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超聲振動(dòng)深孔研磨技術(shù)研究論文-文庫吧資料

2025-07-01 11:59本頁面
  

【正文】 單顆磨粒一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)去除材料體積V為:V=12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(dòng)后,磨粒又會(huì)產(chǎn)生一種沖擊去除作用,并且由于各磨粒的振動(dòng)特性并不完全相同,很難在理論上建立超聲振動(dòng)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(dòng)情況下的材料去除過程,并完成對(duì)材料去除率的理論分析。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。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。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的位置時(shí),圖中陰影部分己無材料可切除,形成空切削。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。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。當(dāng)切削圓圓心沿正弦曲線從0176。當(dāng)相位角為0176。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。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。同砂輪一樣,在研磨過程中,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。 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??醋饕话训毒?,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。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。 在普通研磨中,研磨頭相對(duì)于工件的速度主要由兩部分組成,一個(gè)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(duì)于研磨頭的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生;另一個(gè)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(jìn)給速度則較小,因此va相對(duì)于vt較小,基本可以忽略不計(jì)。 由式(22)可以看出,磨粒相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡是螺旋狀曲線。 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。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)。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。 (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。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。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。 超聲振動(dòng)深孔研磨的機(jī)理分析 單顆磨粒運(yùn)動(dòng)模型在超聲振動(dòng)研磨中,研磨工具按其振動(dòng)方向分類有三種形式:軸向振動(dòng)、徑向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。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(dòng)波形圖23 超聲振動(dòng)深孔研磨原理圖 在超聲振動(dòng)深孔研磨過程中,超聲波發(fā)生器1輸出的超聲頻電信號(hào)通過換能器2轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)信號(hào),再通過變幅桿3將換能器2輸出的超聲頻軸向振動(dòng)放大后傳給錐形心軸4,錐形心軸4帶動(dòng)在研磨套5中的磨粒以預(yù)定的頻率軸向振動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的超聲振動(dòng)研磨。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]??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。 然而,在研究中發(fā)現(xiàn)研具在加工過程中極易堵塞,并且由于研具與工件之間的接觸面積較大,研磨加工過程中容易產(chǎn)生顫振現(xiàn)象,對(duì)研磨效率和研磨質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 (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。 (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。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。 (a)游離磨粒破碎磨圓階段 (b)均勻研磨、塑變階段 (c)堵塞、化學(xué)研磨階段圖22 研磨過程示意圖 研磨加工具有以下特點(diǎn): (1) 研磨是一種“直接創(chuàng)造性加工”工藝方法,即用精度較低的加工設(shè)備加工出高精度的工件。(3) 研具被堵塞、活性研磨劑的化學(xué)作用階段。 (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。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。 (a)磨粒做滾動(dòng)或滑動(dòng) (b)磨粒被壓嵌在研具上圖21 普通研磨示意圖研磨過程中,在研磨壓力的作用下,眾多的磨料磨粒進(jìn)行微量切削,同時(shí)研磨表面發(fā)生微小起伏的塑性流動(dòng),并且被加入的諸如硬脂酸、油酸、脂肪酸等活性物質(zhì)與研磨表面起化學(xué)作用,隨著研磨加工的進(jìn)行,研具與工件表面更趨貼近,其間充滿了微屑與破碎磨料的碎渣,堵塞了研具表面,對(duì)工件表面起著滑擦的作用。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]。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。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。聲振系統(tǒng)振動(dòng)需采用全諧振方式進(jìn)行,通過試驗(yàn)對(duì)聲振系統(tǒng)的尺寸做出修正,使振動(dòng)系統(tǒng)的能量損失小,振動(dòng)效果達(dá)到最佳,滿足超聲振動(dòng)研磨加工的需求。 (3) 超聲振動(dòng)深孔研磨的聲振系統(tǒng)主要由換能器、變幅桿、錐形心軸、研磨套四個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)組成的。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。(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)。 