新型無心磨削技術(shù)研究及其在微細(xì)工件加工中的應(yīng)用

姜文彪，吳勇波，范玉峰

(1.浙江科技學(xué)院，浙江杭州 310023;2.日本秋田縣立大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)學(xué)部，日本秋田 015－0055)

無心磨削作為一種高生產(chǎn)率、高精度的加工工藝，廣泛應(yīng)用于軸承、凸輪軸、活塞桿、汽缸套、滾筒等精密零部件的大批量生產(chǎn)中［1－2］。采用無心磨削進(jìn)行外圓磨削時，工件放在砂輪與導(dǎo)輪之間，由其下方的托板支承，并由導(dǎo)輪帶動旋轉(zhuǎn)。在傳統(tǒng)無心磨削技術(shù)中，為獲得理想的形狀公差、表面精度和較高的加工效率，無心磨床必須具備高剛性、相對較大的砂輪及導(dǎo)輪，并要對導(dǎo)輪的運動進(jìn)行精確控制。工件加工精度依賴于導(dǎo)輪的圓度及其旋轉(zhuǎn)精度，高精度的修整技術(shù)及高旋轉(zhuǎn)精度的主軸對于導(dǎo)輪來說必不可少，因此在無心磨床上需要安裝附加的旋轉(zhuǎn)控制部件及修整裝置等［3－6］。而且由于結(jié)構(gòu)的局限，傳統(tǒng)無心磨削設(shè)備不適合于直徑小于100 μm的微細(xì)零件的加工?；诖?，作者提出了一種新型無心磨削技術(shù)，該技術(shù)采用超聲橢圓振動板取代傳統(tǒng)無心磨床中導(dǎo)輪的作用，在加工中超聲橢圓振動板和托板共同支撐和控制工件的運動。通過對粘結(jié)在金屬板表面上的壓電陶瓷(PZT)施加高頻交流電壓，使金屬板端面產(chǎn)生高頻橢圓振動，并以此控制工件的旋轉(zhuǎn)速度。為了驗證新技術(shù)的有效性，首先通過FEM優(yōu)化設(shè)計超聲橢圓振動板，并對優(yōu)化后的超聲振動板做性能測試，以獲得實際的振動幅度、橢圓振動軌跡與所施加的振動頻率、壓電電壓、相位差的關(guān)系。設(shè)計和改造現(xiàn)有無心磨床結(jié)構(gòu)，利用改造后的超聲橢圓振動無心磨床對微細(xì)工件進(jìn)行超精密磨削實驗，該研究實驗結(jié)果證實了該技術(shù)對微細(xì)工件加工的有效性。

1 超聲振動無心磨削技術(shù)基本原理

采用傳統(tǒng)無心磨削加工工藝進(jìn)行外圓磨削時，由托板和導(dǎo)輪支撐工件和控制工件的運動。為了保證工件的旋轉(zhuǎn)精度和磨削精度，導(dǎo)輪及其相關(guān)的附加裝置相對比較復(fù)雜，對于直徑0.1 mm以下的微細(xì)工件無法通過無心磨削加工方式進(jìn)行加工。新的超聲橢圓振動無心磨削技術(shù)無心磨床的結(jié)構(gòu)得以簡化，使桌式無心磨床的生產(chǎn)制造成為可能。而且，這種方法能有效避免由導(dǎo)輪造成的圓度誤差及導(dǎo)輪主軸造成的旋轉(zhuǎn)誤差，提高工件旋轉(zhuǎn)精度。

圖1為新型無心磨削技術(shù)原理圖，超聲振動板由壓電陶瓷 (PZT)粘結(jié)在彈性金屬板上構(gòu)成，由波形發(fā)生器產(chǎn)生相位差為ψ的兩個交流 (AC)信號 (超過20 kHz)，通過功率放大器放大后施加在PZT上。通過合成彈性金屬板上彎曲和縱向兩個方向的振動，在板的端面產(chǎn)生超聲橢圓振動。在進(jìn)行無心磨削加工時，由超聲橢圓振動板及其下的托板支撐工件，工件的旋轉(zhuǎn)運動由工件與金屬板之間的摩擦力控制，工件圓周速度與金屬板端面接觸處的橢圓振動的線速度相同。

