YANGHUIMIN

    超声振动系统是超声电解复合加工装备的关键组成部分，本文结合超声振动理论，采用ANSYS 对变幅杆进行模态分析和谐响应分析，获得共振频率、位移节点和放大系数等重要参数；对超声振动系统中的变幅杆和工具头进行了分析，经试验验证了变幅杆的振幅放大系数及不同变幅杆对加工速度的影响；最后，通过超声复合加工试验，验证了超声电解复合加工的加工效率高、精度高、表面质量更好。
超声电解复合加工机理
    超声电解复合加工是加工难加工材料的新工艺，是将超声频振动、脉冲电流电解加工等技术有机复合在一起的加工方法[1]。
    超声电解复合加工机理见图1。加工过程中，采用低电压（2~6V）、低浓度钝化电解液（如质量分数为5%的NaNO3 水溶液），由于微电流电解作用，在工件表面产生厚度极薄、强度远低于基体材料的电解钝化膜，可阻止低电流密度电解

作用。引入超声频振动、脉冲电流，磨粒的冲击刮擦、高频振动冲击波及“负压空化”作用能有效消除钝化膜，及时排除间隙区电解产物，改善及加强电解作用，使加工过程能够连续进行。
　　在微细阴极与工件间由于微细磨粒的存在，存在最小间隙Δ min，约为磨粒最大直径，使阴极与工件避免直接接触，发生电解短路。当阴极与工件间的间隙小于Δ min 时，斩波开关K 闭合，进行电解加工；反之，斩波开关断开，电解作用停止。超声电解复合作用间歇进行，超声效应辅助及时去除电解产物、更新电解液，有利于改善及稳定电解加工间隙状态，提高电解去除定域性，可避免通常大电流密度电解产生的杂散腐蚀作用[2-3]，有效提高加工精度及表面质量，可实现金属导电材料微结构高精度、高效率微细加工。本文采用的是超声电解复合加工的方法，对超声振动系统进行动力学分析后进行微齿轮的加工试验。
超声电解复合加工系统
　　超声电解复合加工装置如图2所示，包括电解装置、超声频振动装置、工作台z 向自动进给及测量装置、电解电流测量分析装置及PC 机控制环节等。电解装置由阴极工具头、微器件及工作液组成。阴极与微器件置于电解液槽中，电解液槽

充满静态低浓度钝化电解液，电解电源一端与工具阴极相连，一端与微器件相连。微器件固定在工作台上。工作台可以实现x、y 轴向上的微位移移动，借助测量显微镜可进行阴极与工件的精确位置定位。工具阴极与微器件之间微压力可通过磁悬浮蠕动进给装置实现精确微细调节。工具阴极与微器件之间的间隙随高频振动作周期性变化，微器件加工深度由深度测微仪给出[4]。
　　电解电流测量分析装置由1 个2 Ω 精密电阻、1 台数字存储示波器和1 台PC 微机组成。数字存储示波器的电压信号通过串行口传送到PC 微机中测量、显示、存储，以便进一步优化分析和参数优选控制。
该系统对脉冲电解电源的斩波信号是从超声频信号中取出，通过调制斩波电路对电解电源进行斩波，实现在小间隙时加工，在极小间隙和大间隙时电源关闭（停止加工），从而实现电解电源与超声频振动的同步。
　　电解电源与超声发生器电源之间串入的调制电路将超声发生器产生的超声频交变电信号转换为电解直流（或脉冲）电源的斩波信号，然后传递给电源斩波电路，对电解电源脉冲电压进行适时切断，使电解电压成为与阴极超声频振动保持相位同步的脉冲电压，从而可使电解电源成为与超声波振动同步协调的脉冲电源，相当于超声频振动、脉冲电解复合同步加工，因此可进一步改善电解加工微观过程，提高加工精度[5]。
变幅杆及其动力学分析
　　超声振动系统中的变幅杆主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积上。超声变幅杆的种类很多，常用的有指数形、悬链线形、阶梯形和圆锥形变幅杆。
　　变幅杆设计与研究方法有理论推导、试验研究和数值分析 [6-7]。本文以指数形、圆锥形变幅杆为例，使用有限元软件ANSYS 对其进行相应的分析。与传统的物理学分析相比，有限元分析能够对高精度非线性问题求解，并且具有强大的网格处理能力对体单元精确的处理能力和网格划分自适应技术也是其优势所在。
1 指数形与圆锥形变幅杆对比分析
　　超声变幅杆的性能可以用许多参量来描述。实际应用中常用共振频率（共振长度）、放大系数、形状因素、输入力阻抗和弯曲劲度等[8] 。
　　设计参数为：变幅杆选用的材料为45 号钢，声速c=5160m/s，变幅杆工作频率f=20kHz，变幅杆的大端直径D 1=52mm, 小端直径为D 2=16mm。根据常用变幅杆材料特性可知，材料密度ρ =7800kg/m3，弹性模量E=20800kg/mm2，泊松比为0.28。
   （1）指数形变幅杆动力学分析。
　　利用ANSYS 分析软件对指数形变幅杆进行建模并计算，力图直观准确地分析变幅杆的振动，对指数形变幅杆进行模态分析及谐响应分析，以验证理论设计的工作频率及所受的应力应变情况，并计算出放大系数与理论值进行比较。
　　在本文中，采用Solid95 单元作为基本的单元类型，能够用于不规则形状，而且不会在精度上有任何损失。该单元由20 个节点定义，每个节点3 个自由度：x，y，z 方向。
　

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