【正文】 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。超聲振動加工技術(shù)是一種將超聲振動應(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，而且被加工工件具有良好的耐磨性和耐腐蝕性。與傳統(tǒng)的機械加工相比，超聲振動加工的工藝效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面[2]：a. 降低切削力 超聲振動加工時，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工藝系統(tǒng)的受力情況。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)性的振動切削理論，并發(fā)表了大量論文，出版了《精密加工振動切削基礎(chǔ)與應(yīng)用》專著，詳細(xì)闡述了振動切削的概念、機理、裝置以及振動切削的工藝效果等[3]。60年代末，哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用超聲振動車削加工了一批飛機用鋁制細(xì)長桿零件，取得了良好的切削效果。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。然而，超聲振動加工還有許多尚未解決的問題，其材料的去除機理、有關(guān)工藝與設(shè)備的相關(guān)技術(shù)都在進一步的研究中，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)擴大。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理進行了深入研究，通過試驗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。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)等材料去除機理，建立了超聲研齒錘擊微切削材料去除模型。在相同條件下，Al2O3陶瓷研磨表面在兩個方向上均表現(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。(2) 根據(jù)據(jù)超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計原則，對其聲振系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行整體設(shè)計。由于學(xué)生水平有限，設(shè)計經(jīng)驗不足，在設(shè)計中難免有錯誤或不足之處，懇請評閱老師和廣大同學(xué)讀者批評指正。如圖22所示，研磨過程可分為三個階段[25]: (1) 游離磨粒破碎磨圓的切削階段。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，仍要依靠高技術(shù)工人，用手工研磨工藝及技藝，來實現(xiàn)高精度零件的加工?？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。本課題主要研究軸向振動形式的超聲振動研磨，如圖24所示。圖26 磨粒與工件相對運動位置關(guān)系設(shè)A為研磨條上一單顆磨粒，初始位置在A0，相對工件來說，磨粒既繞Z軸作圓周運動又沿Z軸作直線進給運動。因此要建立磨粒的受力模型，揭示材料去除機理，必須對磨粒的研磨速度進行分析。單顆磨粒在附加軸向超聲振動后，很可能發(fā)生空切削現(xiàn)象。相位時，其運動軌跡為O—O1的正弦線，A點運動軌跡為外包絡(luò)弧線A一A1，點軌跡為B一Bi一B1內(nèi)包絡(luò)弧線，內(nèi)包絡(luò)弧線與90176。因此，磨粒在附加軸向振動加工后，使實際背吃刀量增加，所以超聲振動研磨時，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)的變形等問題。δ(2) 為了更好獲取超聲振動研磨中磨粒的切削運動軌跡特征，對單顆磨粒的切削運動進行了分析，根據(jù)單顆磨粒的運動模型，給出了相應(yīng)的運動方程，得到磨粒的運動軌跡；對超聲振動深孔研磨單顆磨粒運動速度進行分析，由于附加了超聲振動，磨粒運動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后單顆磨?？涨邢鳜F(xiàn)象產(chǎn)生原因并分析了其對超聲振動研磨加工的影響；對單顆磨粒附加軸向超聲振動的材料去除率理論進行了分析并建立了相應(yīng)的材料去除率理論模型。