Page 109 - 《应用声学》2022年第1期

第 41 卷 第 1 期 黄安楠等： 超声辅助射流电解加工的仿真及实验 105

变幅杆前端具有最大位移，后盖板与法兰盘处位移 解液腔室的振动聚集在顶盖中心处；薄圆盘产生弯
最小。 曲振动且振幅沿径向方向递减；薄圆盘外沿、法兰
盘和锥形腔体振幅很小。
᛫᭧: ঴ͯረ/mm
T10 3
᛫᭧: ঴ͯረ/mm
4.5 T10 -10
4.0 50
3.5 45
3.0 40
2.5 35
30
2.0
25
1.5
20
1.0
15
0.5
10
5
图 2 压电超声换能器的振型
图 4 电解液腔室的振型切片图
Fig. 2 Vibration mode of piezoelectric ultrasonic
transducer Fig. 4 Section diagram of vibration mode of elec-
trolyte chamber
2.2 电解液腔室的设计及振动特性分析
电解液腔室由顶盖和锥形腔体组成，顶盖为薄 3 仿真分析
圆盘结构，如图 3 所示，其上表面中心通过螺钉与
3.1 声场仿真
超声换能器变幅杆前端面相连，圆盘外沿设有法兰
超声辅助射流电解加工的基本原理是利用超
盘与锥形腔体连接，沿薄圆盘边缘加工一圈隔振凹
声波在液体中以压力波的形式传播，因此电解液腔
槽，使薄圆盘和法兰盘之间形成柔性连接，尽可能
室和射流喷嘴内电解液的声压大小及声场分布情
减少薄圆盘的振动传递到腔体壁。为了使超声波的
况将直接影响加工效果。
加载效果达到最佳，薄圆盘的弯曲振型应具有中心
仿真计算时，将超声换能器和电解液腔室作为
振幅尽量大而边缘振幅尽量小的特点，对谐振频率
一个整体进行处理。其包含了静电、结构力学、压力
为 28 kHz 的薄圆盘前三阶弯曲振型的特点及仿真
声学 3 个物理场以及压电、声 -结构两个多物理场。
计算的尺寸 (半径、厚度) 进行对比分析后，确定薄
其中静电场的作用域为压电陶瓷堆，负责计算压电
圆盘采用相对较好的二阶弯曲振型。在上述结构
陶瓷堆内部的电学参数；结构力学场的作用域包含
下，纵向振动的超声换能器激发薄圆盘产生弯曲振
所有固体区域，负责解算整个固体区域中结构的应
动并于中心处具有最大振幅，而传递到法兰盘与锥
变；压力声学场的作用域为电解液腔室内部的整个
形腔体的振幅很小，从而达到最佳的能量传递效率。
液体区域，负责求解液体区域中的声压场变化；压
电多物理场的作用域为压电陶瓷堆，根据相应的压
电方程耦合其静电物理场中的电学参数与结构力
学物理场中的应变；声-结构相互作用多物理场的作
用域为电解液腔室固体区域与内部液体区域的交
图 3 电解液腔室顶盖结构示意图
界面。
Fig. 3 Structure diagram of the top cover of elec-
设置换能器工作频率为 28 kHz，驱动电压为
trolyte chamber
200 V，求解电解液腔室内部液体的压力变化。图 5
设置电解液腔室材料为7075硬铝，并在其内壁 为仿真计算的电解液腔室声压等值面分布云图，其
施加压力以等效电解液产生的内部压力，得到电解 中最大声压位于电解液腔室底部与射流喷嘴连接
6
液腔室在 28 kHz 谐振频率下的振型图。如图 4 所 处，其幅值约为 9.08 × 10 Pa，达到了超声空化的
示，电解液腔室未变形时的原几何形状以线框显示， 阈值；且高压部分集中在底部区域，中央区域不会
在该振型下的变形状态着色显示。在该振型下，电 产生对超声波向下传播有阻碍作用的空化气泡。此