二維超聲無磨料拋光機(jī)理研究

蔣建軍 鄭建新 劉傳紹

(①煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007;②河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南焦作 454000)

金屬工件的表面光整加工，無論是傳統(tǒng)的研磨、拋光還是非傳統(tǒng)的光整加工方法，如超聲研磨、磁力研磨拋光、電火花超聲復(fù)合拋光等，都是去除材料式的加工方法，只能減小金屬表面粗糙度值，不能提高表面硬度［1－3］。無磨料拋光是一種非去除材料式的加工方法，加工后材料表面粗糙度值減小、硬度提高，但是工件易出現(xiàn)刮花、起皮等表面損傷［4－5］。二維超聲加工是近年出現(xiàn)的新加工技術(shù)［6－8］，已被試驗(yàn)證明能取得較好的加工質(zhì)量。為此，研究將二維超聲振動(dòng)引入無磨料拋光中，以期獲得更優(yōu)的加工質(zhì)量。

二維超聲無磨料拋光金屬工件表面是利用金屬在常態(tài)下的冷塑性特點(diǎn)，采用專門的超硬工具頭，對(duì)工件表層金屬施加一定的壓力，使其產(chǎn)生塑性流動(dòng)，從而使工件表面原有的微觀波峰填入波谷，達(dá)到工件表面質(zhì)量提高的目的［9－10］。

1 二維超聲振動(dòng)無磨料拋光特性

1.1 二維超聲振動(dòng)無磨料拋光過程

二維超聲振動(dòng)由同頻率、一定相位差的X、Y方向的2個(gè)簡諧運(yùn)動(dòng)合成。X、Y方向的運(yùn)動(dòng)方程為

式中:f為振動(dòng)頻率;A為工件在X方向的振動(dòng)幅值;B為工件在Y方向的振動(dòng)幅值;φ為相位差。

則二者合成運(yùn)動(dòng)方程為

由式(2)可得，給定不同的參數(shù)即相位差φ值，可以得到不同的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。

當(dāng)2個(gè)互相垂直且同頻率的振動(dòng)相位差φ為0或180°時(shí)，式(2)變?yōu)閥=±Bx/A，質(zhì)點(diǎn)軌跡為一條直線;當(dāng)2個(gè)互相垂直且同頻率的振動(dòng)相位差φ為90°時(shí)，式(2)變?yōu)閤2/A2+y2/B2=1，質(zhì)點(diǎn)軌跡為以X為長軸、Y為短軸的正橢圓;當(dāng)相位差為其他角度時(shí)，振動(dòng)軌跡為傾斜的橢圓。

二維超聲振動(dòng)無磨料拋光如圖1所示，拋光工具頭的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓，擠壓深度時(shí)刻變化。材料加工時(shí)，拋光工具頭在周期性超聲頻信號(hào)的作用下，工具頭擠入和退出金屬工件表面時(shí)都能夠?qū)⑦吘壍奈⒂^波峰壓入波谷，這種效果可使單次擠壓面積增加和摩擦力減小，從而使擠壓力減小，提高了擠壓過程中的潤滑和冷卻效率，降低了擠壓溫度，使工具頭的磨損減緩，延長其壽命。

圖1也顯示了在振動(dòng)拋光過程中，工件表層金屬的變形情況。拋光工具頭對(duì)工件施加一定的壓力，以一定的進(jìn)給速度通過旋轉(zhuǎn)著的工件表面，使表層金屬產(chǎn)生彈、塑性變形。從圖1可以看出，已經(jīng)拋光過的表面比工具頭與工件接觸區(qū)稍高。由于工具頭的擠壓作用，接觸區(qū)前段金屬層有堆積凸起的趨勢。常規(guī)無磨料拋光時(shí)工具頭始終與工件接觸，擠壓表層金屬。當(dāng)時(shí)間稍長時(shí)，工具頭與工件接觸區(qū)金屬層會(huì)逐漸堆積并越來越高，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定高度時(shí)，工具頭不再只起光整作用，也會(huì)象帶有負(fù)前角車刀一樣切刮金屬層，此段時(shí)間由光整強(qiáng)化轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠值呢?fù)前角切削，易出現(xiàn)刮花起皮現(xiàn)象如圖2所示，致使工件表面質(zhì)量大幅度下降。

