【文章內(nèi)容簡介】 。超聲振動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，再浮動連接上一個超聲振動研磨的聲振系統(tǒng)，使研磨條附加上一個超聲振動，從而實現(xiàn)研磨條帶動磨粒對工件進行脈沖研磨，基本原理圖如圖23所示。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； 6一振動波形圖23 超聲振動深孔研磨原理圖 在超聲振動深孔研磨過程中，超聲波發(fā)生器1輸出的超聲頻電信號通過換能器2轉(zhuǎn)化為機械振動信號，再通過變幅桿3將換能器2輸出的超聲頻軸向振動放大后傳給錐形心軸4，錐形心軸4帶動在研磨套5中的磨粒以預(yù)定的頻率軸向振動，從而實現(xiàn)對工件的超聲振動研磨。與普通研磨相比，超聲振動研磨由于附加了超聲振動，使得工件在研磨過程中的研磨機理發(fā)生了變化，因此，有必要對超聲振動深孔研磨機理進行研究。 超聲振動深孔研磨的機理分析 單顆磨粒運動模型在超聲振動研磨中，研磨工具按其振動方向分類有三種形式:軸向振動、徑向振動和扭轉(zhuǎn)振動。目前由于受換能器的限制，使用較多的是軸向超聲振動形式。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24 超聲振動研磨軸向振動示意圖 因此，在分析超聲振動研磨磨粒運動模型時，則建立以軸向振動為主的磨粒運動模型。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。(a) 無超聲振動 (b) 軸向超聲振動圖25 單顆磨粒運動模型由圖25可以看出，在附加超聲振動以后，單顆磨粒的運動模型與無振動時運動模型完全不同，主要表現(xiàn)在以下幾方面: (1) 從圖25 (a)可以看出，無超聲振動時，單顆磨粒的運動軌跡是直線連續(xù)型的，磨粒的切入深度d保持不變。 (2) 從圖25 (b)可以看出，在附加軸向超聲振動以后，磨粒的切入深度d保持不變，但是磨粒的運動軌跡為平行于工件內(nèi)表面的正弦曲線。其運動特點如文獻[26]在描述軸向超聲振動珩磨時所論述那樣，軸向施振加工中，磨粒不脫離工件表面，與工件表面屬于永久性接觸，磨粒的運動是一個背吃刀量始終不變的正弦曲線，當(dāng)磨粒運動速度相對于振動頻率在一定范圍內(nèi)時，磨屑的長度將被大大截短，呈現(xiàn)比普通磨削和軸向振動磨削更短的磨屑，溝槽底部和兩邊緣也將出現(xiàn)明顯的刻劃。同時從圖25 (b)還可以看出，在施加軸向振動時，盡管磨粒與工件表面沒有脫離，但由于磨粒附加了軸向振動，使磨粒在大部分時間內(nèi)與工件材料只有前面和一個側(cè)面接觸，接觸面的減少將會導(dǎo)致摩擦力比普通磨削大大減少。 單顆磨粒切削運動分析圖25只是就單顆磨粒相對于工件的運動特性進行了分析，為了更好地獲得超聲振動研磨中磨粒的運動軌跡特征，如圖26所示，在工件上建立固定的正交坐標系ΣO , X軸和Y軸位于工件端面內(nèi)，Z軸指向工件軸線。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。當(dāng)研磨時間t后，磨粒從A0點運動到A點，根據(jù)圖中幾何關(guān)系，可以得到磨粒在A點的坐標: (2―1) 式中 x﹑y﹑z —A點的坐標值； R —磨粒的回轉(zhuǎn)半徑，mm； θ —磨粒相對工件轉(zhuǎn)過的角度，rad； ωL—磨粒相對工件的旋轉(zhuǎn)角速度，rad∕s； vL —研磨頭進給速度，mm/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。當(dāng)磨粒附加上軸向的超聲振動后，其運動方程為: (2―2)式中 A—振動振幅，μm； f —諧振頻率，Hz。 由式(22)可以看出，磨粒相對于工件的運動軌跡是螺旋狀曲線。在得到磨粒的運動軌跡后，接下來將對磨粒的研磨速度進行分析。 在普通研磨中，研磨頭相對于工件的速度主要由兩部分組成，一個是沿工件孔壁的切線方向上的研磨速度分量vt，由工件相對于研磨頭的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生；另一個是沿工件軸線方向上的研磨速度分量va，由研磨頭沿工件軸線的進給運動產(chǎn)生，其合成速度ve為:ve=vt2+va2 (2―3) 一般情況下，在研磨過程中工件的旋轉(zhuǎn)速度較大，而研磨頭的進給速度則較小，因此va相對于vt較小，基本可以忽略不計。