【文章內(nèi)容簡介】 向（軸向）。當(dāng)油石未加軸向振動珩磨時，磨粒在工件表面的運動詭軌跡是大螺旋角的螺線，合成運動方向為螺線的切線。圖45 軸向振動磨?？涨邢魇疽鈭DA點為磨粒切削圓圓心，沿方向運動。當(dāng)施加軸向振動珩磨時，磨粒不僅沿方向運動，而且附加了正弦運動。圖中當(dāng)相位角為時，切削圓圓心在A處，過A點垂直與切削方向的切削圓直徑與該切削圓圓周上的兩個交點為B點和C點，與切線運動正方向同向的BC錐面為切削磨粒的前刀面。當(dāng)切削圓圓心沿正弦曲線從到相位時，其運動軌跡為正弦線，C點運動軌跡為外包絡(luò)弧線，B點運動軌跡為內(nèi)包絡(luò)弧線，內(nèi)包絡(luò)弧線與相位時的切削圓相交于點。由圖中運動軌跡分析可知，切削圓實際參加切削的錐面隨正弦曲線的方向而變化，不同于普通珩磨切削狀態(tài)。當(dāng)B到達(dá)點時，縱坐標(biāo)以下的面積在磨粒上走到相位角位置前的某瞬間內(nèi)已被切除了，因此在磨粒趨近相位角時，圖中陰影部分已無金屬可切除，即為空切削。同理，當(dāng)切削圓圓心A處于圖示位置時，在另一側(cè)同樣出現(xiàn)此空切削現(xiàn)象。軸向功率超聲加工的空切削引起了切削面積的變化，未空切削時，磨粒在垂直切削深度方向的投影面積為： （45）面積減小值為： （46）假定油石中有m個顆粒在與工件接觸，則有 （47）式中：——平均切削深度 ——工件屈服壓力 ——油石工件表面積 P——工件正壓力當(dāng)產(chǎn)生空切削時，由于切削深度方向的面積減小，則有 （48）由于工件正壓力不變，由式子47和48得，空切削的切削深度大于未空切削時的切削深度。因此，軸向超聲振動加工所出現(xiàn)的空切削現(xiàn)象，使實際切削深度增大，降低了工作壓力，降低了切削溫度，減少了工藝系統(tǒng)的變形。金屬切削過程包括金屬的彈性變形、塑性變形、金屬被切除。切削加工的切削性可用塑性變形后開始切削的最大殘余變形量t來度量，t越小切削性越好。由于功率超聲振動加工過程中，工件受高頻振動能量的沖擊，從而在被切削前有一個較大的預(yù)塑性變形，使切削時的最大殘余變形量t小于無振動切削時的t。因此，功率超聲加工易于消除由犁溝啃削等切削性不良造成的誤差。 磨粒性能分析以軸向功率超聲振動切削加工為例，分析油石的磨粒性能。按縱波傳播的波動方程可得油石離開其端面任意處x的位移u為： （49）應(yīng)變?yōu)椋? （410）式中： A——油石振動振幅 f——超聲波頻率 c——傳播速度； E——油石的彈性模量 ——油石密度一般情況下，有： （411）所以， （412）應(yīng)力為： （413）當(dāng)f=20KHz，A=5，x=5mm時，計算得其最大應(yīng)力。一般陶瓷或樹脂結(jié)合劑的靜破壞應(yīng)力約大于左右?？梢?，超聲振動附加給油石的動應(yīng)力接近其靜破壞應(yīng)力，使得磨粒的自礪性增強(qiáng)由于超聲波的高頻振動能量，使加工過程中磨屑堵塞氣孔的現(xiàn)象減輕乃至消除。利用式子413，對其乘上泊松比，就得到了垂直于加工面的油石的動應(yīng)力。 （414）當(dāng)為，取=，則為。大于大氣壓一個數(shù)量級，故加工時較易將磨屑排除，從而消除油石的氣孔堵塞現(xiàn)象。5 臥式功率超聲振動珩磨裝置的設(shè)計功率超聲振動珩磨裝置的作用是使油石產(chǎn)生超聲縱向振動，并達(dá)到一定的振幅，在機(jī)床不停機(jī)的情況下實現(xiàn)自動加壓，以完成珩磨加工。超聲波振動珩磨裝置由以下幾部分組成：超聲波發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、珩磨頭體及冷卻循環(huán)系統(tǒng)。而超聲振動系統(tǒng)主要由換能器、變幅桿（又稱振幅放大桿）、彎曲振動圓盤、撓性桿油石座振動子系統(tǒng)組成。功率超聲振動系統(tǒng)的工作原理是：超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻點振蕩通過超聲波換能器轉(zhuǎn)換為超聲頻縱向震動，變幅桿將換能器的超聲頻縱向振動放大后傳給彎曲振動圓盤，撓性桿將彎曲振動圓盤的彎曲振動變成縱向振動后傳給油石座，油石座帶動與其聯(lián)結(jié)在一起的油石進(jìn)行縱向振動。功率超聲振動珩磨原理圖如圖51所示：圖51 功率超聲振動珩磨原理圖 功率超聲振動各部分組成 超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器又稱為超聲頻率發(fā)生器、超聲振動發(fā)生器或超聲波電源，其作用是將50Hz的交變電變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l振蕩，提供給超聲振動系統(tǒng)使工具作往復(fù)振動的能源。