圖1 新型無心磨削技術(shù)示意圖

2 超聲橢圓振動板的設(shè)計

彈性金屬板以同一頻率被同時激發(fā)，通過合成板上彎曲和縱向兩個方向的振動，在板的端面產(chǎn)生超聲橢圓振動。為確定兩種振動的振型，將金屬板看成是長、寬、高分別為l、b、t且具有一致橫截面的薄板。

該薄板彎曲及縱向振動振型的公式如下［7］

式中:UB(x)、UL(x)分別為彎曲及縱向振動在點x的振動位移，而(x)、(x)分別為兩種振型的振幅。公式 (1)中的參數(shù)λl可由如下公式計算［7］

將公式 (3)的n階解λnl代入公式 (1)可得n階彎曲振動振型的振幅。在n階彎曲振型頻率fBn和n階縱向振型頻率fLn相同的條件下，薄板長度l和厚度t之間存在如下關(guān)系［8］:

由公式 (4)，B2L1(n=2，r=1)和 B4L1(n=4，r=1)組合下，l和t之間的關(guān)系分別為l=5.7t，l=18.4t。文中采用B4L1組合進(jìn)行超聲橢圓振動金屬板的設(shè)計。

圖2(a)、(b)分別為超聲橢圓振動板激振方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計圖?；贐4振型，A至D 4個獨立電極被分別布置在PZT上 (圖2(a))。如果將施加在PZT上的兩個交流電壓 (VA和VB)的頻率設(shè)置成相同或接近于L1、B4振型的諧振頻率，金屬板將同時在兩種振型下被激振。

圖2 超聲橢圓振動板結(jié)構(gòu)設(shè)計圖和激振方式

除振動板的長度l1以外，預(yù)先確定振動板的結(jié)構(gòu)(見圖2(b))，通過有限元 (FEM)分析來確定振動板的長度l1。表1為振動板中PZT和金屬板(SUS304)的材料參數(shù)，經(jīng)過有限元分析后獲得的振動板尺寸如表2所示。

圖3(a)、(b)為FEM分析獲得的L1、B4振型，其中 fL1=24.101 kHz，fB4=24.110 kHz，圖 3(c)為施加頻率為24.1 kHz、相位差為90°的兩個交流信號后金屬板彎曲和縱向兩個方向的合成振動，在端面上的點振動軌跡為橢圓振動，橢圓的形狀和相位差有關(guān)。圖4為振動板的實物照片。

表1 材料參數(shù)

表2 金屬振動板尺寸 mm

圖3 L1、B4振型的FEM分析

圖4 振動板實物圖

3 超聲振動板性能測試

為了確保通過有限元分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)并實物制作的振動板性能符合設(shè)計要求，建立了一套完整的性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信號發(fā)生器、放大器、多普勒測振儀、矢量轉(zhuǎn)換裝置和多用途FFT分析儀組成 (見圖5)。被測試的振動板在其中心位置處 (L1、B4振型共有節(jié)點處)被固定在工作臺上，采用彈簧對振動板施加預(yù)載荷。多功能信號發(fā)生器 (WF1994)產(chǎn)生兩個具有相位差的二通道高頻交流信號，經(jīng)兩臺功率放大器 (NF Corporation，4010)放大后，施加在PZT上。在測量過程中，由兩臺多普勒測振儀 (LV1610)發(fā)出的激光束聚焦在接近于金屬板端面的同一點上，激光多普勒測振儀測量的信號輸入矢量轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行合成，并由數(shù)字示波器進(jìn)行記錄和顯示。

圖5 超聲橢圓振動測量系統(tǒng)

為了尋求輸入信號參數(shù) (頻率f、2個交流信號之間的相位差ψ、電壓幅值Vp－p)與振動板端面測量處振動軌跡的關(guān)系，分別進(jìn)行了以下研究。圖6顯示了固定頻率f(f=24.1 kHz)和相位差ψ(ψ=90°)的情況下，改變電壓幅值Vp－p時的測量點振動軌跡的測量結(jié)果。測量結(jié)果表明:在頻率f和相位差ψ固定情況下，金屬板端面測量點處振動軌跡為橢圓且橢圓幅度隨Vp－p的增大而增大。

