【正文】 磨[14]，其原理圖如圖11所示。超聲振動(dòng)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(dòng)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。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了工件橫向施加超聲振動(dòng)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(kāi)辟了新的思路和方法。南京航空航天大學(xué)的錢軍、高長(zhǎng)水進(jìn)行了工件激振式超聲復(fù)合電火花微細(xì)孔加工的研究[9]，它與以往的超聲電火花復(fù)合加工的不同之處在于，通過(guò)工件的微幅激振改善微細(xì)電火花加工工作液的循環(huán)，進(jìn)而提高微細(xì)電火花加工的脈沖利用率和微細(xì)孔加工的長(zhǎng)徑比。東南大學(xué)的湯鉻權(quán)從振動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)學(xué)入手，探討了超聲振動(dòng)切削機(jī)理[7]，設(shè)計(jì)并制造了超聲振動(dòng)車削用快速落刀裝置，利用掃描電鏡對(duì)超聲振動(dòng)切削形貌和層片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究。我國(guó)對(duì)超聲振動(dòng)切削技術(shù)的研究始于上個(gè)世紀(jì)50年代末期，由于當(dāng)時(shí)對(duì)超聲波發(fā)生器、換能器、聲振系統(tǒng)的研究都不成熟，并且缺乏合理的組織和持續(xù)的研究工作，該技術(shù)未能得到重視。英國(guó)阿伯丁大學(xué)國(guó)王學(xué)院的研究人員對(duì)超聲鉆削難加工材料工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響進(jìn)行了研究，建立了間斷性沖擊過(guò)程的非線性模型，對(duì)沖擊力的特性進(jìn)行了研究，提出了一種新的材料去除率的計(jì)算方法，這種方法首次解釋了材料去除率在較高的靜態(tài)力作用下減小的原因[5]。日本是較早研究超聲振動(dòng)加工技術(shù)的國(guó)家，20世紀(jì)50年代，日本就設(shè)立了專門的振動(dòng)切削研究所。b. 降低切削溫度 超聲振動(dòng)切削時(shí)，材料的彈塑性變形和切削刃接觸面的摩擦系數(shù)大幅度降低，且加工中的力和熱都以脈沖形式出現(xiàn)，使切削熱的平均值大幅度下降。超聲振動(dòng)加工系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、振動(dòng)傳遞系統(tǒng)、工具、工藝裝置等構(gòu)成。由于超聲振動(dòng)加工技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，與其它加工技術(shù)相比，常常能夠大幅度地提高加工效率，提高加工質(zhì)量并且還能夠完成一般加工方法難以完成的加工工作。在生產(chǎn)的迫切需求下，人們不斷地研究和探索新的加工工藝和制造技術(shù)。超聲振動(dòng)加工技術(shù)在降低切削力和切削熱方面起到了積極的作用，令人信服地解決了普通切削加工中許多難以解決的工藝問(wèn)題，特別是在難加工材料、難磨削材料以及精密加工等方面，超聲振動(dòng)加工技術(shù)更顯示出無(wú)法比擬的工藝效果。試驗(yàn)結(jié)果表明整個(gè)超聲振動(dòng)深孔研磨裝置可以進(jìn)行超聲振動(dòng)研磨。對(duì)單顆磨粒附加軸向超聲振動(dòng)的材料去除率理論進(jìn)行了分析并建立了相應(yīng)的材料去除率理論模型和振動(dòng)系統(tǒng)各傳遞環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，為振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）超聲振動(dòng)深孔研磨技術(shù)研究摘 要：超聲振動(dòng)深孔研磨是超聲振動(dòng)加工技術(shù)在深孔研磨中的應(yīng)用，能有效的解決普通研磨過(guò)程中加工效率低﹑材料去除率低等問(wèn)題，具有普通研磨不可比擬的工藝效果。研究分析了變幅桿幾何尺寸，錐形心軸，以及研磨套對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的影響。