超聲波發(fā)生器有電子管和晶體管兩種。由于晶體管發(fā)生器具有成本低、體積小、耗能少、開機(jī)時不需要預(yù)熱等優(yōu)點，因此本設(shè)計采用功率為200W、振動頻率為20kHz的晶體管超聲波發(fā)生器作為功率超聲源。超聲波發(fā)生器原理圖如下：振蕩器激振器功率放大器換能器電源 圖52 超聲波發(fā)生器原理框圖 超聲波換能器 超聲波換能器的作用是將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動。目前所使用的換能器主要有兩種：磁致伸縮換能器和壓電換能器。磁致伸縮換能器是利用某些鐵磁體在變化的磁場中所產(chǎn)生的磁致伸縮效應(yīng)而制成的。壓電換能器是利用某些電介質(zhì)的電致伸縮效應(yīng)（非鐵電型壓電晶體）和某些不具有對稱中心晶體的逆壓電效應(yīng)（鐵電型壓電陶瓷）。電致伸縮效應(yīng)是指某些電介質(zhì)材料在電場作用下，由于誘導(dǎo)極化的作用而引起尺寸大小顯著變化的效應(yīng)，即變形效應(yīng)，變形的大小與極化強(qiáng)度的平方成正比。壓電效應(yīng)是指一些不具有對稱中心的晶體，沿其某以方向施加機(jī)械作用力時，晶體就會由于發(fā)生形變而導(dǎo)致正負(fù)電荷重心不重合，也就是電矩發(fā)生了變化，晶體表面產(chǎn)生正負(fù)電荷，即呈現(xiàn)出電位，其電荷密度與外力成正比。反之，將一壓電晶體置于外電場中，在電場的作用下引起晶體內(nèi)部正負(fù)電荷重心的位移，這一極化位移又導(dǎo)致晶體發(fā)生形變，即逆壓電效應(yīng)。 磁致伸縮換能器的優(yōu)點是：在工件條件變化很大的情況下，切削力變動以及振動系統(tǒng)自身的一些變化對工具的振動形態(tài)影響比較小。此外由此組成的工具振動系統(tǒng)使用安全可靠，調(diào)整方便，容易掌握。但是磁致伸縮換能器電聲轉(zhuǎn)換效率低，一般只有30%左右，體積大，需要水循環(huán)冷卻。壓電換能器尺寸小，聲電轉(zhuǎn)換效率高，瞬時輸出功率大。因此本裝置采用壓電換能器。壓電換能器的核心部分是壓電材料。早期應(yīng)用的壓電材料是壓電單晶，首先是石英晶體，隨后是一系列人造水溶性晶體，如羅謝爾鹽、磷酸二氫氨等。除了石英晶體廣泛應(yīng)用以外，其他材料實際中已不常應(yīng)用。石英晶體的壓電性能是在1880年被發(fā)現(xiàn)的，它具有性能穩(wěn)定的優(yōu)點。在200℃以下時，石英晶體的壓電效應(yīng)幾乎與溫度無關(guān)。在通常情況下，石英晶體的性能隨時間幾乎沒有變化。石英晶體不溶于水，便于切割、研磨和拋光加工，機(jī)械損耗小，機(jī)械品質(zhì)因素高，被廣泛用來制作標(biāo)準(zhǔn)頻率控制的振子級高選擇性的濾波器。人工壓電材料包括壓電陶瓷、壓電高聚物和壓電復(fù)合材料等，這其中以壓電陶瓷最為常用。壓電陶瓷比任何單晶體材料更具有多方面的適應(yīng)性，它能夠施加或承受很大的應(yīng)力，具有優(yōu)異的壓電性能，并且不受潮濕和其他大氣條件的影響，比一般人造晶體好的多。壓電陶瓷制作方便，幾乎可以作成任何需要的形狀和大小，而且可以自由選擇極化方向。壓電陶瓷可以通過改變其化學(xué)成分及添加雜質(zhì)來改變性能，以適應(yīng)不同的用途目前在當(dāng)今的壓電換能器中多采用夾心式的制作方法。這種加預(yù)應(yīng)力的夾心換能器具有以下優(yōu)點：（1）壓電陶瓷元件都具有抗壓強(qiáng)度高、抗張強(qiáng)度低的特點，中心螺栓給予預(yù)應(yīng)力，一方面能在強(qiáng)度發(fā)生變化時增強(qiáng)換能器的穩(wěn)定性；另一方面確保在大功率條件下處于壓縮狀態(tài)，從而避免陶瓷膨脹而造成破裂。（2）因為中間的激勵元件是由一組電極接在兩端面的軸向極化圓環(huán)組成，從而能運用最大的有效機(jī)電耦合系數(shù)k，這樣激勵電源的激勵電壓不需要太高。（3）壓電圓環(huán)的數(shù)目及連接方式都有選擇余地，從而能在較寬的頻率范圍內(nèi)設(shè)計換能器。因此本課題要求的臥式功率超聲振動珩磨裝置采用夾心式壓電換能器。夾心式壓電換能器的結(jié)構(gòu)由鋼質(zhì)反射罩、鋁合金聲頭和鋯鈦酸鉛