【正文】 下，人們不斷地研究和探索新的加工工藝和制造技術(shù)。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。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。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(duì)比試驗(yàn)研究。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(guò)一定值之后殘余應(yīng)力的增加變得緩慢。通過(guò)對(duì)超聲振動(dòng)深孔研磨的研究，了解了超聲振動(dòng)研磨的原理，對(duì)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(shí)，通過(guò)對(duì)聲振系統(tǒng)和整個(gè)研磨裝置的試驗(yàn)和調(diào)試，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作特性和振動(dòng)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)。因此，研磨設(shè)備簡(jiǎn)單。目前由于受換能器的限制，使用較多的是軸向超聲振動(dòng)形式。然而當(dāng)磨粒附加上超聲振動(dòng)后，不但運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生變化，而且由于磨粒的超聲振動(dòng)，其瞬時(shí)速度也變得較為復(fù)雜。切至90176。2a (4) 超聲振動(dòng)深孔研磨裝置在使用過(guò)程中，由于負(fù)載發(fā)生變化其固有頻率也隨之發(fā)生變化，因此，為了使聲振系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，所選用的超聲波發(fā)生器應(yīng)當(dāng)具有頻率自動(dòng)跟蹤功能。其基本參數(shù)為:交流電源；額定電壓：220V；工作頻率：50Hz；輸出功率：600W；輸出頻率：24kHz士1kHz。階梯型圓錐型指數(shù)型懸鏈型傅立葉型12SMS= 目前，常用的超聲變幅桿的類型及其放大系數(shù)如圖35所示：圖35 超聲變幅桿的類型及其放大系數(shù)不同類型的超聲變幅桿有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)，在圖35所示的超聲變幅桿的類型中，圓錐形變幅桿具有制造容易，輸出功率大，工作頻率穩(wěn)定性好，有足夠的剛度等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)時(shí)間工作換能器發(fā)熱后仍能處于共振狀態(tài)，但圓錐形變幅桿在N相同時(shí)，放大倍數(shù)較小，半波共振長(zhǎng)度最大。因此，質(zhì)點(diǎn)位移為 ξa=ξ1cosK（x+ a） ξb=ξ1 jZLZ02sinKb xcosK（bx） (3―13)1. 位移節(jié)點(diǎn)x0沒(méi)有負(fù)載即ZL=0時(shí)，令ξb=0得x0= bλ4當(dāng)b=a=λ/4時(shí)，x0=0，即在中心位置。(3) 放大系數(shù)MP Mp=N2=22=4(4) 最佳過(guò)度圓弧ROP① 分別計(jì)算出變幅桿的長(zhǎng)徑比α=D1//l及面積系數(shù)N。 對(duì)研磨工具的技術(shù)要求根據(jù)工件的表面幾何形狀不同，所使用的研磨工具有各種各樣的幾何形狀。因而，在精磨研磨中常選用含磷量較高的鑄鐵作為研磨工具。 1一套筒；2一換能器；3一階梯形變幅桿；4一內(nèi)六角圓柱頭螺釘；5一錐形心軸；6一研磨套； 7一擋板； 8一平墊圈；9一調(diào)節(jié)螺母圖310 超聲振動(dòng)深孔研磨裝置結(jié)構(gòu)圖超聲振動(dòng)深孔研磨裝置各組成部分的功能如下: 套筒:保護(hù)換能器，將整個(gè)研磨裝置與鉆桿相連接。b. 試驗(yàn)方法 在超聲振動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)中，我們主要采用力電類比方法，所謂力電類比方法就是將作用在振動(dòng)系統(tǒng)兩端的力、振速、力阻抗分別類比于電壓、電流、電阻抗，則振動(dòng)系統(tǒng)和電路之間就有等效關(guān)系，這種方法計(jì)算量小，簡(jiǎn)單而快捷，測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確。 當(dāng)通過(guò)阻抗分析儀測(cè)得試件在所要求的頻率范圍內(nèi)有諧振點(diǎn)時(shí)，通過(guò)與換能器的連接，然后將之與超聲波發(fā)生器連接，若整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到共振時(shí)，將試件一端接近水面時(shí)，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的水珠零化現(xiàn)象。與超聲波發(fā)生器相匹配，可以進(jìn)行超聲振動(dòng)試驗(yàn)，觀察振動(dòng)效果。與超聲波發(fā)生器相匹配，可以進(jìn)行超聲振動(dòng)試驗(yàn)，在進(jìn)行調(diào)試后，可以進(jìn)行研磨試驗(yàn)。通過(guò)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(guò)串口與計(jì)算機(jī)相連,實(shí)驗(yàn)裝置如圖46所示。