超声振动挤压加工系统的优化设计

时间：2010-12-20

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超声振动挤压加工是对塑性金属材料表面进行光整加工的一种新技术，将其应用于工件外圆表面光整加工，可有效降低表面粗糙度，提高表面耐疲劳强度和零件的加工精度［1，2］。实践表明，超声振动挤压加工系统的性能对加工效果有着直接影响。本文在理论分析的基础上，提出用于车床的振动挤压加工系统的结构和优化设计方法。
1．加工过程的理论分析
　　超声振动挤压加工(以下简称振动挤压)过程的力学模型如图1所示。挤压加工时，工具头在预压弹簧的作用下与工件表面相接触。在超声波发生器的驱动下，工具头产生纵向超声振动，对旋转工件的表面进行光整加工。在工具头静压力和高频冲击力的作用下，工件表面的微观峰谷被压平，同时表层金属产生塑性变形强化，形成压应力，提高了零件表面的耐疲劳强度。
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图1　振动挤压加工过程力学模型
　　基于上述工作原理，振动挤压系统常用结构如图2所示。由磁致伸缩换能器和阶梯型变幅杆组成的振子支承安装于冷却水套内，预压弹簧作用于冷却水套的突缘上，使振子与冷却水套组成的振动质量可以在支承座的导向孔内随工件表面的变化而浮动。工具头通过螺纹和锥面与变幅杆连接，因而振动挤压系统可以简化为单自由度纵向振动系统。考虑到工件的刚性对加工表面质量的影响，可以把工件简化为敏感方向(工件表面在加工点的法线方向)的单自由度纵向振动系统。在加工过程中，振动挤压系统会受到机床本身回转误差产生的周期振动ym(t）、工件安装偏心产生的振动ye(t）和工件自身在干扰力作用下产生的振动yw(t）的影响。此外，当超声振动在工件表面留下的相邻轨迹的相位不同时，由于重叠效应的影响，振动挤压系统会受到频率相同的正弦振动和脉冲振动两个信号的作用。因此振动挤压系统所受的干扰力可表示为
p(t)=Pmcos(ωmt－φm)＋Pecos(ωet－φ）＋Pwcos(ωwt－φw)＋Pucosωt＋Pp(t) （1）