超声拉拔振动系统研究

    在常规拉拔加工过程中常出现摩擦力、变形力大,拉丝模磨损快;产品易出现各种缺陷,表面质量不高;生产率低,耗能大,成本高等问题,而超声拉拔可有效降低拉拔力和摩擦阻力,改善工件的表面质量[1],在加工过程中表现出加工精度高,能源损耗小等特点,具有很大的应用价值和经济效益。超声振动系统是超声拉拔实验设备的核心部分,只有正确的设计了振动系统,才能高效的将高频电谐振变为有效的机械振动,并加载在加工模具上。本文首先利用传统解析法和四端网络法综合设计了超声振动系统,确定了超声振动系统谐振频率、形状和尺寸,然后利用三维有限元法对超声振动系统进行性能分析,得到系统的振型、谐振频率、振幅等振动系统参数,并对超声振动系统进行了实验测试。

    1 超声拉拔振动系统工作原理

    超声拉拔的原理是利用压电效应,将电能转换为机械能,然后通过变幅杆的放大和耦合作用,将超声振动传递到拉丝模上,叠加在拉拔过程中,从而实现超声振动对拉拔工艺的改善作用。

    图1为超声振动拉拔系统框图。机电转换装置是超声拉拔振动系统的核心部分,设计的好坏直接关系到整个振动系统的正常工作。

    2 超声振动系统设计

    超声振动系统设计的关键是使压电换能器、变幅杆、拉丝模三部分耦合起来,在加工中谐振于某一频率。本文作者用传统解析法、四端网络法和有限元相结合的方法设计和分析超声拉拔系统。

    2.1 传统解析法

    解析法是超声振动系统设计的最基本方法,该法从经典力学出发,建立整个振动系统动力学微分方程式,根据边界条件求其确定解,并依据经验来设计超声设备的主要部件。

    一维解析法是基于均质细杆一维振动近似理论,且不计损耗,从均质等截面细杆的振速方程及其通解入手,并利用边界条件确定出方程中的待定系数,可导出该复合杆的频率方程等各性能参量的解析表达[2]。图2为任意截面形状的均质细杆,长为L,杆横截面积为S(x),x截面上的纵向位移为N,则可得细杆纵向自由振动的运动方程为

    式(1)有简谐解为

y=Asink1x+Bcosk1x (2)

    因此,细杆的振动速度函数和力函数分别为

    式中 X为周期数;Y为杨氏模量。根据细杆两端的边界条件,即振动速度条件

    得到细杆的振动速度函数和力函数的解析式为

    超声振动系统可看成由多个部件(单一截面杆)组成的复合杆系统,可由力平衡条件和速度连续条件依次求得各杆件的振动速度函数、力函数的解析式和系统的频率方程等各性能参数的解析式,但对复杂的振动系统,求解过程较繁琐。