超声振动钻削系统优化设计

分类：艺术设计论文发表 时间：2020-05-23 11:03 关注：(1)

　　为优化设计超声振动钻削系统，本文在理论设计的基础上，采用有限元分析方法，以输出端振幅、谐振频率为目标变量进行优化设计，并进行对比试验验证，基于有限元的优化设计能够：优化系统结构，提高系统抗干扰性;提高输出端振幅，降低系统能量损耗;提高钻削加工质量、减轻刀具磨损。

　　关键词：超声振动;钻削;有限元;优化设计

　　超声振动钻削因其良好的性能受到广泛关注。它是在普通钻削过程中给刀具或工件施加高频微幅超声振动，以提高材料的可加工性。为解决碳纤维增强复合材料、钛合金等难加工材料的加工问题，提高钻孔质量，减轻钻头磨损，本文研制了超声振动钻削系统，在理论设计的基础上，采用基于有限元的方法进行优化设计，为超声振动钻削系统参数化的优化设计建立基础。

　　1基于有限元的优化设计

　　1.1超声振动钻削系统理论设计

　　超声振动加工过程中，为获得大的输出端振幅，系统必须工作在谐振状态下，振动方向上的尺寸至少是半波长的整数倍。超声振动钻削系统由换能器、聚能器组成，换能器包括压电陶瓷片、后盖板、电极、绝缘套和紧定螺钉，聚能器即为变截面的前盖板，节面设置在压电陶瓷片和聚能器的分界面，用紧定螺钉将三部分压紧，保护压电陶瓷片，便于两端结构的自由设计。理论设计后，各部分的尺寸参数如表1所示。

　　1.2模态分析

　　超声振动钻削系统工作在共振模式下，而且需要减少能量损耗，需要进行模态分析，确定系统各阶共振频率和振型，以满足实际加工的需要。首先，需要建立有限元模型，为分析方便，需简化紧定螺钉、绝缘套和薄电极，建立超声振动钻削系统，并赋予相应的材料属性;各实体间接触影响能量传递，故采用黏结命令黏结接触面;由于压电陶瓷受轴向载荷而形变，故采用扫描方式划分网格较为符合实际;由于系统处于空气中，只需在压电陶瓷片上施加零电压载荷即可;加载求解得到系统的各阶频率和振型。模态分析得到超声振动系统第三阶振型为轴向振动，固有频率20380Hz，固有频率接近激励的输出频率，纵振振型符合系统轴向振动，理论设计基本达到要求。

　　1.3谐响应分析

　　为分析系统输出端振幅变化规律，提高系统的能量传递效率，需进行谐响应分析确定系统高频激励下的稳态响应。为提高分析效率，在前面模态分析的基础上，本文采用模态叠加法。输出端幅频响应曲线如下图所示。20380Hz时聚能器前端的振幅为34μm，节面振幅小于5μm。超声振动系统输出端振幅达到超声振动加工要求，而且连接节面处的能量损失很小，基本满足超声振动加工要求。

　　1.4优化设计

　　模态分析、谐响应分析的结果表明，理论设计的基本达到超声振动钻削加工要求，但需提高输出端振幅，减小圆锥体小端应力集中以及节面处的能量损失。为优化超声振动钻削系统结构，应用参数化设计语言进行参数化建模、分析及优化。由理论设计可知，系统纵向振动的谐振频率和变速比对聚能器小端圆柱体长度和圆锥体长度的变化敏感，因此，针对两个变量，将系统的共振频率、输出端振幅和节面振幅作为目标，进行优化设计。优化谐振频率，使共振频率更加接近激振频率，减少临近模态对工作模态的干扰，使系统效率最大化;优化输出端振幅，使端部振幅尽可能最大，以满足超声振动加工的需求;优化节面振幅，使节面振幅尽可能最小，减少连接处的能量损失。优化前后主要变化包括：圆柱体长度由55mm增加至58.6mm，圆锥体长度由20mm降低至18.8mm，聚能器大端直径由40mm增加至46mm。优化后，聚能器端平面幅频响应曲线如下图所示。谐振频率为20350Hz时，输出端振幅达到69μm，增加35μm，增幅明显;谐振频率下降30Hz，更接近激振频率20000Hz，动态响应特性更好;节面处振幅近乎为零，节面能量损失减少。综上，优化后的超声振动系统的性能提升明显。

　　2优化设计效果分析

　　为对比优化前后系统的加工性能，设计超声振动钻削系统对比实验。试验系统由加工和测力两部分构成，加工部分包括超声波发生器、数控机床和超声振动系统装置，主要进行切削加工;测力部分包括压力传感器、电荷放大器和数据采集仪，用于实时采集数据。

　　2.1减小切削力

　　超声振动系统优化后，切削力明显减小，减幅最大可达到20%。优化后，系统振幅增大，切削刃单位长度和时间里除去材料的体积更小，刀具高频冲击作用在工件表面产生的微裂纹增多，利于材料的去除，因而降低了切削力。

　　2.2提高加工质量

　　超声振动钻削系统优化后，钻孔孔口几乎没有毛刺和翻边，孔表面质量提高。优化后，系统谐振频率更接近设计频率，谐振响应更稳定，促进了断屑和毛刺自动脱落，切屑对已加工表面的磨损减轻，改善孔表面质量，因而加工质量更好。

　　2.3减轻刀具磨损

　　超声振动钻削系统优化设计后，钻头磨损程度较轻。优化后，输出端振幅增大，钻头的持续应力变形减轻、散热空间增大，而且振幅增大有利于断屑和切屑的排出，减轻了切屑对钻头的挤压和摩擦，因此，减轻了钻头磨损。

　　3结语

　　本文在理论设计的基础上，采用有限元方法对半波长超声振动钻削系统进行了优化设计，并设计对比试验研究优化效果，研究表明基于有限元的设计方法能够：优化系统结构，系统抗模态干扰性更强，工作状态更加稳定;提高输出端振幅，降低节面振幅，降低系统能量损耗;提高系统性能，减小切削力，提高加工质量，减轻刀具磨损。

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　　作者：杨杰 池力 陈云雷 单位：中国航空规划设计研究总院有限公司