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附件化超声振动工作台设计及有限元优化分析

王岩 林彬 东野广恒 董颖怀 赵静楠 张晓峰

王岩, 林彬, 东野广恒, 等 . 附件化超声振动工作台设计及有限元优化分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(8): 1589-1596. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0698
引用本文: 王岩, 林彬, 东野广恒, 等 . 附件化超声振动工作台设计及有限元优化分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(8): 1589-1596. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0698
WANG Yan, LIN Bin, DONGYE Guangheng, et al. Design and finite element optimization analyses of accessory ultrasonic vibration working table[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(8): 1589-1596. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0698(in Chinese)
Citation: WANG Yan, LIN Bin, DONGYE Guangheng, et al. Design and finite element optimization analyses of accessory ultrasonic vibration working table[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(8): 1589-1596. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0698(in Chinese)

附件化超声振动工作台设计及有限元优化分析

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0698
基金项目: 

国家自然科学基金 51505334

天津市自然科学基金 18JCQNJC05200

天津市高等学校科技发展基金 2018KJ116

详细信息
    作者简介:

    王岩  男, 博士, 讲师。主要研究方向:超声振动辅助加工

    林彬  男, 硕士, 研究员, 博士生导师。主要研究方向:硬脆材料超声波加工、精密/超精密加工

    通讯作者:

    林彬, E-mail: tdlinbin@126.com

  • 中图分类号: TG66

Design and finite element optimization analyses of accessory ultrasonic vibration working table

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51505334

Natural Science Foundation of Tianjin 18JCQNJC05200

University Technology Development Fund of Tianjin 2018KJ116

More Information
  • 摘要:

    超声振动辅助加工为合金材料、硬脆材料和复合材料等难加工材料提供了有效的机械制造解决方案,超声振动辅助加工装置结构复杂、专业化程度高、使用可靠性差等因素制约了超声加工技术的推广及民用化历程。为了推广超声振动辅助加工的应用范围,基于超声能量传播原理,设计了一种机床附件化的超声振动工作台,能够方便地安装于加工中心上为工件提供超声振动辅助加工。首先,选用2种材料对工作台进行整体结构设计,通过模态分析确定工作台的工作频率及振动形式,使用谐响应分析揭示工作台工作时的稳定情况。其次,采用多目标优化方法对工作台进行结构优化,在保证总模态变形量不变的情况下降低振动台的质量,以减小超声能量损耗的同时提高振动状态的可靠性。最后,对比优化前后的有限元分析结果确定工作台材料并进行尺寸调整,使其更加符合实际加工需要。分析结果表明,45#钢工作台在工作时的振动稳定性要好于Cr12Mov钢工作台,但Cr12Mov钢工作台具有较大振幅。通过多目标优化使得振动台的总体质量降低27%,其工作频率同时降低11%,优化后2种工作台的共振频率带宽相差较小。

     

  • 图 1  工作台与振动子的连接示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of connection between working table and vibrator

    图 2  振动工作台结构

    Figure 2.  Vibration working table structure

    图 3  45#钢工作台部分模态振型

    Figure 3.  Partial modal vibration shape of 45# steel working table

    图 4  Cr12Mov钢工作台部分模态振型

    Figure 4.  Partial modal vibration shape of Cr12Mov steel working table

    图 5  两种工作台谐响应分析

    Figure 5.  Harmonic response analysis of two types of working tables

    图 6  优化后Cr12Mov钢工作台部分模态振型

    Figure 6.  Partial modal vibration shape of Cr12Mov steel working table after optimization

    图 7  优化后两种工作台谐响应分析

    Figure 7.  Harmonic response analysis of two types of working tables after optimization

    图 8  优化后Cr12Mov钢工作台带工件部分模态振型

    Figure 8.  Partial modal vibration shape of Cr12Mov steel working table with workpiece after optimization

    图 9  试制的超声振动工作台

    Figure 9.  Prototype ultrasonic vibration working table

    表  1  材料性能参数

    Table  1.   Material performance parameters

    材料 弹性模量/(N·m-2) 泊松比 材料密度/(kg·m-3)
    45#钢 2.09×1011 0.269 7 890
    Cr12Mov钢 2.18×1011 0.28 7 850
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    表  2  45#钢工作台前8阶模态频率

    Table  2.   The first eighth-order modal frequency of 45# steel working table

    阶数和模态 频率/Hz
    1 17 381
    2 18 423
    3 19 196
    4 19 668
    5 20 694
    6 21 199
    7 21 693
    8 21 782
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    表  3  Cr12Mov钢工作台前8阶模态频率

    Table  3.   The first eighth-order modal frequency of Cr12Mov steel working table

    阶数和模态 频率/Hz
    1 17 787
    2 18 845
    3 19 640
    4 20 126
    5 21 165
    6 21 690
    7 22 182
    8 22 268
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    表  4  优化候选点

    Table  4.   Optimization candidate points

    参数 候选点1 候选点2 候选点3
    P1-DS-D1/mm 162.9 170.1 164.7
    P2-DS-D1/mm 221.73 227.85 246.23
    P3-DS-Exturde1.FD1/mm 36.2 39.756 38.867
    P4-Solid Mass/kg ★★★8.742 4 ★10.472 ★10.724
    P5-总变形量最大值/mm 0 0 0
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    表  5  优化后Cr12Mov钢工作台前8阶模态频率

    Table  5.   The first eighth-order modal frequency of Cr12Mov steel working table after optimization

    阶数和模态 频率/Hz
    1 17 077
    2 17 138
    3 17 159
    4 18 049
    5 18 063
    6 19 796
    7 21 193
    8 22 468
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-27
  • 录用日期:  2018-12-21
  • 刊出日期:  2019-08-20

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