(5) 由于深孔加工的特殊性，在超聲振動深孔研磨過程中，傳聲路線比較長，能量損失嚴(yán)重，因此，在聲振系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)盡量減少能量損失。就超聲波發(fā)生器的激勵方式而言，超聲波發(fā)生器主要有兩種:自激式和他激式[27]。圖32 超聲波發(fā)生器實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轉(zhuǎn)換成超聲頻機械振動，并通過超聲變幅桿將振幅放大和聚能后再傳輸?shù)焦ぞ哳^，進而實現(xiàn)對工件的超聲振動加工[28]。壓電換能器與超聲波發(fā)生器匹配時，由于它是容抗性負(fù)載，所以回路中必然產(chǎn)生很大的無功損耗，故采用圖34所示的輸出匹配回路。各類型變幅桿的優(yōu)缺點如表31所示。為了研究方便，現(xiàn)給出幾個假設(shè)(在各截面尺寸遠(yuǎn)小于波長時，這些假設(shè)是允許的):變截面由均勻各向同性材料制成；機械損耗很小，可以忽略不計；超聲變幅桿中通過的彈性波的波振面是平面，即在超聲變幅桿的橫截面上應(yīng)力分布是均勻的；平面縱波沿超聲變幅桿軸向傳播。2. 放大系數(shù)Mp在x=0的截面處，由于截面躍變，情況比較復(fù)雜。a； φb=arctanZ0bZ0atan(Kbα=D1l== N=2 圖37 最佳圓弧半徑ROP與N的關(guān)系② 由α及N在圖37的曲線中找出對應(yīng)的ROPD2的值。(4) 制造簡單，能保持較高的精度。圓柱孔研磨工具有研磨棒和可調(diào)研磨器。嵌入性使磨粒嵌入研磨工具表面的難易程度；嵌固性是壓嵌在研磨工具表面上的磨料，在研磨中的抵抗切削力而不脫落的能力；嵌沙均勻性是磨粒嵌入平板各處的均勻程度。%～%，%～%。可調(diào)整光滑研磨器結(jié)構(gòu)實物圖如圖39。 換能器: 將超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換成超聲頻機械振動。圖311 超聲振動深孔研磨裝置實物圖 小結(jié) 根據(jù)深孔研磨和超聲振動加工的特點確定了超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計原則；在設(shè)計原則的指導(dǎo)下，根據(jù)試驗要求，對超聲振動深孔研磨裝置聲振系統(tǒng)的各個組成部件(超聲波發(fā)生器、換能器、超聲變幅桿、套筒、錐形心軸、研磨套)進行了選擇或設(shè)計；并將通過試驗的方法得到了聲振系統(tǒng)的振動特性，使研磨套霧化效果較好，與設(shè)計基本一致，滿足設(shè)計的基本原則；同時還對超聲振動深孔研磨裝置的整體結(jié)構(gòu)進行了研制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足了以下要求:聲振系統(tǒng)的超聲振動不會傳遞和擴散到整個加工裝置上，研磨套可以良好地進行超聲振動；研磨套能在徑向均勻地漲縮，對加工表面的壓力能調(diào)整并保持一定的調(diào)節(jié)范圍。由于試驗中的超聲波發(fā)生器的頻率可調(diào)范圍窄，因此在試驗過程中對于操作要求極為嚴(yán)格。對于壓電器件來說，通過阻抗分析儀可以測得的主要參數(shù)包括：諧振頻率、諧振的導(dǎo)納等。 試驗內(nèi)容超聲振動系統(tǒng)振動試驗主要設(shè)備如下：(1) 超聲波發(fā)生器；(2) 聲振系統(tǒng)；(3) PV70A阻抗分析儀；(4) 電子計算機。接下來對階梯形變幅桿進行調(diào)試。接下來對錐形心軸進行調(diào)試。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)，錐形心軸的表面太粗糙，連接端面不平，在與超聲波發(fā)生器連接時有較大的呼嘯聲，能量損失嚴(yán)重。圖410 錐形心軸與換能器和變幅桿調(diào)試后的導(dǎo)納極坐標(biāo)圖由阻抗分析儀測得的試驗結(jié)果可知。將加工好的變幅桿通過M8的螺紋與變幅桿相連接，通過導(dǎo)線將換能器與阻抗分析儀相連接，然后將阻抗分析儀通過串口與計算機相連，實驗裝置如圖48。將加工好的變幅桿通過M8，為防止在接觸面能量流失，在接觸面涂有凡士林，并且連接緊密。圖45 主要試驗裝置 試驗步驟及數(shù)據(jù)記錄 換能器的試驗 首先對換能器進行測試。正常的情況下，導(dǎo)納圓如圖42所示；異常情況下，導(dǎo)納圓如圖43所示。在交流電壓的作用下，壓電材料能夠產(chǎn)生伸縮振動，從端面發(fā)出聲音，這種現(xiàn)象在物理上叫壓電效應(yīng)。