硬韧材料旋转超声复合电解加工设计与试验*

邹 翔 ，丁 翔 ，朱永伟

（扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225127）

硬、韧等难加工材料在现代工业中有广泛应用，如压电陶瓷和硬质合金等。压电陶瓷硬而脆，传统机械加工废品率高，很难满足加工效率与精度要求[1]；硬质合金具有很高的硬度，且韧性较高，传统切削方式难以进行加工。超声加工利用工具超声频振动激励工作液中微细悬浮颗粒撞击工件，是实现硬、韧材料高精、高效加工的有效方法。旋转超声机械加工可有效加工硬、韧材料，提高加工效率，促进废屑排除，减小切削力，提高工件表面质量[2-4]。超声复合电解加工是超声与电解作用有机结合的复合特种加工方法，可实现各种硬、韧等难加工零件的高效率、高精度加工[5]，超声振动促进加工产物和热量排出，改善电极间的流场情况，提高加工过程的稳定性，保证加工质量[6-7]。分析旋转超声复合电解加工机理，用ANSYS 的Workbench 压电分析[8]功能分析压电陶瓷堆，分析压电陶瓷堆数与超声系统振幅关系，进行超声系统优化设计，保证试验超声振幅满足要求；进行对比试验，研究旋转超声复合电解加工的技术特性。

1 系统构建及加工机理分析

旋转超声复合电解加工系统由旋转超声振动装置、电解装置及数控装置组成，如图1 所示。其中，旋转超声振动装置由变频器、交流电机、旋转机构、超声换能器、变幅杆和工具头（电极）组成。换能器采用夹心压电式，变幅杆采用指数形，工具电极可在高速旋转的同时进行超声频振动。

图1 旋转超声复合电解加工系统示意图

在旋转超声复合电解加工中，材料主要通过旋转超声振动下微细磨料颗粒塑性去除以及脉冲电解作用去除[9]，其加工原理如图2所示。

图2 旋转超声复合电解加工原理图

电极旋转和超声振动同时作用在加工区，显著增强加工间隙中的超声效应，有效消除电解钝化，加速电解液循环和加工产物排出，并对已加工面进行超声抛磨，在提高加工效率的同时提高材料定域蚀除能力，改善加工精度。

2 旋转超声振动装置设计

2.1 旋转超声主轴设计

超声装置通过联轴器与电机相连，电机接变频器，电机驱动超声装置同轴旋转。由变频器调节超声主轴的转速。主轴装有碳刷式引电装置，通过碳刷引线—碳刷—集流环—电机旋转的转子构成电流回路，在旋转过程中将超声发生器的超声频电信号传送给压电换能器，实现电极的超声振动。旋转超声主轴结构如图3所示。

图3 旋转超声主轴结构示意图

2.2 压电换能器设计

压电换能器采用一定预紧力的螺杆将前后端盖、压电陶瓷和电极片连接起来，螺杆周围设有绝缘管，杜绝螺杆在换能器通电中产生干扰，影响换能器正常工作，其结构示意图如图4所示。

图4 压电换能器结构示意图

压电换能器工作原理是利用压电陶瓷的压电效应，当外加电场频率与压电陶瓷固有频率一致时，压电陶瓷表面可达最大振幅。但压电陶瓷的应变系数较小，尽管在共振情况下，可以达到最大的纵向振幅，但单个压电陶瓷片所引起的振幅有限，故采用4片叠加得到所需振幅。多个压电陶瓷片组成的晶堆的长度变化量在电压不变时为线性变化[10]。

2.3 变幅杆设计

换能器前端盖表面输出振幅在共振情况下一般为几微米，达不到超声加工要求。而变幅杆能将机械振动质点位移量、速度量进行放大，并把能量集中在变幅杆的小端面上传递给工具头。根据试验要求所设计的变幅杆，如图5所示。

图5 指数形变幅杆的设计

3 超声振动系统振动特性分析

通过ANSYS 的Workbench 对系统动力学特性进行分析，由此来得出系统的固有振动特性和谐响应特性。固有振动特性指在无阻尼自由振动条件下的系统固有频率和振型情况。谐响应分析用于确定线性结构在受随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时的稳态响应。

3.1 压电陶瓷堆的模态分析

压电陶瓷堆选用的材料为发射型压电陶瓷PZT-4，极化方向为沿厚度方向，在ANSYS Workbench 中为沿Y轴方向极化，在工程数据源中建立PZT-4 材料相关属性，采取电端并联、机械串联的连接方式，以下对双陶瓷片进行分析，忽略电极片影响。对压电陶瓷堆进行网格划分，采用四面体网格划分方法，最后生成节点数6 385和单元数3 627的有限元模型。

压电陶瓷暴露在空气当中，没有边界约束，唯一约束为电路状态，在考虑压电效应的情况下，需在压电陶瓷正负极表面施加0 V 电压，使其在短路恒压状态下来求解此状态下的耦合模态。

模态分析设置当中，设置最大模态阶数为20，频率搜索范围为10 kHz～50 kHz，其前5 阶模态固有频率分别为18 327 Hz、26 085 Hz、33 094 Hz、42 813 Hz 和48 724 Hz。对于换能器而言，需要压电陶瓷片的工作模式为上下振动，引起纵向振动。观察前五阶模态振型图可知，第四阶模态振型为纵振且最大纵向振幅在陶瓷表面中部，如图6所示。