設(shè)計(jì)思路本文選擇深孔研磨為研究對(duì)象,通過分析普通研磨與超聲振動(dòng)研磨的不同特點(diǎn),研究了超聲振動(dòng)研磨機(jī)理及材料去除率理論分析,設(shè)計(jì)聲振系統(tǒng)及研磨工具,并對(duì)整個(gè)深孔研磨裝置進(jìn)行了調(diào)試和試驗(yàn),主要從以下幾方面開展研究工作: (1) 在普通研磨和超聲振動(dòng)研磨兩種加工方法比較的基礎(chǔ)上,建立超聲振動(dòng)研磨單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)模型,對(duì)超聲振動(dòng)深孔研磨的加工機(jī)理進(jìn)行研究。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。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。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。同濟(jì)大學(xué)的薛進(jìn)學(xué)等采用固著磨料超聲外圓研磨裝置在精密車床上,對(duì)ZrOAl2O3和納米ZrO2增韌 Al2O3(ZTA)三種陶瓷材料,在不同的磨粒尺寸、研磨壓力、研磨速度下的表面殘余應(yīng)力進(jìn)行了試驗(yàn)研究[24]。通過分析和討論,結(jié)果表明:受振動(dòng)頻率、振幅和磨粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響,輔助振動(dòng)能夠增大磨粒切削軌跡長度、切削速度和材料去除率。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[23]。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。 圖12 超聲研齒原理圖國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的翁雷、鄭子文、李圣怡給出了超聲研磨工具的結(jié)構(gòu),在無法用解析法確定工具結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下,采用大型有限元軟件ANSYS仿真其實(shí)際工況,對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的工具進(jìn)行模態(tài)分析,找到其縱振頻率與工作頻率接近的一組參數(shù)作為有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)的初始設(shè)計(jì)序列,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)得到最優(yōu)解[21]。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。河南科技大學(xué)的宋艷麗、魏冰陽、鄧效忠介紹了超聲研齒的原理(如圖12所示)與方法,對(duì)超聲研齒振動(dòng)子系統(tǒng)進(jìn)行了研究與分析[20]。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。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的潘洪平、梁迎春等提出超聲振動(dòng)研拋法[16],通過對(duì)氮化硅陶瓷球進(jìn)行超聲振動(dòng)研磨試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:超聲振動(dòng)研拋與傳統(tǒng)的研磨相比,加工效率可提高2~3倍,并據(jù)此提出了M點(diǎn)研磨法與N點(diǎn)研磨法。 圖11 超聲振動(dòng)研磨原理圖 考慮到超聲振動(dòng)加工技術(shù)在研磨加工方面的優(yōu)勢,國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)超聲振動(dòng)研磨技術(shù)做了大量和深入的研究,己取得了一定的研究成果。超聲振動(dòng)研磨是利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻電振蕩,通過換能器將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換為機(jī)械振蕩,再通過變幅桿將機(jī)械振蕩振幅進(jìn)行擴(kuò)大,用合適的連接桿將變幅桿與研具或工件連接起來,從而使研具或工件也產(chǎn)生高頻振動(dòng)。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。重慶大學(xué)的許慶順等人通過對(duì)超聲波振動(dòng)精密砂帶磨削與普通砂帶磨削不銹鋼的對(duì)比試驗(yàn)[13],弄清了超聲波振動(dòng)在砂帶磨削過程中的作用,證明了超聲波振動(dòng)精密砂帶磨削是加工不銹鋼等難加工材料的一種有效方法。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。上海交通大學(xué)、中北大學(xué)的吳雁,孫愛國,趙波,朱訓(xùn)生等人采用了如圖11所示的超聲振動(dòng)磨削裝置對(duì)陶瓷材料進(jìn)行了超聲振動(dòng)磨削的機(jī)理分析和試驗(yàn)研究[10],研究結(jié)果表明:超聲振動(dòng)磨削的磨削力比普通磨削小20%~30%,~,在增大材料去除率的同時(shí)還可以獲得良好的加工表面。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。該磨削裝置工具頭旋轉(zhuǎn)精度由內(nèi)圓磨床主軸精度保證,結(jié)構(gòu)比專用超聲波磨床的主軸系統(tǒng)要簡單得多,因此成本低廉,適合在生產(chǎn)中應(yīng)用。西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種可以在內(nèi)圓磨床上加工硬脆材料的超聲振動(dòng)磨削裝置[8]。20世紀(jì)末到本世紀(jì)初的十幾年時(shí)間,我國的超聲振動(dòng)加工技術(shù)發(fā)展迅速,在超聲振動(dòng)系統(tǒng)、深小孔加工、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究,尤其是在金剛石、陶瓷、玻璃和燒結(jié)永磁體等難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性問題,取得了良好的效果。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。美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)還第一次分析了Al2O3陶瓷精密超聲加工的機(jī)理、過程動(dòng)力學(xué)以及發(fā)展趨勢,并詳細(xì)討論了超聲技術(shù)在陶瓷加工方面的應(yīng)用情況。美國內(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]。將金剛石中心鉆的超聲振動(dòng)與工件的低頻振動(dòng)相結(jié)合,制造了一臺(tái)組合振動(dòng)鉆孔設(shè)備,該設(shè)備可以檢測鉆孔力的變化及鉆孔精度和孔的表面質(zhì)量,并用該組合設(shè)備在不同的振動(dòng)條件下進(jìn)行了一系列試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:將金剛石中心鉆的超聲振動(dòng)與工件的低頻振動(dòng)相結(jié)合是加工硬脆材料的一種有效方法。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]。超聲振動(dòng)加工由于其所產(chǎn)生的特殊的加工工藝效果而受到日本、英國、美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的普遍重視,國內(nèi)外許多專
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