關(guān)鍵詞：超聲振動(dòng)研磨；深孔研磨；研磨機(jī)理 Research on Ultrasonic Vibration Deephole Lapping technologyAbstract: The ultrasonic vibration deephole lapping is a kind of application of the ultrasonic vibration cutting technology in deephole lapping, which can effectively solve the problem of low machining efficiency, low material removal rate in the general lapping process, it is superior to the general lapping in craft. Therefore, the ultrasonic vibration deephole lapping technology has an important sense for the deephole finish machining and the super finish. Through theoretical analysis and research, the establishment of deep abrasive ultrasonic vibration and ultrasonic vibration grinding motion model to study the mechanism. Single grain of additional axial ultrasonic vibration theory of material removal rate were analyzed and the corresponding theoretical model of material removal rate. Transmit link39。 研究超聲振動(dòng)深孔研磨技術(shù)的目的和意義深孔加工難度高，加工工作量大，是機(jī)械加工中的關(guān)鍵性工序。超聲振動(dòng)加工技術(shù)是一種將超聲振動(dòng)應(yīng)用于精密或超精密加工的新技術(shù)，特別是在超硬材料、復(fù)合材料和難加工材料的加工方面顯示出非常突出的優(yōu)越性，它具有低的切削力、低的切削溫度、低的表面粗糙度和高的加工精度等特點(diǎn)，而且被加工工件具有良好的耐磨性和耐腐蝕性。因此，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)等部門得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工相比，超聲振動(dòng)加工的工藝效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[2]：a. 降低切削力 超聲振動(dòng)加工時(shí)，切削速度的大小和方向產(chǎn)生周期性變化，這種變化改變了整個(gè)工藝系統(tǒng)的受力情況。c. 降低工件表面粗糙度和提高工件加工精度 超聲振動(dòng)切削過(guò)程中，脈沖力的作用破壞了積屑瘤產(chǎn)生的條件，由于切削力小，切削溫度低，使被加工工件表面粗糙度大大降低，表面幾何精度大幅度提高。日本宇都宮大學(xué)隈部淳一郎教授早在1956年就提出了系統(tǒng)性的振動(dòng)切削理論，并發(fā)表了大量論文，出版了《精密加工振動(dòng)切削基礎(chǔ)與應(yīng)用》專著，詳細(xì)闡述了振動(dòng)切削的概念、機(jī)理、裝置以及振動(dòng)切削的工藝效果等[3]。美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)對(duì)Al2O3陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術(shù)進(jìn)行了研究[6]。60年代末，哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用超聲振動(dòng)車削加工了一批飛機(jī)用鋁制細(xì)長(zhǎng)桿零件，取得了良好的切削效果。西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種可以在內(nèi)圓磨床上加工硬脆材料的超聲振動(dòng)磨削裝置[8]。研究結(jié)果表明，工件越薄，排屑越有利，加工速度提高的越快。圖11 超聲振動(dòng)磨削裝置山東大學(xué)的任升峰、張建華等人對(duì)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。然而，超聲振動(dòng)加工還有許多尚未解決的問(wèn)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。 圖11 超聲振動(dòng)研磨原理圖 考慮到超聲振動(dòng)加工技術(shù)在研磨加工方面的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)超聲振動(dòng)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。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王娜君等將超聲振動(dòng)引入PCD材料研磨中[18]，對(duì)PCD材料的游離磨料超聲振動(dòng)研磨機(jī)理進(jìn)行了深入研究，通過(guò)試驗(yàn)證明用超聲振動(dòng)研拋PCD可顯著提高研磨效率，并認(rèn)為研磨軌跡的加長(zhǎng)和超聲振動(dòng)的脈沖力作用是提高研拋效率的主要原因。