【正文】 等人采用了如圖11所示的超聲振動磨削裝置對陶瓷材料進(jìn)行了超聲振動磨削的機(jī)理分析和試驗(yàn)研究[10]，研究結(jié)果表明：超聲振動磨削的磨削力比普通磨削小20%～30%，～，在增大材料去除率的同時(shí)還可以獲得良好的加工表面。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了工件橫向施加超聲振動磨削是一種精密高效的加工工藝，同時(shí)也為加工陶瓷等脆性材料開辟了新的思路和方法。圖11 超聲振動磨削裝置山東大學(xué)的任升峰、張建華等人對NDFeB燒結(jié)永磁材料超聲輔助磨削進(jìn)行了試驗(yàn)研究[11]，研究結(jié)果表明：超聲輔助磨削改善了磨削加工效果，在一定程度上避免了脆崩現(xiàn)象，保證了NDFeB燒結(jié)永磁材料加工表面的完整性，一定程度上為加工永磁材料提供了新的途徑。中北大學(xué)的梁晶晶等綜述了國內(nèi)外超聲加工在陶瓷材料加工方面的應(yīng)用研究[12]，并對二維超聲振動磨削加工技術(shù)在陶瓷加工中的可行性進(jìn)行分析，為拓展超聲加工應(yīng)用領(lǐng)域與技術(shù)發(fā)展提供借鑒。重慶大學(xué)的許慶順等人通過對超聲波振動精密砂帶磨削與普通砂帶磨削不銹鋼的對比試驗(yàn)[13]，弄清了超聲波振動在砂帶磨削過程中的作用，證明了超聲波振動精密砂帶磨削是加工不銹鋼等難加工材料的一種有效方法。超聲振動加工技術(shù)已經(jīng)涉及到許多領(lǐng)域，在各行各業(yè)中發(fā)揮了突出的作用，一方面，材料加工的客觀需要推動和促進(jìn)了超聲加工技術(shù)的發(fā)展；另一方面，超聲加工技術(shù)的發(fā)展又為材料的加工提供了一種強(qiáng)有力的手段，促進(jìn)了材料加工的發(fā)展。然而，超聲振動加工還有許多尚未解決的問題，其材料的去除機(jī)理、有關(guān)工藝與設(shè)備的相關(guān)技術(shù)都在進(jìn)一步的研究中，隨著超聲加工研究的不斷深入，它的應(yīng)用范圍還將繼續(xù)擴(kuò)大。 超聲振動研磨加工技術(shù)超聲振動加工技術(shù)在切削領(lǐng)域和己應(yīng)用的磨削加工領(lǐng)域已經(jīng)表現(xiàn)出了一系列的優(yōu)點(diǎn)，如低的切削力、低的磨削溫度、低的表面粗糙度和高的精度以及被加工表面良好的耐磨性和耐腐蝕性，使得世界各國都在重點(diǎn)開發(fā)和研究超聲振動在磨削加工領(lǐng)域的高技術(shù)和應(yīng)用課題。超聲振動研磨是利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻電振蕩，通過換能器將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換為機(jī)械振蕩，再通過變幅桿將機(jī)械振蕩振幅進(jìn)行擴(kuò)大，用合適的連接桿將變幅桿與研具或工件連接起來，從而使研具或工件也產(chǎn)生高頻振動。當(dāng)研具或工件附加上超聲振動時(shí)，研具與工件之間的磨料將被動產(chǎn)生高頻振動沖擊工件表面，除去或改造工件表面的上道加工工序遺留的變質(zhì)層，并使工件加工表面形成新的變質(zhì)層，從而實(shí)現(xiàn)對工件表面進(jìn)行研磨[14]，其原理圖如圖11所示。 圖11 超聲振動研磨原理圖 考慮到超聲振動加工技術(shù)在研磨加工方面的優(yōu)勢，國內(nèi)外許多學(xué)者對超聲振動研磨技術(shù)做了大量和深入的研究，己取得了一定的研究成果。 宇都宮大學(xué)的Y. Ichida和R. Sato等將超聲技術(shù)應(yīng)用于游離磨料加工中[15]，提出了非接觸式超聲磨料加工方法，對加工過程中材料去除機(jī)理進(jìn)行分析，將材料去除劃分為A/B/C三種模式，并通過采用模式C非接觸式超聲加工獲得納米級的超精密加工表面。