超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)的現(xiàn)狀與新進(jìn)展

梁志強(qiáng)，王西彬，吳勇波，栗勇，趙文祥，龐思勤

(1.北京理工大學(xué) 先進(jìn)加工技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京100081;2.秋田県立大學(xué) 系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)學(xué)部，秋田290014，日本)

隨著科技的發(fā)展對(duì)硬脆性材料、難加工材料和新型先進(jìn)材料的需求日益增多，對(duì)關(guān)鍵零件的加工效率、加工質(zhì)量和加工精度提出了更高的要求。傳統(tǒng)磨削方法因不可避免的產(chǎn)生較大的磨削力以及磨削熱，引起工件表面/亞表面損傷以及砂輪壽命低等一系列問題。尤其在精密與超精密加工領(lǐng)域，這些加工缺陷的存在嚴(yán)重制約著零件加工精度及加工效率的提高。為解決這些問題，超聲振動(dòng)被引入到磨削加工中。國內(nèi)外廣泛研究證實(shí)超聲振動(dòng)磨削在提高材料去除率、提高加工表面質(zhì)量與加工精度、降低工件表面損傷以及延長砂輪壽命等方面具有顯著優(yōu)勢。

一維超聲振動(dòng)磨削技術(shù)較早應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，近年在超精密加工領(lǐng)域，日本和中國的學(xué)者又相繼提出了2 種不同類型二維超聲振動(dòng)磨削技術(shù)，研究證實(shí)它們具有比一維振動(dòng)磨削技術(shù)更優(yōu)越的加工性能。作為最新的研究成果，開發(fā)了一種新型垂直型橢圓振動(dòng)磨削技術(shù)。綜述3 種一維超聲振動(dòng)磨削技術(shù)以及2 種二維超聲振動(dòng)磨削技術(shù)的典型加工特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)新型垂直型橢圓超聲振動(dòng)磨削技術(shù)的基本原理以及加工特性進(jìn)行初步介紹。

1 超聲波輔助磨削技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前超聲振動(dòng)磨削技術(shù)各種類型如圖1所示，其中一維超聲輔助磨削技術(shù)可歸結(jié)為3 類:砂輪軸向振動(dòng)磨削;砂輪徑向振動(dòng)磨削;砂輪切向振動(dòng)磨削。二維振動(dòng)磨削技術(shù)有2 類:1)平行于工件平面的二維振動(dòng)磨削，即對(duì)工件同時(shí)施加砂輪切向和砂輪軸向的超聲振動(dòng);2)平行于砂輪端面的二維振動(dòng)磨削，即對(duì)工件或砂輪施加砂輪切向和砂輪徑向的超聲振動(dòng)。

圖1 不同類型的超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)Fig.1 Different types of UAG

1.1 一維軸向超聲波輔助磨削技術(shù)

表面光潔度對(duì)產(chǎn)品的使用性能與壽命有重要影響。為了達(dá)到高生產(chǎn)率和高表面質(zhì)量，通常采取同時(shí)增加工件進(jìn)給速度以及砂輪磨削速度的方法。Wang 等證實(shí)工作臺(tái)進(jìn)給速度與砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)垂直于磨削方向的粗糙度影響較小，并且表面粗糙度主要由垂直方向粗糙度決定［1］，通過改變加工參數(shù)方法很難顯著降低垂直方向表面粗糙度。軸向超聲振動(dòng)被應(yīng)用到工件或者砂輪上，能夠同時(shí)減小平行與垂直方向的粗糙度，從而有效提高表面質(zhì)量。很多學(xué)者對(duì)軸向振動(dòng)磨削的材料去除機(jī)制進(jìn)行了深入的研究。Denkena 研究發(fā)現(xiàn)在軸向振動(dòng)磨削過程中，砂輪軸向分布的不同磨粒對(duì)工件起重復(fù)研磨作用，從而能獲得高質(zhì)量加工表面。此外還指出使用普通磨粒粒徑大小的砂輪進(jìn)行超聲波磨削時(shí)，超聲波輔助作用對(duì)表面質(zhì)量不會(huì)有積極影響［2］。

