【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(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。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。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]。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(dòng)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。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)為研磨軌跡的加長和超聲振動(dòng)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(jī)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(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。(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)。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。在新產(chǎn)品開發(fā)試制中，對(duì)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?？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。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。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)工件來說，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)。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。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。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。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)的變形等問題。δ(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。(5) 由于深孔加工的特殊性，在超聲振動(dòng)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(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少能量損失。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]。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]。壓電換能器與超聲波發(fā)生器匹配時(shí)，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(diǎn)如表31所示。為了研究方便，現(xiàn)給出幾個(gè)假設(shè)(在各截面尺寸遠(yuǎn)小于波長時(shí)，這些假設(shè)是允許的):變截面由均勻各向同性材料制成；機(jī)械損耗很小，可以忽略不計(jì)；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(duì)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。%～%，%～%?？烧{(diào)整光滑研磨器結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖39。 換能器: 將超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲頻機(jī)械振動(dòng)。圖311 超聲振動(dòng)深孔研磨裝置實(shí)物圖 小結(jié) 根據(jù)深孔研磨和超聲振動(dòng)加工的特點(diǎn)確定了超聲振動(dòng)深孔研磨裝置的設(shè)計(jì)原則；在設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下，根據(jù)試驗(yàn)要求，對(duì)超聲振動(dòng)深孔研磨裝置聲振系統(tǒng)的各個(gè)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(jìn)行了選擇或設(shè)計(jì)；并將通過試驗(yàn)的方法得到了聲振系統(tǒng)的振動(dòng)特性，使研磨套霧化效果較好，與設(shè)計(jì)基本一致，滿足設(shè)計(jì)的基本原則；同時(shí)還對(duì)超聲振動(dòng)深孔研磨裝置的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足了以下要求:聲振系統(tǒng)的超聲振動(dòng)不會(huì)傳遞和擴(kuò)散到整個(gè)加工裝置上，研磨套可以良好地進(jìn)行超聲振動(dòng)；研磨套能在徑向均勻地漲縮，對(duì)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(yàn)中的超聲波發(fā)生器的頻率可調(diào)范圍窄，因此在試驗(yàn)過程中對(duì)于操作要求極為嚴(yán)格。對(duì)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(yàn)內(nèi)容超聲振動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)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(jì)算機(jī)。接下來對(duì)階梯形變幅桿進(jìn)行調(diào)試。接下來對(duì)錐形心軸進(jìn)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(shí)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(yàn)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(jì)算機(jī)相連，實(shí)驗(yàn)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(yàn)裝置 試驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)記錄 換能器的試驗(yàn) 首先對(duì)換能器進(jìn)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(dòng)，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(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)研究，使超聲波發(fā)生器輸出的振動(dòng)有效地通過各個(gè)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(shí)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(qiáng)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(duì)滑移。ROP=D2= mm由于前面是近似分析，實(shí)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(shí)，放大系數(shù)Mp達(dá)到最大。xσx+dx圖35 變截面桿的縱振動(dòng)(3―6)在簡諧振動(dòng)的情況下，x處t點(diǎn)時(shí)刻的質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)是較大的放大倍數(shù)下可能發(fā)生側(cè)振，影響總體振動(dòng)效果并給設(shè)計(jì)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(dòng)方向單一，抗沖擊性強(qiáng)，穩(wěn)定而耐用等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)圓盤、撓性桿一研磨條底座等組成。3 超聲振動(dòng)深孔研磨裝置的設(shè)計(jì)與研制 超聲振動(dòng)深孔研磨裝置的設(shè)計(jì)原則“工欲善其事，必先利其器”，為了研究超聲振動(dòng)深孔研磨機(jī)理及其表面加工質(zhì)量，超聲振動(dòng)深孔研磨裝置的設(shè)計(jì)與研制必然十分重要。V因此，在超聲振動(dòng)深孔研磨中，材料的去除率又有自身的特性。當(dāng)B點(diǎn)到達(dá)Bi時(shí)，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(yùn)動(dòng)速度方向。圖27 超聲振動(dòng)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(dòng)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(dòng)速度，mm/s； n —工件轉(zhuǎn)速，r/min； d —工件內(nèi)徑，mm； A —振動(dòng)振幅，mm； f —諧振頻率，Hz； t —時(shí)間，s。 式(21)是磨粒在無超聲振動(dòng)情況下的運(yùn)動(dòng)方程，那么，當(dāng)磨粒附加上軸向的超聲振動(dòng)后，其運(yùn)動(dòng)方程將發(fā)生變化。在建立超聲振動(dòng)研磨單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，將工件內(nèi)孔表面展開為平面，X指向磨粒運(yùn)動(dòng)方向，Y指向磨粒切深方向，Z指向研磨頭進(jìn)給方向，其運(yùn)動(dòng)模型如圖25所示。當(dāng)研具或工件附加上超聲振動(dòng)時(shí)，研具與工件之間的磨料將被動(dòng)產(chǎn)生高頻振動(dòng)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(duì)工件表面進(jìn)行研磨[14]。 (3) 具有較低的研磨運(yùn)動(dòng)速度，工件在運(yùn)動(dòng)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(duì)普通研磨和超聲振動(dòng)研磨的對(duì)比分析，建立超聲振動(dòng)深孔研磨磨粒運(yùn)動(dòng)模型并對(duì)超聲振動(dòng)研磨機(jī)理進(jìn)行研究，研究結(jié)果有助于揭示超聲振動(dòng)深孔研磨的材料去除機(jī)理。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。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(dòng)研磨加工過程中通過輔助振動(dòng)提高材料去除率的原因