在理論分析和設(shè)計的基礎(chǔ)上進行試驗研究，使超聲波發(fā)生器輸出的振動有效地通過各個環(huán)節(jié)傳遞到研磨套。 錐形心軸：支撐研磨套，調(diào)整研磨工具的外徑。為了更有利于研磨膏的粘附，在研磨套外表面車出等距的條形溝槽，實物如圖39所示。其內(nèi)孔制成1:20或1:30的錐度。 鑄鐵研磨工具 鑄鐵研磨工具具有良好的嵌砂性﹑耐磨性，良好的可加工性。 (2) 為了保證研磨工具具有穩(wěn)定的精確幾何形狀，要求研磨工具具有良好的耐磨性。而且螺紋連接預(yù)緊的可以增強聯(lián)接的可靠性和緊密性,以防止受載后被聯(lián)接件間出現(xiàn)縫隙或相對滑移。ROP=D2= mm由于前面是近似分析，實際上得到的放大系數(shù)Mp要小于N2，而且隨著N值的增大，誤差越大，一般取N6。5. 形狀因素階梯型變幅桿的形狀因素于均勻截面桿一樣，即φ=1。sinKasinKb (3―15)當(dāng)a=b=λ/4 時，放大系數(shù)Mp達到最大。xσx+dx圖35 變截面桿的縱振動(3―6)在簡諧振動的情況下，x處t點時刻的質(zhì)點位移為：式中 A — 振幅，μm；ω — 固有頻率，rad/s；φ — 初相位，rad。但主要缺點是較大的放大倍數(shù)下可能發(fā)生側(cè)振，影響總體振動效果并給設(shè)計帶來一定麻煩。 圖34 輸出匹配回路由圖34，可得到等效復(fù)阻抗ZAB為 (3―1)式中 ZAB — 阻抗，Ω；R0 — 負(fù)載電阻，Ω； — 固有頻率，rad/s；L — 電感，H；C0 — 靜態(tài)電容，F(xiàn)。磁致伸縮換能器是利用某些鐵磁體在變化磁場中所產(chǎn)生的磁致伸縮效應(yīng)而制成的，具有諧振頻帶寬，振動方向單一，抗沖擊性強，穩(wěn)定而耐用等優(yōu)點，但其體積大、轉(zhuǎn)換效率低并且還需要專門的冷卻系統(tǒng)。他激式超聲波發(fā)生器由振蕩器、驅(qū)動放大器和功率放大器組成，通過輸出變壓器禍合，把超聲能量附加到換能器上。超聲振動深孔研磨裝置的聲振系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)生器、換能器、超聲變幅桿、彎曲振動圓盤、撓性桿一研磨條底座等組成。3 超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計與研制 超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計原則“工欲善其事，必先利其器”，為了研究超聲振動深孔研磨機理及其表面加工質(zhì)量，超聲振動深孔研磨裝置的設(shè)計與研制必然十分重要。V因此，在超聲振動深孔研磨中，材料的去除率又有自身的特性。當(dāng)B點到達Bi時，縱坐標(biāo)Y(Bi)以下的面積在磨料走到位角90176。tanα,X為磨粒切削速度方向，Y為研磨條的往復(fù)運動速度方向。圖27 超聲振動研磨中磨粒合成速度示意圖根據(jù)圖27中速度合成示意圖，可以得到軸向振動合成速度vea為: vea= vt2+ ((vf+va)2 = ( ndπ60)2+(va+2πAfcos2πft)2 (2―4)式中 vf —磨粒的振動速度，mm/s； n —工件轉(zhuǎn)速，r/min； d —工件內(nèi)徑，mm； A —振動振幅，mm； f —諧振頻率，Hz； t —時間，s。 式(21)是磨粒在無超聲振動情況下的運動方程，那么，當(dāng)磨粒附加上軸向的超聲振動后，其運動方程將發(fā)生變化。在建立超聲振動研磨單顆磨粒的運動模型時，將工件內(nèi)孔表面展開為平面，X指向磨粒運動方向，Y指向磨粒切深方向，Z指向研磨頭進給方向，其運動模型如圖25所示。當(dāng)研具或工件附加上超聲振動時，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，從而實現(xiàn)對工件表面進行研磨[14]。 (3) 具有較低的研磨運動速度，工件在運動中平穩(wěn)，可獲得良好的工件形狀精度與位置精度。 (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。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動模型并對超聲振動研磨機理進行研究，研究結(jié)果有助于揭示超聲振動深孔研磨的材料去除機理。根據(jù)換能器的相關(guān)參數(shù)和加工要求來設(shè)計變幅桿。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。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