Tawakoli 開發(fā)了一種干式軸向超聲振動(dòng)磨削42CrMo4技術(shù)，試驗(yàn)證實(shí)表面粗糙度提高，法向磨削力和熱損傷顯著降低。其指出超聲振動(dòng)促使磨粒產(chǎn)生斷續(xù)切削作用，而沖擊載荷促使工件材料更容易卷積，在切削區(qū)生成較多的微觀裂紋擴(kuò)展，促使磨削力以及摩擦系數(shù)減小，導(dǎo)致材料塑性變形減小。材料的塑性變形主要發(fā)生在劃擦和犁削作用階段，由于垂直于切削方向的超聲振動(dòng)促使劃擦和犁削比例相對(duì)減小，從而比磨削能減小，表面熱損傷也顯著降低［3］。

1.2 一維徑向超聲波輔助磨削技術(shù)

徑向超聲振動(dòng)磨削在提高加工效率以及改善砂輪使用性能等方面具有顯著優(yōu)勢。Mult 等對(duì)燒結(jié)氮化硅以及氧化鋁陶瓷進(jìn)行徑向超聲磨削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磨削力大幅度減小以及材料去除率顯著增加，同時(shí)伴隨著粗糙度的輕輕增加以及砂輪磨損加?。?］。法向磨削力減小的主要原因歸結(jié)為超聲振動(dòng)的工件與磨粒切削刃發(fā)生斷續(xù)接觸，減少了實(shí)際接觸時(shí)間，有效降低了摩擦系數(shù)。砂輪磨損的增加是由于較低的摩擦力以及熱載荷作用，磨粒整體脫落數(shù)量減少而單顆磨粒的微觀脆性斷裂增加所致。粗糙度的輕微增加可能是由于同時(shí)發(fā)生切削作用的有效磨粒切削刃數(shù)量增加以及工件表面塑性變形減小所致。磨粒與工件的有效接觸路徑增長促使材料去除率增加。圖2表明單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，在磨粒一次切削周期內(nèi)，磨粒切削刃比普通磨削更早的切入以及更晚地脫離工件表面，這增長了脈沖作用周期，增加了接觸壓力，由此產(chǎn)生了更多材料微觀斷裂，促使材料去除率增加［4］。

圖2 徑向超聲振動(dòng)磨削單顆磨削軌跡［4］Fig.2 Single grain path in vertical UAG［4］

Uhlmann 通過單顆磨粒劃擦試驗(yàn)，分析了先進(jìn)陶瓷徑向振動(dòng)磨削的表面形成機(jī)制。圖3證實(shí)超聲輔助改變了磨粒加工運(yùn)動(dòng)軌跡，導(dǎo)致磨粒與工件的斷續(xù)接觸，得到斷續(xù)切削溝槽［5］。Qu 指出徑向振動(dòng)磨削的最大未變形切屑厚度遠(yuǎn)大于普通磨削的切屑厚度，從而比磨削能會(huì)大幅度降低［6］。Qu 等還證實(shí)當(dāng)磨削速度與振動(dòng)頻率的比值較小時(shí)，超聲振動(dòng)對(duì)表面裂紋擴(kuò)展的阻礙作用顯著［7］。

圖3 有無超聲振動(dòng)的陶瓷材料劃擦溝槽顯微照片［5］Fig.3 Micrographs of scratches on different ceramics with and without vertical ultrasonic［5］

1.3 一維切向超聲波輔助磨削技術(shù)