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的潘洪平、梁迎春等提出超聲振動研拋法[16]，通過對氮化硅陶瓷球進(jìn)行超聲振動研磨試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:超聲振動研拋與傳統(tǒng)的研磨相比，加工效率可提高2～3倍，并據(jù)此提出了M點(diǎn)研磨法與N點(diǎn)研磨法。重慶大學(xué)的周憶等在分析現(xiàn)有利用新原理的超精密研磨方法的基礎(chǔ)上[17]，提出了基于超聲研磨的超精密加工方法，闡述了超聲研磨的基本工作原理和特點(diǎn)，并進(jìn)行了初步的對比試驗(yàn)研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王娜君等將超聲振動引入PCD材料研磨中[18]，對PCD材料的游離磨料超聲振動研磨機(jī)理進(jìn)行了深入研究，通過試驗(yàn)證明用超聲振動研拋PCD可顯著提高研磨效率，并認(rèn)為研磨軌跡的加長和超聲振動的脈沖力作用是提高研拋效率的主要原因。河南焦作工學(xué)院的張昌娟、劉傳紹等分析了超聲振動研磨聲學(xué)系統(tǒng)研具的固有頻率和振型[19]，建立了力學(xué)模型及位移方程，探討了研具的共振機(jī)理，根據(jù)理論和試驗(yàn)得出結(jié)論:當(dāng)研具以自身的固有頻率共振時(shí)，系統(tǒng)處于全諧振狀態(tài)。河南科技大學(xué)的宋艷麗、魏冰陽、鄧效忠介紹了超聲研齒的原理(如圖12所示)與方法，對超聲研齒振動子系統(tǒng)進(jìn)行了研究與分析[20]。依據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)的基本原理，利用力電類比的方法，給出了換能一變幅器的等效電路圖，并通過電路運(yùn)算，推導(dǎo)出換能一變幅器的頻率方程和放大倍數(shù)的計(jì)算公式。據(jù)此，設(shè)計(jì)出了諧振特性良好的超聲研齒換能一變幅器。最后對超聲研齒振動系統(tǒng)的諧振特性進(jìn)行了測量，理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果基本相符。 圖12 超聲研齒原理圖國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的翁雷、鄭子文、李圣怡給出了超聲研磨工具的結(jié)構(gòu)，在無法用解析法確定工具結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，采用大型有限元軟件ANSYS仿真其實(shí)際工況，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的工具進(jìn)行模態(tài)分析，找到其縱振頻率與工作頻率接近的一組參數(shù)作為有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)的初始設(shè)計(jì)序列，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)得到最優(yōu)解[21]。河南科技大學(xué)的魏冰陽等提出了超聲研磨弧齒錐齒輪的理論與方法[22]。分析了超聲研齒中磨粒錘擊微切削、彈跳沖擊與研磨液空化效應(yīng)等材料去除機(jī)理，建立了超聲研齒錘擊微切削材料去除模型。對普通研齒與超聲研齒進(jìn)行了對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明，超聲研磨的材料去除率可達(dá)到普通研磨的三倍，且齒面質(zhì)量明顯提高。湖南大學(xué)國家高效磨削技術(shù)研究中心的王宇等討論振動研磨加工過程中通過輔助振動提高材料去除率的原因[23]。