引言
我国作为世界木材战略储备生产基地，拥有楠木、红豆杉、罗汉松等几十余种珍贵树种群落，且由于这些木材独特的多层级、各向异性结构、良好的力学性能和微纳米通道等特性，常用于超级电容器等高精尖仪器的核心部件，因此，开发木质功能材料对促进中国木材产业供给高端化和加快木材产业发展绿色化具有重要的战略意义。但是，由于木质功能材料具有脆性大、非均质和各向异性等加工难点，采用传统机械加工方式会产生崩边、毛刺、分层、刀具寿命低等问题。因此，实现木质功能材料高效、高质量的加工已成为当前制造领域的研究热点。
近年来，超声振动辅助切削已被应用于塑性材料的加工，有专家采用MD方法模拟椭圆振动辅助金刚石切割碳化硅的过程，结果表明，振动辅助加工降低了切削力，抑制了裂纹的扩展。H. Hocheng等人对超声振动辅助钻削加工2D C/SiC复合材料展开了研究，研究表明，与其他的加工方法相比，超声振动辅助加工技术对塑性材料的加工更具有经济效益以及可加工性。
综上所述，鉴于超声辅助加工技术在塑性等非金属材料加工上所取得的优异效果，本文设计了一种木质功能材料的超声振动辅助抛光装置，用以解决传统机械加工木质功能材料所面临的问题，为其他非金属材料加工提供借鉴。
1 超声振动辅助抛光装置的结构设计
1.1 整体结构
超声振动辅助抛光装置如图1所示，包括支撑机构、夹持机构以及光整机构，支撑机构的支撑箱体上设有夹持机构，夹持机构的缓冲支撑座正面设有纳米气溶胶注射口，用户能够通过纳米气溶胶注射口，调节缓冲支撑座内的阻尼，纳米气溶胶注射口旁边设有压力表，方便用户观察缓冲支撑座内的阻尼，缓冲支撑座上侧设有夹持支架，支撑箱体上设有光整机构，光整机构的抛光支架下侧抛光机，在抛光机与抛光支架之间设有超声换能器以及变能杆，在固定机构以及光整机构的加持下，设备能够对木质功能材料实现柔性加工。
图1 超声振动辅助抛光装置整体结构
1.2支撑机构
支撑机构是安装固定机构以及光整机构的基体，如果支撑机构的设计不完善，固定机构的阻尼可调功能以及光整机构的超声振动功能就难以实现，因此设计一个能起到稳定支撑并且能具备多种功能的储存机构是整个装置的关键一环。
本文设计的支撑机构包括支撑箱体、防滑板、摩擦条、储存柜以及翻转门五部分。
支撑机构的结构示意图如图2所示，支撑箱体下册设有防滑板，防滑板下侧粘接了摩擦条，摩擦条能够被更换，支撑箱体正面设有储存柜，储存柜正面设有翻转门，翻转门通过旋转杆固定在储存柜上。
图2 支撑机构结构示意图
本文设计的支撑机构包括支撑箱体、防滑板、摩擦条、储存柜以及翻转门五部分。支撑机构的结构示意图如图2所示，支撑箱体下册设有防滑板，防滑板下侧粘接了摩擦条，摩擦条能够被更换，支撑箱体正面设有储存柜，储存柜正面设有翻转门，翻转门通过旋转杆固定在储存柜上。
1.3固定机构
图3 固定机构结构示意图
在光整加工时，用户在加工不同的木质材料时，往往需要更换阻尼不同的支撑座，大大降低了加工效率，且阻尼座的固定与加工息息相关，因此设计一个阻尼可调且便于安装的固定机构，是提高装置实用性与安全性的重要一步。
本文设计的固定机构包括：缓冲支撑座、纳米气溶胶注射口、压力表、夹持支架、伸缩电动杆、夹持孔、以及夹持缓冲座组成。
固定机构结构示意图如图3示，夹持支架通过伸缩电动杆与缓冲支撑座的装配板固定连接，夹持支架与缓冲支撑座的装配板之间还设有限位伸缩杆，夹持支架上设有夹持孔，夹持孔内设有夹持缓冲座，夹持缓冲座通过螺栓固定在夹持孔内，夹持缓冲座由夹持板以及弹簧板组成。
用户首先根据不同的工况，向纳米气溶胶注射口内注射不同数量的纳米气溶胶，从而调节缓冲支撑座的阻尼值，并且伸缩电动杆能推动夹持支架进行移动，并且用户能移动夹持缓冲座，通过夹持缓冲座的弹簧板实现对木质功能材料的固定。
1.3光整机构
超声加工技术是一种通过超声波振动能量实现难加工材料精密去除的工艺技术，该技术是将超声波振动能量通过一系列结构的传播和变换聚焦在刀具的工作区域，从而形成被抛光材料的冲击去除效果，进而可以提高众多难加工材料的可加工性能。
本文设计的光整机构包括：抛光支架、数控系统、滑动轨道、转动螺杆、滑动座、伸缩电动支架、抛光机以及超声换能模块组成。
光整机构结构示意图如图4示，抛光支架侧面设有数控系统，数控系统由LED显示屏、控制按键以及超声驱动控制器组成，抛光支架上侧设有滑动轨道，滑动轨道内设有滑动座，滑动座侧面设有滑动板，滑动座的滑动板与滑动轨道的限位槽连接，滑动轨道内设有转动螺杆，抛光支架外侧设有移动电机，转动螺杆与移动电机动力连接，滑动座与转动螺杆螺纹螺杆连接，滑动座下侧设有伸缩电动支架，伸缩电动支架下侧设有抛光机，抛光机与伸缩电动支架之间设有超声换能模块，超声换能模块有换能器和变幅杆组成。