盡管對(duì)刀具施加平行于切削方向的超聲振動(dòng)切削技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，但是對(duì)于振動(dòng)方向平行于砂輪切向的一維切向振動(dòng)磨削，其應(yīng)用具有一定的局限性，一般僅適合在較大的振動(dòng)振幅以及較小的砂輪速度的條件下應(yīng)用。原因在于其材料的去除主要是利用切削刃與工件材料的周期分離作用，而在較高的砂輪速度下工件振動(dòng)的最大速度小于砂輪線速度則不會(huì)發(fā)生切削刃與工件的分離，此時(shí)超聲振動(dòng)對(duì)加工作用的影響將不顯著。研究者對(duì)切向振動(dòng)低速磨削與其他振動(dòng)磨削加工進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。

田中行雄等研究了砂輪軸向、徑向、切向3 種方向超聲振動(dòng)對(duì)不銹鋼工件材料去除率的影響，證實(shí)無論哪種方向的超聲振動(dòng)，材料去除率都增加;在振動(dòng)速度與砂輪速度比值較大的場合，適宜用軸向超聲振動(dòng)磨削;在速度比較小的場合，用徑向振動(dòng)磨削更有利;對(duì)于切向振動(dòng)磨削材料去除率的增加不顯著［8］。田中行雄等進(jìn)一步研究了超聲振動(dòng)方向以及振動(dòng)速度與砂輪線速度之間比值大小對(duì)磨削加工表面形貌的影響。圖4為不同振動(dòng)方向下單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡以及對(duì)應(yīng)的磨削加工表面形貌。當(dāng)超聲振動(dòng)與砂輪的速度比增大時(shí)，軸向振動(dòng)磨削的磨粒左右擺動(dòng)的最大幾何傾斜角增加，從而導(dǎo)致表面粗糙度增加;對(duì)于切向振動(dòng)磨削，砂輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)單顆磨粒對(duì)工件上同一點(diǎn)的重復(fù)切削次數(shù)增加，也將導(dǎo)致表面粗糙度的增加。對(duì)于徑向振動(dòng)磨削，當(dāng)振動(dòng)振幅以及砂輪線速度增大時(shí)表面粗糙度增大。對(duì)比不同振動(dòng)加工條件下的加工表面形貌，軸向超聲振動(dòng)的截面輪廓曲線較光滑并且表面粗糙度較［9］。

張洪麗從幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)角度建立了單顆磨粒的切削模型，證實(shí)切向超聲振動(dòng)輔助磨削可以得到更短的切屑，更長的切削路徑［10］。任升峰等對(duì)Nd-Fe-B永磁材料進(jìn)行研究表明徑向超聲振動(dòng)使法向磨削力降低最明顯，材料去除率最高而表面質(zhì)量較差;切向超聲振動(dòng)磨削使法向磨削力有所降低，表面質(zhì)量較高，但會(huì)使切向磨削力急劇升高，導(dǎo)致磨削力比達(dá)到了磨削加工塑性金屬材料的程度［11］。

圖4 超聲振動(dòng)磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡與加工表面形貌［8-9］Fig.4 Single grain paths and micrographs of ground surface［8-9］

1.4 二維超聲波輔助磨削技術(shù)

日本的鈴木清等(1998)開發(fā)了一種超聲波橢圓振動(dòng)磨削技術(shù)，將金剛石磨粒電鍍?cè)跈E圓振動(dòng)超聲波馬達(dá)的定子表面制成橢圓振動(dòng)砂輪，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 超聲波橢圓振動(dòng)砂輪結(jié)構(gòu)圖［12］Fig.5 Structure of ultrasonic elliptical grinding wheel［12］

砂輪橢圓振動(dòng)的工作原理如圖6所示，當(dāng)具有一定相位差的兩交流電壓信號(hào)輸入到壓電陶瓷的兩個(gè)電極上時(shí)磨粒產(chǎn)生橢圓振動(dòng)。磨削加工時(shí)砂輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工件在工作臺(tái)水平面作平移運(yùn)動(dòng)，此加工方法在本質(zhì)上是砂輪切向振動(dòng)與徑向振動(dòng)復(fù)合的磨削方法［12-13］，與圖1(e)類似。