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上總結(jié)了振動研磨的加工特性，并建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。通過分析和討論，結(jié)果表明:受振動頻率、振幅和磨粒運(yùn)動規(guī)律的影響，輔助振動能夠增大磨粒切削軌跡長度、切削速度和材料去除率。材料去除率的增大是材料去除量增大的主要因素，這主要是由于磨粒的交叉切削所致。同濟(jì)大學(xué)的薛進(jìn)學(xué)等采用固著磨料超聲外圓研磨裝置在精密車床上，對ZrOAl2O3和納米ZrO2增韌 Al2O3（ZTA）三種陶瓷材料，在不同的磨粒尺寸、研磨壓力、研磨速度下的表面殘余應(yīng)力進(jìn)行了試驗(yàn)研究[24]。研究結(jié)果表明:精密平面磨削殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理主要為熱塑效應(yīng)和相變效應(yīng)的綜合作用，而固著磨料和游離磨料研磨殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理主要是機(jī)械冷擠壓作用，前者在兩個(gè)方向上均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，后者均為較小的殘余壓應(yīng)力；其值隨著磨料尺寸、研磨壓力與研磨速度的增大而增大；但超過一定值之后殘余應(yīng)力的增加變得緩慢。在相同條件下，Al2O3陶瓷研磨表面在兩個(gè)方向上均表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，而ZrO2和ZTA陶瓷研磨表面均為殘余壓應(yīng)力。西安石油大學(xué)深孔加工研究所多年來一直從事孔加工技術(shù)方面的研究與開發(fā)，在深孔加工刀具、深孔加工技術(shù)和深孔加工工藝和設(shè)備的研究方面，取得了一些成果，其研究水平處于國內(nèi)領(lǐng)先，但在難加工材料的大長徑比、高精度、高效率深孔加工的研究還處于起步階段。在生產(chǎn)中，這類孔的加工越來越多，加工的方法也多種多樣，但都不能取得較理想的效果。超聲振動切削的加工方法，是深孔加工的研究方向之一，在已有深孔加工的技術(shù)基礎(chǔ)之上，結(jié)合振動加工，必能為以后的深孔加工研究打下良好的基礎(chǔ)。西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的研究生李繼云﹑吳松平等研究生利用超聲振動在深孔精加工方面取得了突出成果。 設(shè)計(jì)內(nèi)容及基本要求資料檢索，外文資料翻譯15000～20000字符（約6000漢字），調(diào)研； 完成開題報(bào)告； 深孔研磨技術(shù)研究； 超聲振動切削原理研究； 超聲振動研磨聲振系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 超聲振動研磨工具設(shè)計(jì)； 超聲振動研磨聲振系統(tǒng)的特性試驗(yàn)； 撰寫設(shè)計(jì)論文說明書一份，正文字?jǐn)?shù)不少于2萬字。 設(shè)計(jì)思路本文選擇深孔研磨為研究對象，通過分析普通研磨與超聲振動研磨的不同特點(diǎn)，研究了超聲振動研磨機(jī)理及材料去除率理論分析，設(shè)計(jì)聲振系統(tǒng)及研磨工具，并對整個(gè)深孔研磨裝置進(jìn)行了調(diào)試和試驗(yàn)，主要從以下幾方面開展研究工作: (1) 在普通研磨和超聲振動研磨兩種加工方法比較的基礎(chǔ)上，建立超聲振動研磨單顆磨粒的運(yùn)動模型，對超聲振動深孔研磨的加工機(jī)理進(jìn)行研究。對單顆磨粒附加軸向超聲振動的材料去除率理論進(jìn)行分析并建立相應(yīng)的材料去除率理論模型。