圖6 電壓幅值對端面橢圓振動的影響 (f=24.1 kHz，ψ =90°)

采用相同的電壓幅值 Vp－p(Vp－p=100 V)和振動頻率f(f=24.1 kHz)，通過改變兩個輸入信號的相位差ψ來研究振動板測量點振動軌跡與相位差ψ之間的關(guān)系，測量結(jié)果見圖7。從測量結(jié)果可以看出金屬板端面測量點處振動軌跡受輸入信號相位差ψ的影響情況，振動軌跡在相位差ψ為45°和90°時呈現(xiàn)出較好的橢圓形狀。

圖7 相位差對橢圓振動的影響(Vp－p=100 V，f=24.1 kHz)

4 超聲振動控制工件轉(zhuǎn)速實驗

為了研究振動板端面超聲橢圓振動能否精確控制工件旋轉(zhuǎn)速度以及施加電壓Vp－p與工件轉(zhuǎn)速的關(guān)系，設(shè)計并制作了一套工件轉(zhuǎn)速評價裝置 (見圖8)，該評價裝置由三軸測力儀、振動板、信號發(fā)生器、功率放大器、電機(jī)、滾輪和高速攝像機(jī)等組成。在實驗中，電機(jī)驅(qū)動安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上的滾輪并控制滾輪的轉(zhuǎn)速，滾輪充當(dāng)磨削砂輪的作用。超聲橢圓振動部件安裝在三軸測力儀上 (Kistler，9876)，該測力儀安裝在直線導(dǎo)軌上。為防止實驗中工件在端面上產(chǎn)生滑動，在振動板端面上粘接一塊薄橡膠片 (厚度0.3 mm)以增加振動板端面與工件之間的摩擦力。圓柱工件由托板、振動板和滾輪支撐，圓柱工件的旋轉(zhuǎn)運動由振動板端面超聲橢圓振動來控制。

圖8 超聲振動部件控制工件旋轉(zhuǎn)運動評價裝置

實驗中，通過測力儀測量和控制振動板與圓柱工件之間作用力的大小。采用與超聲橢圓振動測量系統(tǒng)中相同的信號發(fā)生器和功率放大器，對PZT施加帶有相位差的兩個交流電壓。通過高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)記錄工件的旋轉(zhuǎn)運動軌跡視頻圖像并將其輸入到計算機(jī)中，通過動態(tài)圖像處理軟件 (Swallow2001DV)分析來獲得工件的旋轉(zhuǎn)速度。實驗用工件的尺寸為:直徑5 mm、長度30 mm，施加在PZT上的輸入電壓幅值Vp－p控制在20～200 V內(nèi)，頻率f和相位差ψ分別固定在24.1 kHz及90°。

圖9為圓柱工件旋轉(zhuǎn)速度ω的計算方法，計算公式為:

圖9 圓柱工件旋轉(zhuǎn)速度計算方法

圖10 工件旋轉(zhuǎn)速度ω與施加電壓幅值Vp－p的關(guān)系

測量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后獲得的工件旋轉(zhuǎn)速度ω和電壓幅值Vp－p之間的關(guān)系如圖10所示，測量結(jié)果表明:工件旋轉(zhuǎn)速度ω隨施加電壓幅值 Vp－p的增大而增加，尤其電壓幅值 Vp－p在50～150 V范圍之內(nèi)，工件的旋轉(zhuǎn)速度ω和電壓幅值Vp－p之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。因此，可以通過控制輸入電壓幅值Vp－p的大小來精確控制工件旋轉(zhuǎn)速度。

