旋轉(zhuǎn)超聲加工工藝試驗(yàn)研究

徐超亮，湯曉華，馮緒清

（北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048）

旋轉(zhuǎn)超聲加工工藝試驗(yàn)研究

徐超亮，湯曉華，馮緒清

（北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048）

利用自行研制的旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床，對(duì)氧化鋯陶瓷材料進(jìn)行超聲加工表面質(zhì)量分析，對(duì)超聲加工工藝進(jìn)行初步試驗(yàn)研究，并利用表面粗糙度儀和超景深顯微鏡對(duì)工件表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)和觀測(cè)。采用正交組合試驗(yàn)法，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲加工試驗(yàn)，探討了超聲加工工藝參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響，從而確定一組最優(yōu)的超聲加工工藝參數(shù)。

旋轉(zhuǎn)超聲加工；表面粗糙度；工藝參數(shù)；正交組合試驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)超聲加工是集傳統(tǒng)金剛石磨削加工和超聲加工于一體的復(fù)合加工技術(shù)，具有加工精度高、切削力小、加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，是加工硬脆材料的有效方式之一[1]。其加工原理見圖1。加工時(shí)，刀具隨主軸作高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沿著軸向作超聲頻振動(dòng)。材料的去除主要依靠傳統(tǒng)超聲加工和磨削加工的復(fù)合作用。

圖1 旋轉(zhuǎn)超聲加工原理圖[2]

1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備包括自行研制的旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床本體、多軸聯(lián)動(dòng)電控系統(tǒng)、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、切削液系統(tǒng)等（圖2）。

圖2 旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床

1.1 旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床本體

機(jī)床本體包括X、Y、Z三軸、工作臺(tái)支架、機(jī)床外罩及底座。機(jī)床X、Y、Z三軸包含2個(gè)水平運(yùn)動(dòng)軸和1個(gè)垂直運(yùn)動(dòng)軸，均采用交流伺服電機(jī)連接絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)的方式，3個(gè)軸均裝有正、負(fù)、零限位，保證軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程安全及準(zhǔn)確回零；同時(shí)，3個(gè)軸均安裝了光柵尺，其精度為1000 pulse/mm，

保證工作臺(tái)的位置反饋和精確運(yùn)動(dòng)[3]。

1.2 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)包括控制器、X、Y、Z三軸及主軸驅(qū)動(dòng)器、24 V開關(guān)電源、光耦電路板、繼電器和保險(xiǎn)絲?？刂破饕訟CR9000為核心，采用全閉環(huán)回路，速度控制模式；ACR9000控制器型號(hào)為P3U8M0[4]，即能以USB口、串口、以太網(wǎng)口為通訊接口，具有八軸聯(lián)動(dòng)功能、程序及配置掉電保持功能?？刂破髟谝M(jìn)X、Y、Z三軸光柵尺信號(hào)的同時(shí)，引進(jìn)了三軸電機(jī)的編碼器信號(hào)。同時(shí)，在其開關(guān)量輸入接口接入了三軸的正、負(fù)、零開關(guān)信號(hào)，以設(shè)置軟件限位和軟件零位。主軸電機(jī)配置為A軸，只有編碼器反饋信號(hào)，采用位置控制模式[5]。

1.3 超聲振動(dòng)系統(tǒng)

超聲振動(dòng)系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、變頻電源、超聲頭、滑環(huán)及電刷組成，其中，超聲波發(fā)生器和變頻電源外置[6]，超聲頭、滑環(huán)及電刷安裝在機(jī)床主軸系統(tǒng)內(nèi)。超聲頭安裝于主軸系統(tǒng)的滾筒內(nèi)，滑環(huán)通過平鍵與滾筒連接，電刷安裝在主軸系統(tǒng)的底板上，其碳刷與滑環(huán)切向接觸，為超聲頭中的陶瓷換能器供電[7]。

1.4 切削液系統(tǒng)

切削液系統(tǒng)包括自吸清水泵、出口閥門、出水管、冷卻管閥門、冷卻管、噴嘴、回流管、入水管及水箱等。自吸清水泵具有過濾功能，可保證切削液回路的動(dòng)力供應(yīng)。出口閥門可調(diào)節(jié)切削液的流速。

表2 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

表3 表面粗糙度Ra 試驗(yàn)結(jié)果分析

2 試驗(yàn)方案及過程

（1）試驗(yàn)方案的確定。試驗(yàn)工件材料為氧化鋯陶瓷。采用正交組合試驗(yàn)方法，選取四因素三水平共9次試驗(yàn)（表1），并以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度、磨料粒度為試驗(yàn)因素，超聲功率和頻率保持不變，以表面粗糙度作為試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 試驗(yàn)因素水平表

（2）試驗(yàn)裝置的調(diào)試。使旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)，把超聲功率調(diào)至30 W左右，超聲頻率調(diào)至20 kHz固定不變。

（3）對(duì)氧化鋯陶瓷工件加工表面進(jìn)行預(yù)處理，即先進(jìn)行粗加工，使加工表面具有較好的表面粗糙度和平面度。

（4）對(duì)工件加工表面依次編號(hào)。根據(jù)試驗(yàn)方案依次調(diào)整相對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行超聲加工。

（5）利用Taylor Hobson表面粗糙度檢測(cè)儀檢測(cè)工件表面粗糙度，并記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

正交試驗(yàn)結(jié)果見表2，并進(jìn)行極差分析（表3）。極差分析是分析正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的常用方法之一，極差（最大值-最小值）的大小反映了試驗(yàn)中各因素影響程度的大小。極差大，說明該因素的影響大，是主要因素；極差小，說明該因素的影響小，是次要因素或不重要因素。