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。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。通過(guò)分析和討論，結(jié)果表明:受振動(dòng)頻率、振幅和磨粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，輔助振動(dòng)能夠增大磨粒切削軌跡長(zhǎng)度、切削速度和材料去除率。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)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(dòng)在深孔精加工方面取得了突出成果。(2) 根據(jù)據(jù)超聲振動(dòng)深孔研磨裝置的設(shè)計(jì)原則，對(duì)其聲振系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。 (3) 超聲振動(dòng)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(dòng)子系統(tǒng)組成的。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(cuò)誤或不足之處，懇請(qǐng)?jiān)u閱老師和廣大同學(xué)讀者批評(píng)指正。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(guò)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(dòng)或滑動(dòng)，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]。如圖22所示，研磨過(guò)程可分為三個(gè)階段[25]: (1) 游離磨粒破碎磨圓的切削階段。(3) 研具被堵塞、活性研磨劑的化學(xué)作用階段。在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)試制中，對(duì)于一些高精度零件，在沒(méi)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(lái)實(shí)現(xiàn)高精度零件的加工。 (5) 研磨運(yùn)動(dòng)方向可以不斷改變，可以獲得良好的運(yùn)動(dòng)軌跡網(wǎng)紋，有利于降低表面粗糙度值，容易獲得鏡面?？紤]到超聲振動(dòng)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(dòng)加工技術(shù)應(yīng)用于深孔研磨加工中。1一超聲波發(fā)生器； 2一換能器； 3一超聲變幅桿； 4一錐形心軸；5一研磨套； 6一振動(dòng)波形圖23 超聲振動(dòng)深孔研磨原理圖 在超聲振動(dòng)深孔研磨過(guò)程中，超聲波發(fā)生器1輸出的超聲頻電信號(hào)通過(guò)換能器2轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，再通過(guò)變幅桿3將換能器2輸出的超聲頻軸向振動(dòng)放大后傳給錐形心軸4，錐形心軸4帶動(dòng)在研磨套5中的磨粒以預(yù)定的頻率軸向振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的超聲振動(dòng)研磨。本課題主要研究軸向振動(dòng)形式的超聲振動(dòng)研磨，如圖24所示。 (2) 從圖25 (b)可以看出，在附加軸向超聲振動(dòng)以后，磨粒的切入深度d保持不變，但是磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡為平行于工件內(nèi)表面的正弦曲線。圖26 磨粒與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系設(shè)A為研磨條上一單顆磨粒，初始位置在A0，相對(duì)工件來(lái)說(shuō)，磨粒既繞Z軸作圓周運(yùn)動(dòng)又沿Z軸作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 由式(22)可以看出，磨粒相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡是螺旋狀曲線。因此要建立磨粒的受力模型，揭示材料去除機(jī)理，必須對(duì)磨粒的研磨速度進(jìn)行分析。 軸向振動(dòng)磨削時(shí)，磨粒的運(yùn)動(dòng)為圖27所示為的正弦曲線，為了簡(jiǎn)化分析將其近似成為三角波，如圖28所示，磨粒切削刃前進(jìn)方向?yàn)? (2―5)圖28 軸向振動(dòng)磨粒的運(yùn)動(dòng)示意圖 設(shè)切削刃與切削合成速度ve的垂直方向夾角為β，如果把磨粒看作一把刀具，那么在實(shí)際切削時(shí)，可以看成刃傾角為β的斜角切削，形成比直角切削法向前角γn更大的有效法向前角γe，如圖29所示，它們之間的關(guān)系為:sinγe=sin2β+cos2β單顆磨粒在附加軸向超聲振動(dòng)后，很可能發(fā)生空切削現(xiàn)象。