工谐振系统的设计
缺乏系统的理论设计方法，谐振系统设计周期长、试
用性差 [5] 。
超声磨削工具系统主要有将超声振动作用于
工件或砂轮两种方式 [6−7] 。文献[8] 基于Mindlin理
论提出了齿轮变幅器的设计方法，完成了齿轮超声
珩磨，但超声谐振施加在齿轮工件上，工艺通用性不 图 1 刀具系统的装配体模型 [12]
足。赵波等 [9] 将超声振动施加在短粗圆柱砂轮上， Fig. 1 Assembly model of the tool system [12]
设计的超声辅助内圆磨削工具系统具有良好的声
该刀具系统的爆炸图如图 2 所示，由锁紧螺母、
学特性。平行砂轮超声磨削谐振系统的核心部件是
平行砂轮、内六角固定螺栓、复合变幅杆、换能器、
平行砂轮谐振变幅器，它由变幅杆和平行砂轮组成。
BT40 刀柄套筒、转子固定螺栓、导电滑环这 8 部分
付俊帆等 [10] 基于 Mindlin 中厚板理论提出了环盘
组成，其中锁紧螺母、平行砂轮、复合变幅杆、换能器
负载与圆锥变幅杆的纵弯谐振变幅器设计方法，但
组成了旋转超声磨削刀具系统的核心部件 ——平
尚未应用于旋转超声磨削工具系统的设计。圆柱与
行砂轮复合变幅器。超声波振子由换能器和复合变
圆锥形的复合变幅杆在大功率超声应用中，其圆锥
幅杆组成，超声波能量从超声波发生器输出电信号，
输出端往往具有较大的振幅、较小应力等优点，并且
流经导电滑环的导线将电信号传递至换能器，换能
该种变幅杆在加工和安装方面更具便利性 [11] 。复
器将电信号转变成机械振动，再利用复合变幅杆放
合变幅杆与平行砂轮组成的复合变幅器在旋转超
大的作用将机械振动放大，最终传递至平行砂轮使
声磨削中具有更广泛的工艺适应性。
其产生超声磨削所需的高频振动，为旋转超声磨削
本文以设计大负载平行砂轮复合变幅器为目
加工提供能量。
的，采用Mindlin 中厚板理论，通过复合变幅杆各段
间的力与位移的边界条件和连续条件，环盘的位移、
1 2 3 4
转角、弯矩和剪力的解析表达式，以及复合变幅杆
和环盘力与位移的耦合条件，建立平行砂轮复合变
幅器的数学模型与频率方程。利用有限元方法分析
复合变幅器的谐振频率及模态，并加工实物进行阻
5 6 7 8
抗试验和超声谐振试验，来验证理论设计方法的可 1-ᩚጋᛃඇ; 2-ࣱᛡᆋᣃ; 3-ЯОᝈڍࠀᛃಟ; 4-ܭՌԫࣨీ;
5-૱ᑟ٨; 6-BT40Ѩ౻ݓኔ; 7-ᣁߕڍࠀᛃಟ; 8-࠮ႃ໏ဗ
行性。
图 2 刀具系统的爆炸图模型
1 复合变幅器的设计理论分析模型 Fig. 2 Exploded view model of the tool system

1.1 平行砂轮旋转超声磨削刀具系统 20 kHz、28 kHz、35 kHz 的系列超声发生器、换
由于平行砂轮可用于内圆磨、外圆磨、平面磨、 能器等成熟产品已投放市场，为旋转超声磨削加工
无心磨和装在砂轮机上手动粗磨等多种提高零件 的砂轮谐振变幅器的研制提供了物质保障。论文基