超聲拋光時(shí)由于工具頭的高頻振動(dòng)，工具頭均勻有規(guī)律地敲打工件表面，使得工具頭與接觸區(qū)前面一段金屬層，不會(huì)堆積凸起過高。即使有凸起的趨勢，也會(huì)被下次或下幾次工具頭的振動(dòng)燙平，大大減少了加工過程中產(chǎn)生切刮現(xiàn)象的可能性。

1.2 二維超聲振動(dòng)無磨料拋光速度特性

傳統(tǒng)的縱向振動(dòng)是在振動(dòng)方向上改變擠壓速度，但是二維超聲振動(dòng)是在2個(gè)方向上改變擠壓速度。拋光過程的每個(gè)周期中工具頭與工件分離，即工具頭從t0時(shí)刻壓入工件表面，t1時(shí)刻退出，因此工具頭的實(shí)際敲擊工件的速度是分段連續(xù)的周期性函數(shù)。設(shè)工具頭的位移函數(shù)為

則有

式中:A、B為2個(gè)方向上的振幅，T為橢圓振動(dòng)周期，T=1/f。則工具頭瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方向與工件運(yùn)動(dòng)方向的夾角為

在每一個(gè)拋光周期剛開始后，橢圓振動(dòng)刀具前刀面進(jìn)行拋光，當(dāng)一個(gè)拋光周期結(jié)束之后下一周期開始之前，橢圓振動(dòng)刀具拋光過程出現(xiàn)暫時(shí)的“反轉(zhuǎn)”，拋光工具頭后刀面對(duì)已加工表面進(jìn)行二次加工，可進(jìn)一步減小表面粗糙度值。

1.3 占空率

橢圓振動(dòng)無磨料拋光過程中擠壓區(qū)示意圖如圖3所示，工具頭的重疊擠壓長度l0為

一個(gè)周期無磨料拋光加工中，工具頭與工件接觸長度為 θ1和 θ2對(duì)應(yīng)的弧長，即

根據(jù)曲率半徑ρ近似橢圓半徑r其定義為

則接觸弧長為

占空率［11］定義為接觸弧長與橢圓周長之比。橢圓振動(dòng)無磨料拋光的占空率為

由此知橢圓超聲振動(dòng)無磨料拋光加工中工具頭與上一周期無磨料拋光表面的分離，切削液可完全進(jìn)入，進(jìn)行充分冷卻與潤滑，從而延長工具頭的壽命。

1.4 能量集中效應(yīng)

超聲無磨料拋光時(shí)，工具頭在每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的純接觸時(shí)間tc/T是較短的，大約只有25 μm左右［12］，因此在工件表面與拋光工具頭的接觸區(qū)，就形成了能量集中的現(xiàn)象。可見，超聲無磨料拋光是一個(gè)在極短時(shí)間內(nèi)完成的能量強(qiáng)化過程。在單位拋光周期過程中，工具頭在很小位移上得到很大的瞬時(shí)速度和加速度，在局部產(chǎn)生很高的能量，這時(shí)被振動(dòng)無磨料拋光的材料局部微小體積內(nèi)的物理機(jī)械性能必將發(fā)生重大變化。這種能量集中效應(yīng)使得振動(dòng)拋光以較小的作用力，可以達(dá)到與常規(guī)無磨料光整相同或更好的效果。