當(dāng)相位角為0176。相位時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為O—O1的正弦線，A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為外包絡(luò)弧線A一A1，點(diǎn)軌跡為B一Bi一B1內(nèi)包絡(luò)弧線，內(nèi)包絡(luò)弧線與90176。的位置時(shí)，圖中陰影部分己無(wú)材料可切除，形成空切削。因此，磨粒在附加軸向振動(dòng)加工后，使實(shí)際背吃刀量增加，所以超聲振動(dòng)研磨時(shí)，若采用常規(guī)的背吃刀量，則可以降低工件壓力，降低切削溫度，減少工藝系統(tǒng)的變形等問(wèn)題。在普通研磨過(guò)程中，磨粒以滑擦、耕犁、切除等形式去除材料，當(dāng)研磨條附加上超聲振動(dòng)后，磨粒又會(huì)產(chǎn)生一種沖擊去除作用，并且由于各磨粒的振動(dòng)特性并不完全相同，很難在理論上建立超聲振動(dòng)研磨的去除率理論模型，因此，本小節(jié)將研磨加工中材料的去除過(guò)程簡(jiǎn)化為單顆磨粒附加軸向超聲振動(dòng)情況下的材料去除過(guò)程，并完成對(duì)材料去除率的理論分析。δ然而，由于式(214)所建立的材料去除率模型僅考慮到單個(gè)磨粒的振動(dòng)，在實(shí)際研磨中，各磨粒之間的相互作用會(huì)對(duì)材料去除量產(chǎn)生較大的影響，并且由于各磨粒振動(dòng)特性并不完全相同，準(zhǔn)確獲取整個(gè)研磨過(guò)程的去除率模型比較困難，但是從單顆磨粒材料去除率模型可以定性獲得影響材料去除率的因素。(2) 為了更好獲取超聲振動(dòng)研磨中磨粒的切削運(yùn)動(dòng)軌跡特征，對(duì)單顆磨粒的切削運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，根據(jù)單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)模型，給出了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程，得到磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡；對(duì)超聲振動(dòng)深孔研磨單顆磨粒運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行分析，由于附加了超聲振動(dòng)，磨粒運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向發(fā)生了改變，影響了磨粒的切削性能；分析了附加軸向超聲振動(dòng)后單顆磨?？涨邢鳜F(xiàn)象產(chǎn)生原因并分析了其對(duì)超聲振動(dòng)研磨加工的影響；對(duì)單顆磨粒附加軸向超聲振動(dòng)的材料去除率理論進(jìn)行了分析并建立了相應(yīng)的材料去除率理論模型。設(shè)計(jì)合理的連接形式，可以將整個(gè)研磨裝置和鉆桿連接起來(lái)，設(shè)計(jì)工藝裝置，可以將整個(gè)聲振系統(tǒng)組裝起來(lái)，并且起到保護(hù)作用。(5) 由于深孔加工的特殊性，在超聲振動(dòng)深孔研磨過(guò)程中，傳聲路線比較長(zhǎng)，能量損失嚴(yán)重，因此，在聲振系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少能量損失。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單﹑能量傳遞效率高的聲振系統(tǒng)。就超聲波發(fā)生器的激勵(lì)方式而言，超聲波發(fā)生器主要有兩種:自激式和他激式[27]。此外，在超聲振動(dòng)加工過(guò)程中，由于負(fù)載變化、工具磨損、換能器發(fā)熱等一系列因素的影響會(huì)使聲振系統(tǒng)的共振頻率產(chǎn)生較大的偏移，致使聲振系統(tǒng)無(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)可能造成超聲波發(fā)生器和換能器的損壞，所以超聲波發(fā)生器還要具有適應(yīng)負(fù)載變化的自動(dòng)頻率跟蹤能力和穩(wěn)定輸出振幅的能力，以確保超聲振動(dòng)系統(tǒng)工作在最佳穩(wěn)定狀態(tài)。圖32 超聲波發(fā)生器實(shí)物圖換能器是聲振系統(tǒng)的核心部件，它的作用是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲頻機(jī)械振動(dòng)，并通過(guò)超聲變幅桿將振幅放大和聚能后再傳輸?shù)焦ぞ哳^，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的超聲振動(dòng)加工[28]。因此，