韩光超，潘高峰，刘初见，陈长新，杨航润

（1.广西制造系统与先进制造技术重点实验室（广西大学），广西 南宁530004；2.中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，湖北 武汉430074；3.地质过程与矿产资源国家重点实验室（中国地质大学），湖北 武汉430074）

面向岩石取样过程的超声纵扭变幅杆设计

韩光超1，2，潘高峰2，刘初见3，陈长新2，杨航润2

（1.广西制造系统与先进制造技术重点实验室（广西大学），广西 南宁530004；2.中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，湖北 武汉430074；3.地质过程与矿产资源国家重点实验室（中国地质大学），湖北 武汉430074）

针对超声岩石取样加工过程需要不同比例纵扭振动输出需求，设计一种具有斜槽结构的纵扭复合阶梯型超声变幅杆。根据超声变幅杆的纵扭复合振动机理，利用有限元法分析确定可产生扭转振动的带斜槽阶梯型变幅杆基本结构，研究斜槽结构参数变化对超声变幅杆输出纵振振幅与扭转振幅比值的影响规律。研究结果表明，在阶梯型变幅杆上合理设定斜槽的位置和结构参数可实现不同比例的纵扭振动输出，满足不同材质超声岩石取样加工需求。

岩石取样；纵扭复合振动；阶梯型超声变幅杆；斜槽

超声岩石取样过程是通过岩石取样工具的纵向超声振动和岩石试样的柔性进给来实现岩石样品的磨削取样加工［1］。虽然通过取样工具的单向高频冲击可促进研磨颗粒对岩石的磨削加工过程，并有效提高岩石试样的取样成功率，但对于硬度较大的岩石样本，磨削取样加工效率仍然较低，需进一步改进。近年来，随着超声辅助切削加工应用研究的不断深入，纵扭、纵弯等复合振动超声辅助成形加工成为研究的热点。已有研究表明，纵扭共振复合超声加工比单一轴向振动超声加工具有更优良的加工特性。而实现纵—扭复合振动的途径按实现原理的不同基本可分为两大类：一类是通过纵扭超声换能器实现纵扭振动输出；另一类是利用纵向超声换能器实现单一轴向振动，然后通过纵扭复合超声变幅杆实现纵扭振动输出［2-3］。在纵扭复合振动超声变幅杆研究方面，唐军等通过开发圆锥过渡和指数过渡阶梯型纵-扭复合变幅杆，实现了单激励纵扭复合振动［4-5］。皮钧对变幅杆上增设圆环斜槽获得纵扭共振模态的基本原理进行了研究［6］。段翠芳等设计了一种带有斜槽圆环传振杆的阶梯形变幅杆［7］。刘建慧等对带斜槽的指数过渡复合变幅杆的振动特性进行了优化研究［8］。

上述研究表明，在变幅杆上设置呈圆环均匀分布的斜槽结构可实现超声变幅杆的纵扭复合振动输出，但目前的研究多集中在斜槽几何参数对超声振动模态和振动频率的影响规律方面，而对纵扭振型转换所产生的纵扭振动输出比例特性的研究较少。在超声岩石取样过程中，采用带斜槽结构的阶梯型超声变幅杆实现纵扭复合磨削加工过程并提高岩石取样的效率，但还需要研究可产生不同比例纵向和扭转振幅输出的超声变幅杆结构，以满足不同硬度岩石的超声磨削加工需求。本文根据超声变幅杆的纵扭复合振动机理，利用有限元法分析确定可产生扭转振动的带斜槽阶梯型变幅杆基本结构，并研究斜槽结构参数变化对超声变幅杆输出纵振振幅与扭转振幅比值的影响规律。

1　圆环斜槽阶梯型超声变幅杆结构设计

根据超声变幅杆斜槽结构的振动传播原理，当纵波垂直入射并从阶梯型变幅杆大端传播到有斜槽的变幅杆小端结构时，由于斜槽结构的存在，导致超声波的传播介质发生变化，使得超声纵波在斜槽位置处发生波型转换，产生反射纵波、反射横波以及折射纵波。由于斜槽间相互平行，且间距远小于传播波长，所以在斜槽处纵波和横波将会产生叠加效应，这种叠加将在周向和轴向方向分别产生振动分量，从而在变幅杆的输出端产生纵扭复合振动［9］。