圖6 橢圓振動(dòng)砂輪工作原理［12］Fig.6 Working principle of elliptic ultrasonic grinding wheel［12］

圖7表明不同振動(dòng)條件下磨粒相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)磨削線速度方向與橢圓振動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)定義為增速磨削方向;當(dāng)磨削線速度方向與橢圓振動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)為減速磨削方向。鈴木清等對(duì)單晶硅材料進(jìn)行磨削試驗(yàn)，研究結(jié)果表明:橢圓振動(dòng)磨削的磨削力大幅度降低;對(duì)于法向磨削力，增速磨削的減少率比減速磨削大，而對(duì)于切向磨削力，減速方向的減少率更大;材料去除率顯著增加，并且隨著砂輪轉(zhuǎn)速的降低而增加;與普通磨削相比，粗糙度沒有明顯改變，加工表面龜裂較少，形成比較均一的微觀斷裂表面。由于該方法主要利用在較低磨削速度下磨粒切削刃加速度反轉(zhuǎn)以及摩擦力反轉(zhuǎn)的加工原理，因此限制了其在較大的砂輪線速度條件下的應(yīng)用。

圖7 單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡［13］Fig.7 Single grain path［13］

趙波等(2006)開發(fā)了能顯著提高加工表面質(zhì)量的二維超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)。該技術(shù)利用2 個(gè)互相垂直放置的壓電陶瓷換能器，對(duì)工件同時(shí)施加砂輪切向及軸向的超聲振動(dòng)，其原理與圖1(d)類似。磨粒相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓回轉(zhuǎn)形狀，如圖8所示。對(duì)納米氧化鋯陶瓷的磨削試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，超聲振動(dòng)磨削的表面質(zhì)量明顯提高，粗糙度可減小30%～40%，磨削力減小20%～30%，砂輪的使用壽命提高，材料去除率提高并且二維超聲振動(dòng)磨削能夠增加延性域切削深度，能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷材料的精密加工［14］。

圖8 磨粒與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌［14］Fig.8 Grain path relative to workpiece［14］

2 最新進(jìn)展

綜合考慮不同類型超聲波輔助磨削技術(shù)加工特點(diǎn)可知，一維軸向超聲振動(dòng)磨削關(guān)注的焦點(diǎn)在于加工表面質(zhì)量的顯著提高;一維徑向超聲輔助磨削關(guān)注的焦點(diǎn)在于加工效率的大幅度提高。二維振動(dòng)磨削技術(shù)充分利用了一維振動(dòng)磨削的特點(diǎn)，具有優(yōu)越的綜合加工性能，但是其仍存在一定的應(yīng)用局限和使用要求。平行于砂輪端面的二維振動(dòng)磨削，材料加工效率顯著提高但是表面粗糙度沒有明顯變化，加工過程中使用磨削速度較低，這在一定程度上限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。平行于工件平面的二維超聲輔助磨削技術(shù)，在加工效率以及加工質(zhì)量等諸多方面表現(xiàn)了優(yōu)異的性能，但是該技術(shù)要求滿足一定的條件才能充分發(fā)揮超聲波振動(dòng)磨削的優(yōu)點(diǎn)，即需綜合調(diào)整加工參數(shù)使磨粒一個(gè)振動(dòng)周期所用的時(shí)間小于磨粒切入切出工件所用的時(shí)間，從而保證磨粒在磨削過程中與工件材料發(fā)生分離［15］。