在導(dǎo)納圓圖中，B為導(dǎo)納虛部，G為導(dǎo)納的實(shí)部，導(dǎo)納的單位為ms(毫西門子)。由于現(xiàn)有超聲波發(fā)生器的工作頻率為24177。圖39 研磨套實(shí)物圖在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，錐形心軸也設(shè)計(jì)成1:30的錐度，長(zhǎng)度與研磨套一樣，大端直徑為44mm，小端直徑為40mm。 鑄鐵的良好的嵌沙性能是由其金相組織決定的。因此變幅桿與換能器和研磨工具采用螺紋連接是合理的，這樣連接結(jié)構(gòu)可靠，傳聲效果佳，能量損失小。但是，由于階梯型變幅桿的變化是躍變的，存在應(yīng)力集中，所以實(shí)際φ＜1。由式(36)得(3―7)由式(35)和(37)可得(3―8)將代入式(38)中可得 (3―9)式中 k — 圓波數(shù)，(為圓頻率，為縱波在細(xì)棒中的傳播速度)。要使換能器阻抗呈純阻性，則應(yīng)有ZAB的虛部等于零，即 (3―2)該方程的解為： (3―3)舍去=0和的負(fù)根，即得輸出回路的固有頻率為 (3―4) 超聲變幅桿的設(shè)計(jì) 超聲變幅桿的選用超聲變幅桿又叫超聲變速桿或超聲聚能器，其外形通常為變截面桿，是超聲加工處理設(shè)備中聲振系統(tǒng)的重要組成部件之一[30][31]。為了使超聲波發(fā)生器和換能器相匹配，超聲波發(fā)生器效率最高，超聲變幅桿振幅最大，超聲波發(fā)生器應(yīng)滿足以下要求:輸出功率應(yīng)達(dá)到技術(shù)指標(biāo)；頻率穩(wěn)定，并能在所需范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；超聲波發(fā)生器的輸出阻抗應(yīng)與換能器阻抗相匹配。根據(jù)深孔研磨及超聲振動(dòng)加工的特點(diǎn)，超聲振動(dòng)深孔研磨裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足以下要求: (1) 超聲振動(dòng)深孔研磨裝置能夠與車床改裝的深孔研磨機(jī)床配合使用，將其安裝在鉆桿上實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的超聲振動(dòng)加工。試驗(yàn)結(jié)果表明，附加超聲振動(dòng)后，材料去除率明顯提高，超聲振動(dòng)研磨具有高效的材料去除特性。磨粒未加超聲振動(dòng)時(shí)，磨粒在工件表面的運(yùn)動(dòng)軌跡是大螺旋角的螺線，合成運(yùn)動(dòng)方向ve為螺線的切線方向，當(dāng)施加軸向振動(dòng)超聲研磨時(shí)，磨粒不僅沿ve方向運(yùn)動(dòng)，而且還附加了一正弦超聲振動(dòng)。當(dāng)磨粒附加上軸向的超聲振動(dòng)后，其運(yùn)動(dòng)方程為: (2―2)式中 A—振動(dòng)振幅，μm； f —諧振頻率，Hz。超聲振動(dòng)研磨的基本原理是在不改變普通研磨加工中研磨頭基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再浮動(dòng)連接上一個(gè)超聲振動(dòng)研磨的聲振系統(tǒng)，使研磨條附加上一個(gè)超聲振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)研磨條帶動(dòng)磨粒對(duì)工件進(jìn)行脈沖研磨，基本原理圖如圖23所示。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(dòng)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。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(lái)，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。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上總結(jié)了振動(dòng)研磨的加工特性，并建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。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，并使工件加工表面形成新的變質(zhì)層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面進(jìn)行研磨[14]，其原理圖如圖11所示。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。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。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。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。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]。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。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。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。