带斜槽的阶梯型变幅杆几何结构较为复杂，采用传统的等效网络法和解析法对系统很难做出准确描述，需要借助有限元法分析确定斜槽的结构参数。取一种常规20 kHz带斜槽阶梯型变幅杆，在小端上设置斜槽结构（变幅杆基本结构如图1中所示，其中大端直径D=38 mm，小端直径d=20 mm，大小端长度L1=L2=66 mm）。对该变幅杆进行Ansys仿真模态分析，仿真结果表明（仿真结果如图2中所示），虽然振动的最大值集中在变幅杆的末端，但仅仅在阶梯型变幅杆小端设置斜槽并不能产生明显的扭转分量。

图1　常规带斜槽阶梯型变幅杆结构示意图

图2　常规带斜槽阶梯型变幅杆振动模态云图（a）及位移矢量图（b）

已有研究表明，改变阶梯型变幅杆大小端长度的比例，有利于产生更大的扭转振动［10］。为了使阶梯型变幅杆获得较大的扭转分量输出，改变变幅杆大小端长度比值L1/L2，设定变幅杆输出的纵振和扭转振动幅值的比值为纵扭比，通过有限元仿真研究变幅杆大小端长度比值对变幅杆输出纵扭比特性的影响，仿真结果如图3中所示。结果表明，当变幅杆大小端长度比值大于1.6以后，变幅杆输出纵扭比值降到4以下，表明此时变幅杆输出的扭转振动幅值有了显著增加。

图3　变幅杆大小端长度比与纵扭比的关系

根据上述仿真分析结果，为了满足扭转振动输出的需求，初步设定带斜槽阶梯型变幅杆的基本结构参数如下：D=38 mm，d=20 mm，大端长度L1=113 mm，小端长度 L2=42 mm，大小端长度比值L1/L2=2.69，斜槽长度L3=15 mm，斜槽宽度b=2 mm，斜槽倾角a=45°，斜槽距大端面距离c=123 mm，斜槽数目n=4，斜槽深度h=4 mm.此时的变幅杆振动仿真模态云图和位移矢量图如图4中所示。结果表明，变幅杆的谐振频率为19 973 Hz，满足20 kHz的设计要求，同时超声振动的最大值集中在变幅杆的末端，且有明显的扭转振动产生（图4（b）中末端箭头所示）。

图4　改进带斜槽阶梯型变幅杆振动模态云图及位移矢量图

2　斜槽结构参数对纵扭振动特性的影响规律

为了进一步研究斜槽结构参数对阶梯型变幅杆纵扭振动输出特性的影响规律，对斜槽数目n、斜槽长度L3、斜槽宽度b、斜槽距变幅杆大端面距离c、斜槽深度h进行单因素仿真分析研究，提取20±1 kHz频率范围内阶梯型变幅杆输出的纵振振幅和扭转振幅比值作为研究对象，具体的仿真结果如图5中所示。

（续下图）

（续上图）

图5　斜槽结构参数对阶梯型变幅杆纵扭比的影响规律

仿真分析结果表明，对于在变幅杆小端上设置斜槽结构的阶梯型变幅杆，随着斜槽数目、斜槽长度、斜槽宽度和斜槽深度取值的增加，纵扭比的数值均呈现逐渐减小的趋势，这表明变幅杆所输出的扭转振动幅值呈逐渐增加的趋势，其中斜槽宽度对纵扭比的影响最小。这是因为，由能量守恒定律可知，带斜槽阶梯型变幅杆输出端的纵振分量和扭转振动分量的总和是恒定不变的，而斜槽数目、斜槽长度、斜槽宽度和斜槽深度等斜槽结构参数会直接影响斜槽所能吸收的纵波入射横截面积，取值越大则能吸收纵波的横截面积越大，所吸收的纵波也就越多，所能产生的横波反射就越多，扭转振动幅值也随之相应增加。

但当斜槽长度的增长超过一定范围，纵扭比值即扭转幅值的变化逐渐趋于稳定，这是因为当斜槽长度超过一定值，斜槽长度沿变幅杆小端圆周方向的投影开始出现叠加现象，所能吸收的纵波能量趋于稳定，因此扭转幅值的输出变化也趋于稳定。而随着斜槽宽度的增加，纵波吸收截面的增加较为缓慢，因此纵扭比的变化也较小。另一方面，当斜槽位置远离纵波输入端时（即斜槽位置距离大端面越远时），纵扭比值却呈逐渐增大趋势，这表明扭转振动幅值在逐渐减小。这是因为斜槽的位置决定着纵波在哪个幅值段被反射，当斜槽位置靠近大端的纵波节点时，产生的扭振分量将增大，反之亦然［11］。

综上所述，根据实际岩石取样磨削加工的需要来改变阶梯型变幅杆小端上分布的斜槽位置和结构参数，可使阶梯型变幅杆实现不同纵扭比值的超声振动输出，即具有不同的扭转振动特性，从而满足不同条件超声岩石磨削取样加工的需求。