為進(jìn)一步發(fā)揮超聲振動(dòng)磨削技術(shù)的優(yōu)勢，開發(fā)了一種垂直型橢圓振動(dòng)磨削技術(shù)，即砂輪徑向與砂輪軸向超聲振動(dòng)復(fù)合磨削加工技術(shù)［16-19］。其顯著特點(diǎn)為磨削過程中單顆磨粒相對(duì)工件的加工運(yùn)動(dòng)軌跡為空間螺旋線。在與磨削方向垂直的平面內(nèi)磨粒存在正交的2 個(gè)方向的超聲振動(dòng)，其原理如圖9所示。徑向振動(dòng)的作用，使磨粒的切削深度呈周期性改變，磨粒的最大磨削深度增加，并且伴隨發(fā)生磨粒與工件的周期分離現(xiàn)象，磨削刃作用時(shí)間變短，摩擦系數(shù)大幅度降低，從而促使磨削力大幅度減小，材料去除率顯著增大。由于軸向振動(dòng)的作用，不同磨削刃的切削軌跡互相干涉而產(chǎn)生重復(fù)研磨作用，使磨削溝槽的尺寸變寬變淺，同時(shí)由于磨粒巨大的加速度沖擊作用，減少了材料的加工塑性變形，比磨削能降低，表面熱損傷以及變質(zhì)層厚度減小，從而能夠顯著提高表面質(zhì)量。

圖9 垂直型橢圓振動(dòng)磨削原理示意Fig.9 Sketch of vertical elliptical UAG

該技術(shù)由圖10所示的裝置實(shí)現(xiàn)，橢圓振子經(jīng)測力計(jì)被固定在平面磨床工作臺(tái)的電磁吸盤上。橢圓超聲振子由壓電陶瓷塊與金屬彈性體(SUS304)粘合制成。在保證振子一階伸縮模態(tài)以及二階彎曲模態(tài)的頻率一致或接近同時(shí)滿足振子剛度要求的條件下，利用有限元分析以及壓電陶瓷分析軟件，確定了超聲振子的結(jié)構(gòu)與尺寸［18］。由波函數(shù)發(fā)生器輸出2 個(gè)相位差為ψ 的交流電壓信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后，施加到壓電陶瓷的2 個(gè)電極(A，B)上。當(dāng)輸入的電壓頻率接近或等于振子2 個(gè)振動(dòng)模態(tài)的頻率時(shí)，振子將產(chǎn)生彎曲和伸縮振動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的合成即為橢圓運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工件粘貼在振子頂端面時(shí)，工件隨著橢圓振子作橢圓超聲振動(dòng)。采用主要由激光多普勒振動(dòng)計(jì)(精度為0.01 μm)(LV-1610 by Ono Sokki Co，Ltd)以及速度矢量合成轉(zhuǎn)化器(Ono Sokki Co，Ltd)組成的系統(tǒng)測量橢圓振動(dòng)的振幅［18］。

當(dāng)輸入電壓頻率為21.95 kHz，相位差ψ 為90°時(shí)，彎曲振動(dòng)振幅Ab為0.22 μm 和伸縮振動(dòng)振幅Al為0.25 μm.分別用單晶硅(晶面為100)以及超硬材料藍(lán)寶石晶體作為加工工件，采用粒度為400 的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪(SDC400N 180 ×15 ×75)進(jìn)行磨削試驗(yàn)，獲得試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)磨削力降低可達(dá)30%，表面粗糙度降低達(dá)到20%，并且加工表面較為光滑，表面光潔度顯著提高［18-19］。這表明橢圓振動(dòng)磨削技術(shù)在提高加工效率和表面質(zhì)量方面具有更好的綜合加工性能。

圖10 超聲橢圓振動(dòng)磨削系統(tǒng)工作原理Fig.10 Principle of vertical elliptical UAG

3 結(jié)論

詳細(xì)分析3 種不同振動(dòng)方向的一維振動(dòng)磨削技術(shù)以及2 種二維超聲振動(dòng)磨削技術(shù)的加工特性;闡述不同類型超聲振動(dòng)對(duì)磨削力、表面形貌、砂輪性能等方面的影響。對(duì)最新提出一種垂直型橢圓振動(dòng)磨削技術(shù)的加工原理以及基本加工特性進(jìn)行了初步介紹。該技術(shù)為硬脆性材料的高效率高質(zhì)量加工提供了一種新的技術(shù)途徑。

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