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]。 (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。 (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。 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的位置時(shí)，圖中陰影部分己無(wú)材料可切除，形成空切削。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。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)。因此，在此研究中，根據(jù)現(xiàn)有條件，選用壓電式換能器，其實(shí)物圖如圖33所示。一般情況下，在選用超聲變幅桿的類型時(shí)應(yīng)從三個(gè)方面來(lái)考慮：一是設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，容易獲得較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；二是要注意制造的難易程度；三是要根據(jù)振動(dòng)加工的具體要求，特別是放大倍數(shù)、工作穩(wěn)定性、切削用量等來(lái)選擇合適的變幅桿。sinKb1N2cosKb因?yàn)槁菁y連接具有以下特點(diǎn)：(1) 螺紋擰緊時(shí)能產(chǎn)生很大的軸向力；超聲波在換能器變幅桿研磨工具里都是沿軸向傳播，軸向應(yīng)力最大，軸向的連接必須緊固。由于鑄鐵的耐磨性好，成本低，所以選鑄鐵為研磨工具的材料。由于振動(dòng)波形在研磨工具里傳播長(zhǎng)度大于λ/2，研磨工具長(zhǎng)度取120mm。擋板：調(diào)節(jié)研磨套移動(dòng)，使研磨套均勻移動(dòng)。這樣就將我們要測(cè)量的機(jī)械振動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷膮?shù)，通過(guò)阻抗分析儀可以較為精確的分析出其主要參數(shù)，為設(shè)計(jì)振動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)了方便。經(jīng)過(guò)阻抗分析儀對(duì)電訊號(hào)的處理后，直接可以測(cè)定換能器的諧振頻率來(lái)。經(jīng)過(guò)阻抗分析儀對(duì)電訊號(hào)的處理后，直接可以測(cè)定振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率來(lái)。諧振頻率與變幅桿和換能器相差較大，且與超聲波發(fā)生器頻率不匹配，需進(jìn)行調(diào)試。圖45 換能器導(dǎo)納極坐標(biāo)圖由阻抗分析儀測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果可知。50ppm；(4) 相位分辨率：(－180度～＋180度)；(5) 阻抗范圍：1Ω～100kΩ；(6) 頻率步進(jìn)：～任意。調(diào)節(jié)螺母:移動(dòng)螺母使研磨套均勻移動(dòng)。的錐角。在連續(xù)使用中應(yīng)具有熱變形小尺寸穩(wěn)定的性能。(3) 外形尺寸??；本實(shí)驗(yàn)裝置是用于深孔加工，整套研磨裝置通過(guò)與鉆桿連接，進(jìn)行研磨，尺寸要求嚴(yán)格。cosKb1N2cosKb傳統(tǒng)的超聲變幅桿的設(shè)計(jì)方法是從縱向振動(dòng)變截面桿的波動(dòng)方程出發(fā)，建立其動(dòng)力學(xué)微分方程，根據(jù)實(shí)際邊界條件求出其定解，從而求出各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，如諧振長(zhǎng)度、放大系數(shù)等。圖33 壓電式換能器實(shí)物圖超聲波發(fā)生器和換能器的匹配包括兩方面的內(nèi)容:一是超聲波發(fā)生器的輸出阻抗與換能器的動(dòng)態(tài)阻抗一致；二是在額定輸入電功率條件下，換能器輸出的聲功率最大。如圖31所示，超聲波發(fā)生器主要由電源、振蕩級(jí)、放大級(jí)和功率級(jí)組成。 小結(jié)本章在超聲振動(dòng)深孔研磨裝置研制的基礎(chǔ)上，通過(guò)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。S1=12mδsap12tan2α (2―8)空切削時(shí)，由于背吃刀量方向的面積減少，ap2為空切削時(shí)的平均背吃刀量，則有：P同砂輪一樣，在研磨過(guò)程中，大多數(shù)磨粒的法向前角為負(fù)值，由于附加的軸向超聲振動(dòng)，負(fù)的法向前角將會(huì)增大，甚至向正的法向前角轉(zhuǎn)化，因此，使磨粒切削刃變得更加鋒利，有利于對(duì)工件的研磨。同時(shí)從圖25 (b)還可以看出，在施加軸向振動(dòng)時(shí)，盡管磨粒與工件表面沒(méi)有脫離，但由于磨粒附加了軸向振動(dòng)，使磨粒在大部分時(shí)間內(nèi)與工件材料只有前面和一個(gè)側(cè)面接觸，接觸面的減少將會(huì)導(dǎo)致摩擦力比普通磨削大大減少。 然而，在研究中發(fā)現(xiàn)研具在加工過(guò)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(guò)程中容易產(chǎn)生顫振現(xiàn)象，對(duì)研