复合振动磨削用椭圆超声换能器的结构设计及ANSYS有限元分析

　　超声振动辅助磨削技术已经成为加工硬脆性材料的可靠方法，它可以明显提高加工表面质量，显著降低表面粗糙度和磨削温度，并减少裂纹生成，同时降低加工成本。这一方法为半导体材料、陶瓷、玻璃和蓝宝石衬底等硬脆性材料的广泛应用提供了技术途径[1-3]。

　　相关研究表明，垂直于工件平面的椭圆超声振动辅助磨削方法兼具一维轴向振动磨削和一维径向振动磨削的优点[4]，它是实现高效率、高质量加工硬脆性材料的有效手段[5]。本文设计的椭圆形超声振动换能器(EUVT)是实现该加工方法的关键部件。

　　利用ANSYS有限元软件，根据换能器的一阶纵向振动模态(L1)频率与二阶弯曲振动模态(B2)频率相等的 条件，优化设 计换能器的结构尺寸。ANSYS谐响应分析结果表明，在施加100V交流电压的作用下，换能器质点可以产生长轴3.9μm、短轴1.8μm的椭圆运动轨迹。

　　1　椭圆超声振动磨削系统工作原理

　　1.1　椭圆超声振动磨削系统组成

　　超声振动换能器的工作原理如图1所示。换能器由z轴极化的压电陶瓷片和金属弹性体黏合而成。波函数发生器输出两相相位差为ψ的交流电压信号，分别经功率放大器放大后加载于压电陶瓷片的A、B2个电极上，另外2个电极接地以构成回路。压电陶瓷片受激振动并同时激发金属弹性体的L1和B2振动模态，两相振动合成为质点的椭圆运动。

　　1.2　超声换能器质点椭圆运动轨迹的形成原理

　　行波在介质中的传播过程就是同时激发L1和B2模态的过程，当同时施加于压电陶瓷片上的两相激励信号的相位差ψ=π/2时，即可产生行波。换能器质点的行波方程为：

　　弹性体在行波的激励下产生变形，设某一时刻某一截面旋转的角度为α(如图2所示)，板的中性层到表面的距离为h，则质点在xz平面的振动方程为：

　　由于超声振动时α角非常小，故sinα≈α，cosα≈1;因为梁为微小变形，弯曲角α可表示为=W0cos(x-ωnt)，则：

　　换能器任意质点在xz平面上的轨迹为：

　　这就形成了换能器质点的椭圆运动轨迹。

　　2　椭圆形超声振动换能器的结构优化设计

　　2.1　ANSYS建模

　　椭圆形超声振动换能器的结构如图3所示，金属弹性体的上、下2个凸起部分是换能器的支承结构，前面黏贴压电陶瓷片。换能器建模的具体实现过程如下。

　　1)在预处理器中定义单元类型，定义金属弹性体、压电陶瓷片的弹性模量、密度、泊松比等材料参数。本研究中金属弹性体材料选为不锈钢SUS304，压电陶瓷选为PZT-5A，材料参数见表1。