(2) 根據(jù)據(jù)超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計(jì)原則，對其聲振系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。包括超聲波發(fā)生器與換能器的性能匹配，根據(jù)超聲波發(fā)生器選擇合適的換能器。根據(jù)換能器的相關(guān)參數(shù)和加工要求來設(shè)計(jì)變幅桿。選擇合理的連接方式，將整個(gè)聲振系統(tǒng)和研磨工具有效的連接起來，根據(jù)加工要求，研磨工具設(shè)計(jì)成可調(diào)式的并在外套上車出一定的溝槽，以方便研磨膏的存貯和利用。 (3) 超聲振動深孔研磨的聲振系統(tǒng)主要由換能器、變幅桿、錐形心軸、研磨套四個(gè)振動子系統(tǒng)組成的。在理論分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行聲振系統(tǒng)的特性試驗(yàn)研究，使超聲波發(fā)生器輸出的振動有效地通過各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞到研磨套。聲振系統(tǒng)振動需采用全諧振方式進(jìn)行，通過試驗(yàn)對聲振系統(tǒng)的尺寸做出修正，使振動系統(tǒng)的能量損失小，振動效果達(dá)到最佳，滿足超聲振動研磨加工的需求。通過對超聲振動深孔研磨的研究，了解了超聲振動研磨的原理，對變幅桿的設(shè)計(jì)以及研磨工具的設(shè)計(jì)有了一定的認(rèn)識，通過對聲振系統(tǒng)和整個(gè)研磨裝置的試驗(yàn)和調(diào)試，對整個(gè)系統(tǒng)的工作特性和振動形式有了深刻的了解，為以后的學(xué)習(xí)和研究打下了一定的基礎(chǔ)。由于學(xué)生水平有限，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，在設(shè)計(jì)中難免有錯誤或不足之處，懇請?jiān)u閱老師和廣大同學(xué)讀者批評指正。482 超聲振動深孔研磨機(jī)理研究超聲振動深孔研磨技術(shù)是超聲振動加工技術(shù)在深孔研磨方面的應(yīng)用，它是在普通深孔研磨的基礎(chǔ)上附加超聲振動以實(shí)現(xiàn)振動研磨加工的技術(shù)。本章將通過對普通研磨和超聲振動研磨的對比分析，建立超聲振動深孔研磨磨粒運(yùn)動模型并對超聲振動研磨機(jī)理進(jìn)行研究，研究結(jié)果有助于揭示超聲振動深孔研磨的材料去除機(jī)理。 普通研磨與超聲振動研磨研磨是一種古老而不斷技術(shù)創(chuàng)新的精整和光整加工工藝方法。如圖21所示，研磨是利用涂敷或壓嵌游離磨料與研磨劑的混合物，在一定剛性的軟質(zhì)研具上（常用鑄鐵或黃銅），通過研具與工件向磨料施加一定的壓力，磨粒在研具和工件的作用下，或滾動或滑動，從被加工工件上去除一定的材料，從而提高工件的精度和降低表面粗糙度，達(dá)到研磨目的的加工方法[25]。它既可用于加工各種金屬材料又可用于加工非金屬材料，可以加工的表面形狀有平面、內(nèi)外圓柱面、圓錐面、球面、螺紋、齒面以及其它型面，加工精度可達(dá)IT6～I(xiàn)T5，～。 （a）磨粒做滾動或滑動 （b）磨粒被壓嵌在研具上圖21 普通研磨示意圖研磨過程中，在研磨壓力的作用下，眾多的磨料磨粒進(jìn)行微量切削，同時(shí)研磨表面發(fā)生微小起伏的塑性流動，并且被加入的諸如硬脂酸、油酸、脂肪酸等活性物質(zhì)與研磨表面起化學(xué)作用，隨著研磨加工的進(jìn)行，研具與工件表面更趨貼近，其間充滿了微屑與破碎磨料的碎渣，堵塞了研具表面，對工件表面起著滑擦的作用。所以研磨加工的實(shí)質(zhì)是磨粒的微量切削、研磨表面微小起伏的塑性流動、表面活性物質(zhì)的化學(xué)作用及研具堵塞物與工件表面滑擦作用的綜合結(jié)果。如圖22所示，研磨過程可分為三個(gè)階段[25]: (1) 游離磨粒破碎磨圓的切削階段。