5 設(shè)備改造與微細(xì)工件磨削實驗

通過振動板性能測試和工件旋轉(zhuǎn)控制實驗驗證了超聲振動板結(jié)構(gòu)合理性和精確控制工件轉(zhuǎn)速的有效性。為進(jìn)一步驗證超聲橢圓振動無心磨削技術(shù)加工微細(xì)工件的效果，對現(xiàn)有無心磨削設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造并進(jìn)行磨削實驗。首先對現(xiàn)有的無心磨削機(jī)床 (型號為MIC-150)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，卸載無心磨削機(jī)床上的控制輪及其附屬設(shè)備，安裝超聲振動部件 (見圖11)以代替控制輪的作用。超聲振動部件由超聲振動部件、直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠及步進(jìn)電機(jī)等組成。由于磨削工件直徑比較小，為了有效地進(jìn)行磨削實驗，超聲振動板可以在高度上進(jìn)行粗調(diào)和微調(diào)，在水平面上圍繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)可以保證振動板端面、托板、磨削砂輪和工件的正確空間幾何關(guān)系(圖12)，圖13為改造后的無心磨床。

圖11 超聲橢圓振動部件

圖12 振動板、托板、磨削砂輪和工件的空間幾何關(guān)系

圖13 改造后的無心磨床

表3為超聲振動無心磨削實驗條件，在磨削實驗中，磨削砂輪首先朝托板方向移動直至和托板發(fā)生干涉前停止前進(jìn)，然后微進(jìn)給裝置帶動振動板和工件以0.1 mm/min的速度朝砂輪方向進(jìn)給，在工件開始磨削持續(xù)近6 min后微進(jìn)給裝置帶動工件沿反方向退回。

表3 無心磨削實驗條件

圖14為磨削后的工件掃描電鏡照片，直徑約為60 μm，長度為15 mm，長徑比為250倍。

圖14 磨削完成后的掃描電鏡工件圖

6 結(jié)論

(1)在傳統(tǒng)無心磨削加工技術(shù)基礎(chǔ)上提出一種超聲振動無心磨削技術(shù)用于微細(xì)工件的磨削加工。文中對振動板的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)敘述，超聲振動板測量結(jié)果說明:超聲振動板端面的運動軌跡可以通過改變施加在PZT上的參數(shù) (頻率f、相位差ψ、電壓幅值Vp－p等)來控制。

(2)通過振動板端面超聲振動控制工件旋轉(zhuǎn)評價系統(tǒng)表明，振動板端面的超聲橢圓振動能精確控制工件旋轉(zhuǎn)，尤其當(dāng)電壓幅值Vp－p在50～150 V內(nèi)時，工件的旋轉(zhuǎn)速度ω和電壓幅值Vp－p之間呈線性關(guān)系。

(3)在改進(jìn)的無心磨床上進(jìn)行了磨削實驗，磨削后的工件通過掃描電鏡測量其直徑約為60 μm，而工件長度為15 mm，長徑比為250倍。磨削結(jié)果證實了新技術(shù)加工微細(xì)工件的有效性。

【1】張洪，陳亞維.大質(zhì)量細(xì)長軸無心磨削的研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2005(4):70－71.

【2】封云.無心外圓磨削特性的有限元建模與數(shù)值模擬［D］.無錫:江南大學(xué)，2008.

【3】朱荻，王明環(huán)，明平美，等.微細(xì)電化學(xué)加工技術(shù)［J］.納米技術(shù)與精密工程，2005，3(2):151 －155.

【4】BUENO R，SEBASTIAN S.Intelligent Centerless Grinding:Global Solution for Process Instabilities and Optimal Cycle Design［J］.Annals of the CIRP，2007，56(1):347 －352.

【5】YOSHIDA Y，OTA M，MORITOMO S.The Basic Concept of Mini ProdUction Systems［C］//Proceedings of JSPE 2002 Spring Conference，Japan，2002:83.

【6】TAKASU S，MASIDA M.Through Feed Centerless Grinding of Light Workpieces［J］.Journal of the Japan Society of Precision Engineering，1991，57(11):1977 －1982.

【7】KUNIEDA M.Practical Vibration Theory［M］.Tokyo:Rikougaku-sha，1988.

【8】UEHA S，TOMIKAWA Y.New Ultrasonic Motor［M］.Tokyo:Torikkepus，1991.