用户通过数控系统，启动超声换能模块，同时通过移动电动带动滑动座位移，到达指定位置后，启动抛光机，同时控制伸缩电动支架下移，当抛光机与木质材料接触时，由于超声波振动能量通过换能器和变幅杆的传播和变换聚焦在抛光机下侧的工作区域，从而能改善木质材料的抛光效果。
图4 光整机构结构示意图
1.4机床主轴的仿真分析
在机床切削主轴的设计与分析中，精确的三维几何模型是确保性能预测准确性的基础。本文根据机床切削主轴的实际设计尺寸和形状，利用SW软件，建立了详尽的三维几何模型。这一模型不仅捕捉了主轴的外部轮廓，还细致描绘了其内部结构和关键特征，如轴承座、切削区域等。在材料选择方面，主轴采用了高强度渗氮合金38Cr4。这种材料以其卓越的机械性能和耐磨性在机床主轴制造中得到了广泛应用。为了确保数值分析的准确性，我们根据38Cr4的实际物理属性，如弹性模量、泊松比和密度等，对模型材料属性进行了详细设定。在网格划分阶段，我们采用了准四面体单元对输入轴模型进行离散化。这种单元类型在复杂几何形状中具有良好的适应性和计算效率。通过细致的网格划分，确保了计算精度，也保证了计算效率。网格单元大小设定为8mm。最终生成了包含109354个节点和70681个单元格。
在边界条件设定方面，本文根据主轴在机床上的实际安装情况，对模型施加了以下约束。首先，在轴承支撑位置，设定了固定约束以模拟轴承对主轴的支撑作用。其次，在载荷施加方面，本文考虑了切削力、离心力和主轴自重等多种载荷，切削力是机床切削过程中最重要的载荷之一，它的大小和方向对主轴的变形和应力分布具有显著影响。因此，本文根据切削条件和刀具参数对切削力进行了估算，并将其施加在主轴的相应位置。再次，本文考虑了在高速切削过程中，主轴自重以及离心力对主轴分析结果的影响。通过综合考虑以上因素，我们建立了一个全面而准确的主轴有限元分析模型，如图5。
经过有限元分析，得到了主轴在不同载荷条件下的应力分布云图，如图6。这些云图直观地展示了主轴在扭矩载荷和切削力作用下的应力分布情况。结果显示，在扭矩载荷和切削力的共同作用下，主轴上的最大应力值为26.16MPa。这一最大应力出现在轴直径最小的轴段，且沿轴身呈环状分布，即为图中深色区域所示。这一结果验证了我们的预期，因为在机械设计中，应力通常会在截面尺寸变化较大的位置集中。重要的是，仿真发现最大等效应力小于主轴材料的屈服应力。屈服应力是材料在受到持续载荷作用时开始发生塑性变形的应力值。由于最大等效应力小于屈服应力，我们可以得出结论：主轴的结构强度满足设计要求，能够承受正常工作条件下的载荷而不发生塑性变形。
在主轴的应变分布图中，应变分布与应力分布具有相似的特点，即最大应变同样出现在轴径最小的轴段。应变分布反映了主轴在载荷作用下的变形情况，、提供了关于主轴结构刚性的重要信息。通过对比不同设计方案的应变分布，我们可以进一步优化主轴的结构设计，提高其刚度性能。最后，位移分布图展示了主轴在载荷作用下的整体变形情况。结果显示，在扭矩载荷作用下，主轴的最大位移为0.0205mm。这一位移值非常小，表明主轴在承受扭矩载荷时具有良好的稳定性。因此，可以认为主轴的结构满足设计要求，在正常工作条件下不会发生显著的变形。
图6 主轴有限元分析示意图
2 超声振动辅助抛光装置的工作原理
根据木质功能材料的加工要求，通过调节缓冲支撑座内的纳米气溶胶的密度，调节缓冲支撑座的阻尼值；将木质功能材料放置在缓冲支撑座上，通过控制面板启动伸缩电动杆，使夹持支架对木质功能材料进行夹持固定；滑动夹持缓冲座，使夹持缓冲座的弹簧板与木质功能材料进行接触，并进行压缩，然后通过固定将夹持缓冲座固定在夹持孔的对应位置；控制面板操纵移动电机正反转，使滑动座沿着转动螺杆方向进行运动，启动抛光机，使其按照给定的加工参数进行工作；启动伸缩电动支架，根据要求向下进行进给，同时超声换能模块作业，将超声波振动能量通过超声换能模块有换能器和变幅杆的传播和变换聚焦在刀具的工作区域，从而形成被抛光材料的冲击去除效果，以共同实现对木质功能材料的抛光过程，如图7所示。
图7 超声振动辅助抛光装置作业流程图
3结论和展望
本文从木质功能材料加工所面临的问题出发，从行业背景、结构设计和工作原理入手，分析现有技术产品的局限，借鉴相关装置的设计思路，制定合理的解决方案，通过SolidWorks软件进行本装置的建模与设计，从而实现木质功能材料抛光精准化以及高效化，并利用现有的成熟的技术理论具体说明和验证了超声振动辅助抛光装置设计的合理性与可行性。本装置的设计研究具有一定的现实意义和应用价值，不但能提高木质功能材料抛光质量与效率，且能提高木质功能材料批量化生产的经济效益。
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作者简介：丁烨琦（2002-），男，湖南株洲人，本科在读，专业：机械设计制造及其自动化。
通讯作者：王鑫昱（1999-），男，湖南株洲人，助教，研究方向：精密加工。