然而當(dāng)磨粒附加上超聲振動后，不但運動軌跡會發(fā)生變化，而且由于磨粒的超聲振動，其瞬時速度也變得較為復(fù)雜。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。軸向振動磨粒的運動是在普通螺旋運動的基礎(chǔ)上附加了超聲振動，其合成速度示意圖如圖27所示。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。 因此，由于超聲振動的附加使磨粒的運動速度的大小和方向發(fā)生了改變，這種改變將影響到磨粒的切削性能。 軸向振動磨削時，磨粒的運動為圖27所示為的正弦曲線，為了簡化分析將其近似成為三角波，如圖28所示，磨粒切削刃前進方向為: (2―5)圖28 軸向振動磨粒的運動示意圖 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?？醋饕话训毒?，那么在實際切削時，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+cos2βsinγn (2―6)因此，當(dāng)磨粒附加軸向超聲振動時，切削刃法向前角由增大為，并且切削速度(工件旋轉(zhuǎn)速度)越低，超聲振動的振幅和頻率越高，法向前角的增量也越大。同砂輪一樣，在研磨過程中，大多數(shù)磨粒的法向前角為負值，由于附加的軸向超聲振動，負的法向前角將會增大，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，有利于對工件的研磨。 圖29 軸向振動磨粒切削刃前角變化示意圖 單顆磨粒切削用量分析根據(jù)單顆磨粒的運動模型及切削運動分析可知，在附加超聲振動后，磨粒呈正弦曲線運動，因此磨粒對工件材料的切削量也將呈正弦變化，但是由于磨粒不是一個質(zhì)點，在實際切削過程中，一定條件下，磨粒對工件的切削軌跡會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，或者稱為磨粒的空切削現(xiàn)象，如圖210所示。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。 圖210 磨粒軸向振動時空切削示意圖假設(shè)磨粒是半角為α的圓錐體(實際為棱錐體)，在研磨壓力的作用下磨粒切深為δ,則磨粒的切削圓半徑a=δtanα,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。磨粒未加超聲振動時，磨粒在工件表面的運動軌跡是大螺旋角的螺線，合成運動方向ve為螺線的切線方向，當(dāng)施加軸向振動超聲研磨時，磨粒不僅沿ve方向運動，而且還附加了一正弦超聲振動。當(dāng)相位角為0176。時，切削圓圓心在O，過O垂直于正弦方向的切削圓直徑與該切削圓圓周上的兩個交點為A和B點，與切線運動正方向同向的AB錐面為切削磨粒的前刀面。當(dāng)切削圓圓心沿正弦曲線從0176。切至90176。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。相位時的切削圓相交于Bi點。當(dāng)B點到達Bi時，縱坐標Y(Bi)以下的面積在磨料走到位角90176。位置前的某瞬間內(nèi)已被切除了，因此在磨粒趨近相位角90176。的位置時，圖中陰影部分己無材料可切除，形成空切削。磨粒軸向振動的空切削引起了切削面積的變化，如圖211所示，未產(chǎn)生空切削時，磨粒在垂直背吃刀量方向的投影面積(圖中切削圓半圓面積)Sd為: Sd=12πa2 +12πδ2tan2α (2―7)面積減少量Sk為： Sk =Y(Bi)dx 圖211 軸向振動磨粒切削面積變化示意圖假定研磨條上有m個磨粒與工件接觸，ap1為平均背吃刀量，δs為工件材料的屈服應(yīng)力，S1為研磨條工作表面積，P為工件正壓力，則有: PS1=12mδsap12tan2α (2―8)空切削時，由于背吃刀量方向的面積減少，ap2為空切削時的平均背吃刀量，則有：PS1=(12map2tan2αsk)δs (2―9)由于工件正壓力在工件研磨過程中不變，比較式(28)和式(29)可知，空切削時的背吃刀量ap2大于未產(chǎn)生空切削時的背吃刀量ap1。