2 改善工藝系統(tǒng)的抗振性

機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，會(huì)使加工表面產(chǎn)生波紋，影響零件的使用性能。同時(shí)刀具相對(duì)于工件振動(dòng)、切削截面、切削角度等將隨之發(fā)生周期性變化，工藝系統(tǒng)將承受動(dòng)態(tài)載荷的作用，刀具易于磨損(有時(shí)甚至崩刃)，機(jī)床的連接特性會(huì)受到破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至使切削加工無法進(jìn)行，因此須采取措施控制振動(dòng)。一般控制機(jī)械加工振動(dòng)的途徑有［13］:(1)合理選擇切削參數(shù);(2)提高工藝系統(tǒng)剛度;(3)采用減振裝置。

在超聲振動(dòng)加工過程中，由于工具頭以20 kHz頻率高頻振動(dòng)，而工藝系統(tǒng)的自激振動(dòng)頻率與之相比卻很低，使得不可能發(fā)生工藝系統(tǒng)與工具頭的共振現(xiàn)象。從這個(gè)意義上說，把超聲振動(dòng)引入無磨料拋光過程，有抑制工藝系統(tǒng)振動(dòng)的作用。

另外，由振動(dòng)理論分析［12］可知:超聲振動(dòng)拋光過程中，工件的變形僅為常規(guī)無磨料拋光的tc/T(T為超聲振動(dòng)周期，tc為每一振動(dòng)周期內(nèi)工具頭與工件接觸的時(shí)間)甚至更少。這就相當(dāng)于提高了工藝系統(tǒng)的剛度，從而使得系統(tǒng)的抗振性增加。

3 超聲振動(dòng)改變加工過程中摩擦狀態(tài)

常規(guī)無磨料拋光時(shí)，工具頭始終壓在工件上。由于工具頭與工件間的摩擦力比較大，摩擦系數(shù)又隨擠壓速度變化，使得工藝系統(tǒng)時(shí)常出現(xiàn)自激振動(dòng)現(xiàn)象。由于摩擦的影響，預(yù)壓力較大或擠壓時(shí)間較長時(shí)，還易出現(xiàn)工具頭與工件表層金屬的粘結(jié)現(xiàn)象，使工件的表面質(zhì)量下降。

超聲振動(dòng)拋光由于工具頭的高頻振動(dòng)，在加工過程中工具頭與工件處于非完全接觸狀態(tài)，改善了拋光過程的摩擦特性。因此超聲振動(dòng)改善了拋光過程中工具與工件間的摩擦性質(zhì)，拋光過程中的顫振現(xiàn)象以及工具與工件的粘結(jié)現(xiàn)象得到了有效的抑制。

同時(shí)，對(duì)于常規(guī)無磨料拋光來說工具頭始終緊挨工件，而在超聲無磨料拋光過程中，由于橢圓振動(dòng)的占空特性，工具頭與工件的瞬間分離，當(dāng)?shù)毒吲c工件分離時(shí)，使得冷卻液進(jìn)入拋光區(qū)，進(jìn)行充分的冷卻和潤滑。同時(shí)在工具頭壓入時(shí)，由于其極高的加速度，形成瞬時(shí)高壓，使冷卻液均勻乳化，減少了摩擦，減小了摩擦系數(shù)，從而延長了工具頭的使用壽命。

4 結(jié)語

本文首先描述了二維超聲拋光的拋光過程，得出了二維超聲振動(dòng)無磨料拋光過程中變速特性和占空率，工件表層金屬的規(guī)則變形，能量集中效應(yīng);其次是超聲振動(dòng)拋光改善工藝系統(tǒng)的抗振性，即工藝系統(tǒng)變形減小，有“剛化”工藝系統(tǒng)的作用;最后二維超聲振動(dòng)使得工具頭在加工過程中能夠充分潤滑，減小摩擦系數(shù)，降低摩擦溫度，改善拋光過程中工具頭與工件之間的摩擦狀態(tài)，從而揭示二維超聲無磨料拋光加工機(jī)理，完善和發(fā)展金屬工件的表面光整加工新技術(shù)，進(jìn)而推動(dòng)超聲無磨料拋光技術(shù)的工程應(yīng)用。

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