3　结束语

针对超声岩石磨削取样加工所需可产生不同扭转分量的超声变幅杆，对带斜槽阶梯型变幅杆的结构和超声振动特性进行仿真分析研究，得到结论如下：

（1）在传统阶梯型变幅杆小端单纯设置斜槽结构并不能产生明显的扭转分量，但通过增大阶梯型变幅杆大端与小端的长度比值可显著增加扭转振动幅值的输出；

（2）随着斜槽数目、斜槽长度、斜槽宽度和斜槽深度的增加，阶梯型变幅杆扭转振动幅值输出呈逐渐增加的趋势，其中斜槽宽度对幅值增加的影响最小；而当斜槽位置远离变幅杆输入端时，变幅杆扭转振动幅值呈逐渐减小趋势；

（3）通过改变阶梯型变幅杆上斜槽的位置和结构参数，可设计具有不同扭转振动幅值输出特性的阶梯型变幅杆，满足不同硬度岩石材料的超声磨削加工需求。

［1］韩光超，刘初见，王超，等.一种超声辅助岩石取样装置及岩石取样方法［P］:中国，专利号：ZL 2014 1 0301083.8，2016-03-23.

［2］Takuya Asami，Hikaru Miura.Vibrator Development for Hole Machining by Ultrasonic Longitudinal and Torsional Vibration ［J］.Japanese Journal of Applied Physics.2011，50（7）:1-19.

［3］张兵，张云电.超声车铣圆环斜槽传振杆设计［J］.机电工程，2010，27（12）:11-14.

［4］唐军，赵波.一种新型纵扭复合超声振动系统的研究［J］.机械科学与技术，2015，34（5）:742-747.

［5］唐 军，赵 波，陈 曦.纵—扭同频复合超声振动变幅杆设计［J］.陕西师范大学学报（自然科学版），2013，41（6）:33-37. ［6］皮钧.圆环斜槽传振杆的纵扭振动转换［J］.机械工程学报，2008，44（5）:242-248.

［7］段翠芳，张敏.开斜槽纵-扭复合振动阶梯形变幅杆设计［J］.机床与液压，2015，43（8）:32-34.

［8］刘建慧，马磊，童景琳，等.圆环斜槽结构复合变幅杆的结构优化与实验［J］.机械设计与研究，2015，31（4）:66-68.

［9］向道辉，梁松，杨广宾，等.超声纵—扭振动铣削系统的研制［J］.工具技术，2014，48（8）:81-84.

［10］岳广喜.超声纵-扭振动高速铣削高体分SiCp/Al复合材料的试验研究［D］.焦作:河南理工大学图书馆，2012.

［11］袁松梅，胡俊杰，李辉.旋转超声加工用纵扭共振变幅杆的动力学分析［J］.机械设计与制造.2014，（3）:93-96.

Design of Longitudinal-Torsional Ultrasonic Horn for Rock Sampling Process

HAN Guang-chao1，2，PAN Gao-feng2，LIU Chu-jian3，CHENG Chang-xin2，YANG Hang-run2
（1.Guangxi Key Laboratory of Manufacturing System&Advanced Manufacturing Technology （Guangxi University），Nanning 530004，China；2.School of Electronic Information&Mechanics，China University of Geosiences，Wuhan 430074，China；3.State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources（China University of Geosiences），Wuhan 430074，China）

For the requirements of different ratio output with longitudinal and torsional compound vibration during ultrasonic rock sampling process，a kind of compound longitudinal-torsional ultrasonic stepped horn with multiple diagonal slits was designed.According to the principle of compound longitudinal-torsional vibration of ultrasonic horns，the finite element method was used to confirm the basic structure of stepped horn with diagonal slits for generating longitudinal-torsional vibration，and the influence rule was simulated analyzed for the structure parameters variation of the slits about the output specific value of longitudinal and torsional vibration.The research results show that the reasonable setting of position and structure parameters of the diagonal slits on the stepped horn can get different specific value of longitudinal and torsional vibration output，which can satisfy the ultrasonic rock sampling requirements of different rock materials.

rock sampling；longitudinal-torsional vibration；ultrasonic stepped horn；diagonal slits

TG663

A

1672-545X（2016）07-0005-04

2016-04-22

湖北省科技支撑计划资助项目（2015BAA019）；广西制造系统与先进制造技术重点实验室开放基金资助项目（14-045-15S06）；哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室开放基金资助项目（AWJ-M15-07）；华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室开放基金资助项目（P2015-04）

韩光超（1974-），男，博士，副教授，研究方向：超声振动辅助成形加工、数字化光整加工、快速成形与快速制模。