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。 單顆磨粒材料去除率理論分析在超聲振動深孔研磨過程中，由于研磨條附加了超聲振動，磨粒的運動方式發(fā)生改變，磨粒的運動速度大小和方向也與普通研磨有所不同。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。試驗結(jié)果表明，附加超聲振動后，材料去除率明顯提高，超聲振動研磨具有高效的材料去除特性。在普通研磨過程中，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后，磨粒又會產(chǎn)生一種沖擊去除作用，并且由于各磨粒的振動特性并不完全相同，很難在理論上建立超聲振動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程簡化為單顆磨粒附加軸向超聲振動情況下的材料去除過程，并完成對材料去除率的理論分析。在超聲振動研磨過程中，由于附加了軸向超聲振動，磨粒在研磨過程中要承受兩個力的作用，即法向研磨力Pn和切向研磨力Pt，根據(jù)振動合成速度公式(24)，可以得到磨粒運動在振動周期內(nèi)最大運動速度Vm為:Vm= Vt2+ ((Vf+Va)2 = ( ndπ60)2+(Va+2πAf)2 (2―10)在四分之一振動周期內(nèi)，根據(jù)動量定理，可以求得磨粒對工件的平均沖擊力Pta為: (2―11)在超聲振動研磨過程中，由于磨粒前方的材料在平均沖擊力Pta的沖擊作用下，瞬間集中大量能量，會形成大量微小的橫向裂紋，對材料的微小剝離起很大作用，同時由于磨粒運動速度相當(dāng)快，這些微裂紋還沒來得及擴展就被磨削掉了，對研磨表面 質(zhì)量不會產(chǎn)生太大的影響。根據(jù)磨粒運動軌跡特征，一個振動周期內(nèi)單顆磨粒運動路徑長度La為: (2―12)單顆磨粒一個振動周期內(nèi)去除材料體積V為:V=122aδLa=δ2tanα0T ( ndπ60)2+(Va+2πAfcos2πft)2dt (2―13) 考慮到磨粒軸向振動時可能產(chǎn)生空切削現(xiàn)象，設(shè)K為空切削系數(shù)，則單顆磨粒材料去除率MRR為:MRR=KVf=Kfδ2tanα0T ( ndπ60)2+(Va+2πAfcos2πft)2dt (2―14)由以上分析可知，由于附加了軸向超聲振動，磨粒運動軌跡增大，材料去除率得到增大，并且振動頻率越高，振幅越大，材料的去除率也越大。然而，由于式(214)所建立的材料去除率模型僅考慮到單個磨粒的振動，在實際研磨中，各磨粒之間的相互作用會對材料去除量產(chǎn)生較大的影響，并且由于各磨粒振動特性并不完全相同，準確獲取整個研磨過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。磨粒附加超聲振動后，在一定條件下會引起空切削現(xiàn)象，因此在其它條件不變的情況下，可以獲得更大的背吃刀量，提高了材料去除率，但是由于超聲振動研磨材料去除率與工件旋轉(zhuǎn)速度n有著直接的影響，根據(jù)空切削的理論，過高的旋轉(zhuǎn)速度，會削弱磨粒的空切削現(xiàn)象，在一定程度上會制約材料去除率的提高。 小結(jié)本章在超聲振動深孔研磨裝置研制的基礎(chǔ)上，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。(1) 在對比分析普通研磨和超聲振動研磨的基礎(chǔ)上，對超聲振動深孔研磨磨粒運動特性進行分析，建立了無超聲振動和附加軸向超聲振動兩種模式下的單顆磨粒運動模型。(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。(3) 理論研究表明，將超聲振動引入普通深孔研磨中，能夠很明顯地提高加工效率，具有較高的應(yīng)用價值。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