由于游離磨料磨粒的尺寸不可能完全一致，因此在研磨過程中，工件表面主要與尺寸較大的磨粒接觸，尺寸較大的磨粒參與研磨加工，在接觸點(diǎn)局部高壓高溫下磨粒凸峰被破碎、棱邊被磨圓，使同時(shí)參與切削的磨粒數(shù)增多，研磨效率得以提高。 (2) 多磨粒均勻研磨，使被研磨表面發(fā)生微小起伏的塑性變形階段。磨粒棱邊進(jìn)一步被磨圓變鈍，在磨粒不斷擠壓下，研磨點(diǎn)局部溫度逐漸升高，使被研磨表面材料局部軟化產(chǎn)生塑性變形，工件表面峰谷在塑性流動中趨于“熨平”，并在反復(fù)變形中冷卻硬化，最后斷裂形成微切屑。(3) 研具被堵塞、活性研磨劑的化學(xué)作用階段。微屑與磨粒的碎粒堵塞研具表面，對工件起滑擦作用，同時(shí)活性研磨劑在工件表面發(fā)生化學(xué)作用，在工件表面形成一層極薄的氧化膜，這層氧化膜容易被摩擦掉而不傷基體，氧化膜反復(fù)地迅速形成，又不斷地很快被摩擦掉，從而加快了研磨過程，使工件表面粗糙度值降低。 (a)游離磨粒破碎磨圓階段 (b)均勻研磨、塑變階段 (c)堵塞、化學(xué)研磨階段圖22 研磨過程示意圖 研磨加工具有以下特點(diǎn): (1) 研磨是一種“直接創(chuàng)造性加工”工藝方法，即用精度較低的加工設(shè)備加工出高精度的工件。因此，研磨設(shè)備簡單。在新產(chǎn)品開發(fā)試制中，對于一些高精度零件，在沒有現(xiàn)成設(shè)備可利用時(shí)，仍要依靠高技術(shù)工人，用手工研磨工藝及技藝，來實(shí)現(xiàn)高精度零件的加工。 (2) 機(jī)床一研磨工具一工件所構(gòu)成的工藝系統(tǒng)處于彈性的、浮動的狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)自動微量進(jìn)給，獲得極高的尺寸精度、幾何精度和表面質(zhì)量。 (3) 具有較低的研磨運(yùn)動速度，工件在運(yùn)動中平穩(wěn)，可獲得良好的工件形狀精度與位置精度。 (4) 研磨時(shí)工件處于自由狀態(tài)，不受強(qiáng)制力作用，工件不易發(fā)生彈性變形，工件精度不受彈性回復(fù)的影響。 (5) 研磨運(yùn)動方向可以不斷改變，可以獲得良好的運(yùn)動軌跡網(wǎng)紋，有利于降低表面粗糙度值，容易獲得鏡面。 (6) 研磨表面的耐腐蝕性、耐磨性有明顯地提高，且表面存在壓應(yīng)力，使工件疲勞強(qiáng)度得以提高。 然而，在研究中發(fā)現(xiàn)研具在加工過程中極易堵塞，并且由于研具與工件之間的接觸面積較大，研磨加工過程中容易產(chǎn)生顫振現(xiàn)象，對研磨效率和研磨質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。此外，普通研磨還存在研磨速度低，研磨效率低，磨料浪費(fèi)嚴(yán)重，加工成本高等缺點(diǎn)，因此需要對研磨技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和發(fā)展?？紤]到超聲振動加工方法在難加工材料磨削加工方面的優(yōu)越性，因此，我們將超聲振動加工技術(shù)應(yīng)用于深孔研磨加工中。 超聲振動研磨是利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻電振蕩，通過換能器將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換為機(jī)械振蕩，再通過變幅桿將機(jī)械振蕩振幅進(jìn)行擴(kuò)大，用合適的連接桿將變幅桿與研具或工件連接起來，使研具或工件也產(chǎn)生高頻振動。當(dāng)研具或工件附加上超聲振動時(shí)，研具與工件之間的磨料將被動產(chǎn)生高頻振動沖擊工件表面，除去或改造工件表面的上道加工工序遺留的變質(zhì)層，使工件表面形成新的變質(zhì)層，從而實(shí)現(xiàn)對工件表面進(jìn)行研磨[14]