引用论文:
张宇，兰天，张翔宇，等. 超磁致伸缩旋转超声加工系统研究进展[J]. 电加工与模具，2024（4）：1-9.
DOI: 10.3969/j.issn.1009-279X.2024.04.001
▲点击即可查看论文
1选题依据
2研究方案
3研究内容
2.2 超磁致伸缩换能器结构设计与振动特性
作为一种铁磁性材料，超磁致材料在高频磁场中的磁滞效应和涡流效应使得超声换能器的温度发生变化，进而会影响其伸缩性能。为降低温度对超磁致材料的影响，人们提出多种温控方法。这些方法主要分为被动温控与主动温控两种。其中，被动温控方法主要是对 Terfenol-D材料进行切缝处理或使用粉状 Terfenol-D 材料与环氧树脂复合等用于降低涡流损耗。在此基础上，为进一步降低损耗，兰天等提出对永磁体也进行切片处理，以降低系统的阻尼。在主动温控方面，曾海泉等设计了冷却水饼结构，基于新型的Jile-Atherton模型开展研究，通过实验验证有限元方法计算的冷却水流场和换能器温度场分布的正确性；Zhou等提出了一种螺旋管缠绕冷却GMMs的方式，基于生热、传热与散热的机理，建立了考虑热阻的热力学模型，通过实验验证了冷却方式的有效性。此外还有学者通过改变磁回路设计，以固定励磁线圈的形式对换能器进行驱动，设计出超声电源直接驱动的旋转超声加工系统。在该系统中，超磁致材料通过不完全外壳与空气相接触，极大地提高了系统的散热性能（图11）。
2.4 超磁致伸缩系统的电路补偿
电补偿的作用是使电路谐振频率与机械谐振频率相匹配。在系统设计中，需以机械谐振频率为基准对电路进行电补偿，使电路也在该频率时谐振，以获得同等功率条件下的最大振幅和最大换能效率，从而提供更好的谐振性能。由于采用非接触能量传输结构设计，旋转超声加工系统具有原边电路和副边电路两个电路，如图12所示，对这两个电路均可通过连接额外电容或电感进行补偿。
对于带有非接触能量传输结构的超声切削系统，应采用双边补偿保证原边电路、副边电路均可调整，并与机械部分的共振频率保持一致，但在实际使用中，副边电路被焊接在换能器结构中，不能实现实时调整，因此通常采用单边补偿。目前，由于超磁伸缩换能器机械部分产生了额外的等效电路，其补偿过程复杂，研究者们通过建立模型推导补偿值、实验测量获取补偿值等方式为超磁致伸缩系统提供最大振幅。
3 超磁致伸缩旋转超声加工系统振幅稳定性的控制
目前，最常见的振幅稳定性控制策略是超声频率跟踪。在旋转超声加工系统中，频率跟踪的作用在于调整超声波发生器提供的电信号频率与电路谐振频率和机械谐振频率相等或接近，以保证超声系统在切削中谐振频率发生偏移后依然能工作在谐振点附近，并提供足够的振幅来完成超声切削。其核心问题是研究可检测的电参数如电流、相位和功率等与超声系统振幅的对应关系，并使用该对应关系作为频率跟踪的依据。
基于不同参数的频率跟踪方法各有其优势和不足。其中，锁相环法是目前应用最广泛的一种频率跟踪方法。该方法认为，在超声切削系统电路中的电流和电压同相位时，系统具有最大的振幅，其优势在于运算速度快，由于相位相对输入频率单调变化，可以根据相位迅速判断频率跟踪方向。电流法也是一种经典的频率跟踪方法。电流法认为电流的极值或特征电流对应的频率与最大振幅频率一致，能精确地跟踪超磁致伸缩超声系统的最大振幅。
4结论
（1）设计超磁致伸缩旋转超声加工系统时，需考虑各个核心部件如超声电源、能量传输装置、超磁致伸缩换能器以及超声变幅杆和超声刀具的匹配。其中，超声电源与能量传输装置的相关技术已较为成熟，因此在设计过程中需着重考虑超声换能器、变幅杆和刀具的设计。其中变幅杆和超声刀具在旋转超声加工系统中不仅可以传递并放大机械振动，而且对超声振子与负载之间的阻抗特性具有匹配作用。而在换能器设计过程中，首先需要考虑到材料本身的倍频特性以及预应力特性等，因此需要设置偏置磁场以及施加合适的预应力；在换能器结构设计时，通常利用线圈来施加驱动磁场，利用预紧块来施加预应力，通过建立理论模型来研究其振动特性；此外，超磁致系统对温度较为敏感，因此需要采取合适的措施来进行温控，使其具有较好的磁致伸缩性能；最后为了调节电路谐振频率与机械谐振频率，超磁致伸缩旋转超声加工系统在设计时还应当进行电路补偿，使其达到最佳的工作状态。
（2）为保证超磁致伸缩旋转超声加工系统的输出性能，需控制系统的振幅稳定性。目前最主要的控制方式是追踪谐振频率。由于超磁致超声系统的谐振相位并不固定，针对超磁致系统，特征电流法比常用的相位法更加适用。但是对于某一特定的超声系统而言，即使进行了准确的频率跟踪，仍存在极限切削力，当所受负载大于极限切削力时，系统仍然无法输出超声振动，因此需根据实际工况选择具有合适承载能力的超声装置以保证对难加工材料的高质量加工。
（3）随着研究的深入，未来的超磁致伸缩旋转超声系统将在以下几个方面具有好的研究前景：一是在系统结构设计方面，可以进一步改进机械结构，提高系统可适用的切削力范围，降低系统的阻尼，优化系统的散热特性；二是在振幅稳定性控制方面，系统可将频率跟踪与其他影响振动输出的因素结合起来，实现对振幅的进一步调控；三是，超磁致伸缩旋转超声加工系统可向着更加智能化的方向发展，可结合超声系统振幅控制及切削力监测方法，搭建能自动识别当前系统振动与加工状态的超声加工系统，提高超声控制系统的适用性。
作者简介
第一作者：张宇，男，2001年生，博士研究生，研究方向为智能超磁致伸缩超声加工系统与超声工艺。
团队简介
关 于 期 刊
《电加工与模具》（CN 32-1589/TH、ISSN 1009-279X）创刊于1966年，是中文核心期刊和中国科技核心期刊，现由苏州电加工机床研究所、中国机械工程学会特种加工分会主办，主要报道电火花加工、电化学/电解加工、激光及高能束加工、增材制造（3D打印）、超声及复合加工等特种加工以及模具制造领域的设计研究成果、工艺应用技术、使用维修经验、产品开发信息和行业发展动态等。
《电加工与模具》以促进特种加工领域学科进步和产业发展为己任，构建“期刊出版+服务”的新型办刊模式，通过学术交流、重点约稿、优先发表、定向推送等多项举措，及时跟踪报道特种加工学术研究成果和特种加工产业及工艺装备，为特种加工技术进步和产业发展尽绵薄之力。
相关文章推荐
编 辑：聂成艳