图6 压电陶瓷堆四阶模态振型图

3.2 压电陶瓷堆的谐响应分析

根据所得固有频率，建立谐响应分析模块，网格划分与模态分析一致，在谐响应分析中设置求解频率范围为10 kHz～50 kHz，求解方案间隔为50，解法采用完全法，设置恒定结构阻尼比为0.3%。在压电陶瓷正负极施加电压耦合，正极电压为200 V，负极电压为0 V，进行谐响应分析。后处理中，选择压电陶瓷片表面中心节点，设置方向Y轴，得到表面中心节点的Y轴向幅频特性曲线，如图7 所示。由图7 和后处理结果可知，谐振频率为42.80 kHz 时，压电陶瓷片表面中心处振幅最大，为10.33 μm。在分析树中选择求解结果的定向变形选项，定向变形方向为Y轴，选择整个陶瓷堆，打开振幅，可观察到整个陶瓷堆Y轴方向的振幅情况，如图8 所示。分析结果表现出压电陶瓷材料特性，并且其与模态分析的结果吻合，陶瓷片表面中心处振幅最大。

4 超声振动装置优化设计

4.1 变幅杆优化设计

本文设计的超声振动装置的压电陶瓷数量为4，当超声振动装置接工具后，固有频率有所降低，从19.41 kHz 变为18.99 kHz。当加载电压为200 V，振幅也从25.85 μm 降为20.35 μm，影响加工效率。通过ANSYS 对变幅杆进行优化设计，达到所需的加工要求。将最大纵向振幅MAX_UY的倒数作为目标函数，目标函数最小化视为最优。固有频率f和最大应力MAX_EQV作为状态变量，f的取值范围为18 kHz～21 kHz，最大应力不超过480 MPa。

设计变量是将变幅杆各截面半径L1，L2，L4，L7，L9，L11，L14在理论设计点±0.02 m 变动；L15为谐振长度的1/12，在理论设计点±0.01 m 变动，优化设计图如图9所示。

选择一阶循环控制方式，优化后得到合理序列参数，L1增加0.002 mm，L15减少0.002 mm，振幅从原来的20.35 μm 增大到了23.42 μm，且系统固有频率也从18.99 kHz 增大到19.10 kHz。优化后的超声振动装置幅频特性曲线如图10所示。

4.2 超声振动装置输出振幅测量

对优化后的超声振动装置输出振幅进行测量，如图11（a）所示。测量步骤：将激光位移传感器合理布置在变幅杆小端面下方，然后打开超声波发生器，将超声振动装置共振频率调整为19.10 kHz。经采样处理后得到振动位移随时间变化数据曲线，如图11（b）所示，最大振幅约为23 μm，因存在能量损耗，略低于ANSYS 分析结果。

图11 旋转超声振动装置输出振幅测量

5 旋转超声复合电解加工试验

5.1 试验装置和参数

试验采用的加工工具为金刚石固结磨粒工具头（粒度100 号）。最高主轴转速可达20 000 r/min，超声振幅最高为23 μm，电解电源2 V～6 V 可调，通过示波器实时监测电压信号。

5.2 陶瓷（PZT）加工对比试验

对压电陶瓷（锆钛酸铅PZT）进行机械钻削和旋转超声加工对比试验，超声振幅分别为8 μm和16 μm，旋转转速设置为5 000 r/min，时间为1 min，加工效果如图12所示，加工深度对比如图13所示。

图12 陶瓷材料两种加工方式试验效果图

图13 不同超声振幅下加工深度曲线

由图12 可知，机械磨削后的加工产物成形精度低于超声加工。由图13 可知，机械加工深度远小于超声加工深度。超声加工工件表面磨痕较小，因超声振动加入，对工件表面产生强烈超声抛磨作用，减少工具端面磨粒因摩擦造成的加工划痕，超声振动带动磨粒高频撞击工件表面，提高加工效率。

5.3 硬质合金加工对比试验

对硬质合金（YT15）进行不同电解电压的试验对比，超声振幅为16 μm，旋转转速设置为5 000 r/min，脉冲频率为5 000 Hz，占空比为5∶5，电解液为质量分数5%的NaNO3水溶液，加工时间为3 min，加工效果如图14所示。

图14 硬质合金三种加工方式试验效果图

由图14 可知，随着电压的升高，加工效率明显提升，6 V电压下深度明显深于2 V、4 V。但电压过高，杂散腐蚀现象也越严重，6 V 电压的加工表面略有发黑，在进行加工时不宜选择过高电压。

6 结论

1）设计、构建旋转超声复合电解加工系统，试验验证了系统工作的稳定可靠性。

2）应用ANSYS 的Workbench 功能对压电陶瓷堆进行动力学特性分析，对超声振动装置进行优化设计，可有效调节输出超声振幅。实测系统超声振幅最大可达23 μm，满足试验要求。

3）进行陶瓷（PZT）和硬质合金（YT15）多种加工方式试验对比，试验表明，旋转超声复合电解可加工出精细表面结构，加工效率可提高50%以上。