表3中，K1、K2、K3的數(shù)據(jù)分別由表2中A、B、C、D各因素所對(duì)應(yīng)水平的表面粗糙度之和得到，k1、k2、k3的數(shù)據(jù)分別是K1、K2、K3對(duì)應(yīng)數(shù)值除以3所得的結(jié)果，即各水平所對(duì)應(yīng)的平均值。由表3可看出，A極差值＞D極差值＞C極差值＞B極差值，說明主軸轉(zhuǎn)速和磨料粒度是主要影響因素，切削深度和進(jìn)給速度是次要影響因素。在不考慮其他條件的情況下，表面粗糙度值應(yīng)該越小越好，所以優(yōu)選方案應(yīng)為A3B1C1D3，即當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2000 r/min、進(jìn)給速度為2 mm/s、切削深度為0.1 mm、磨料粒度為150目時(shí)，表面粗糙度最佳。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，工件表面粗糙度值隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而減小。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1000～1500 r/min時(shí)，表面粗糙度變化不大；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1500～2000 r/min時(shí)，表面粗糙度變化較大。說明主軸在一定范圍的低速轉(zhuǎn)動(dòng)下，表面加工質(zhì)量較差，可能原因是刀具在加工過程中，在刀尖處形成積削瘤，而積削瘤又不穩(wěn)定，切削出的表面凹凸不平，導(dǎo)致表面粗糙度較差。同時(shí)，主軸低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，刀具的切削力較小，由于切削加工的是硬脆材料，工件就會(huì)因?yàn)榍邢髁π《鴮?dǎo)致表面余量不能完全去除，引起表面凹凸不平，從而影響表面粗糙度。

4.2 磨料粒度對(duì)表面粗糙度的影響

由表3可知，旋轉(zhuǎn)超聲加工表面粗糙度值隨著磨料粒度的增加而減小，且變化相對(duì)明顯。分析原因是材料的去除主要依靠刀具的金剛石磨粒對(duì)工件表面進(jìn)行切削來(lái)完成的。磨料粒度值越大，磨料的顆粒尺寸就越小，因此每個(gè)磨料對(duì)工件的去除材料越少，從微觀上表現(xiàn)在工件表面加工平整，從宏觀上表現(xiàn)在表面粗糙度好。

4.3 進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

在旋轉(zhuǎn)超聲加工試驗(yàn)中，采用的是恒定的進(jìn)給速度，它對(duì)工件表面粗糙度存在一定的影響。在試驗(yàn)進(jìn)給速度范圍內(nèi)，隨著進(jìn)給速度的增加，表面粗糙度值小幅增大。這是因?yàn)檫M(jìn)給速度增加，使單位時(shí)間內(nèi)的切削深度增大，材料去除率增加。同時(shí)，由于切削過程中刀具的加工靜壓力、旋轉(zhuǎn)力矩、沖擊振動(dòng)也相應(yīng)增大，從而使工件表面粗糙度值增大。

4.4 切削深度對(duì)表面粗糙度的影響

在旋轉(zhuǎn)超聲加工試驗(yàn)中，工件表面粗糙度與切削深度有一定的關(guān)系，還與刀具端部金剛石顆粒的分布密度、形狀有關(guān)。隨著切削深度的增加，工件表面粗糙度值先增大后減小。這是由于金剛石顆粒粒度越大，微觀幾何尺寸就越小，即顆粒分布密度高，加工表面粗糙度值越小。而在加工過程中，刀具端部的金剛石顆粒磨損厲害，其顆粒密度相對(duì)于離刀具端部遠(yuǎn)處更稀疏，且沒那么尖銳，故刀具端部加工后的工件表面粗糙度值較大。隨著切削深度的增加，離刀具端部更遠(yuǎn)處的金剛石顆粒密度增加，從而使工件表面粗糙度值減小[8]。

5 結(jié)論

氧化鋯陶瓷材料的旋轉(zhuǎn)超聲加工是一種較新穎的加工技術(shù)。本文對(duì)氧化鋯陶瓷材料工件的旋轉(zhuǎn)超聲加工進(jìn)行了工藝方面的探索研究，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析，得出如下結(jié)論：

（1）利用自行研制的新型四軸旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，該設(shè)備適用于氧化鋯陶瓷、石英、半導(dǎo)體等硬脆材料的加工。

（2）通過正交試驗(yàn)和極差分析，可基本確定影響氧化鋯陶瓷材料工件表面質(zhì)量因素的主次順序?yàn)椋褐鬏S轉(zhuǎn)速、磨料粒度、切削深度、進(jìn)給速度。

（3）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，可確定氧化鋯陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲加工的一組最佳工藝參數(shù)組合：刀具轉(zhuǎn)速為2000 r/min、磨料粒度為150目、進(jìn)給速度為2 mm/s、切削深度為0.1 mm。

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Experimental Research on Technology of Rotary Ultrasonic Machining

Xu Chaoliang，Tang Xiaohua，F(xiàn)eng Xuqing
（Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

This paper aimed to study ultrasonic machining surface quality of zirconia ceramics with self-developed rotary ultrasonic machine.The preliminary experiment research was carried on the technology of rotary ultrasonic machining.The surface roughness could be detected and observed by surface roughness instrument and microscope.Rotary ultrasonic machining was processed by the method of orthogonal combination.The experiment explored the technological parameters on the effects of surface roughness and confirmed a set of the best ultrasonic machining parameters.

rotary ultrasonic machining；surface roughness；technology parameter；orthogonal combination test

TG663

A

1009－279X（2014）01－0063-03

2013-08-31

徐超亮，男，1987年生，碩士研究生。