微細旋轉(zhuǎn)超聲加工材料去除機理及試驗

李琳琳 顧 翔 朱永偉

(1 揚州大學機械工程學院，揚州 225127)

(2 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學院精密系，蘇州 215021)

0 引言

超聲加工(USM)是利用超聲振動工具在有磨料的液體介質(zhì)里產(chǎn)生磨料的高頻沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料，使工件材料表面逐步被破碎、剝落的加工方式［1－2］。微細 USM作為USM的分支，在硬脆材料加工方面有特定優(yōu)勢，在一些輔助(如工具高速旋轉(zhuǎn)及工件進給等)作用下能達到較高精度，但還存在如工具頭損耗、工件精度難控制等問題［3－4］。微細旋轉(zhuǎn)超聲加工(RUM)是在微細USM中引入工具頭的旋轉(zhuǎn)運動［5］，對加工材料無導電性、硬度等性能要求，熱物理作用小，能有效避免熱損傷和微細裂紋等問題［6］。由于目前關(guān)于旋轉(zhuǎn)超聲加工中各工藝參數(shù)對加工效果的影響尚無明確結(jié)論［7－8］。本文以此為研究對象，進行旋轉(zhuǎn)超聲加工材料去除效率理論與試驗研究。

1 旋轉(zhuǎn)超聲加工材料去除機理

如圖1所示，旋轉(zhuǎn)超聲加工工作液作用在工件與工具之間，工具頭繞自身旋轉(zhuǎn)并作超聲頻振動，以恒定壓力或恒定速度向工件進給，利用磨削加工中的機械旋轉(zhuǎn)力和超聲振動效應的復合作用進行旋轉(zhuǎn)超聲加工，其比單一超聲加工效率高，同時又減少了工具頭的磨削阻力［9］。

旋轉(zhuǎn)超聲加工有固接磨料(如金剛石磨輪)及游離磨料(磨料懸浮液)兩種方式(圖1)。加工過程中，一方面工具表面磨粒在超聲作用下高頻撞擊加工件，另一方面超聲主軸作高速旋轉(zhuǎn)，使磨粒和工件間產(chǎn)生了一定的“機械磨削”［10］，實現(xiàn)了工件材料去除。其去除機理是工件表面在高頻振動作用下被錘擊出現(xiàn)壓痕，繼而裂紋擴展，如圖2(a)所示。同時，工具頭的旋轉(zhuǎn)運動帶動磨粒劃擦、磨損工件表面，如圖2(b)所示，最后裂紋內(nèi)的磨粒在旋轉(zhuǎn)慣性下撞擊和帶動工件剝落，造成材料去除［11］，如圖2(c)所示。

2 旋轉(zhuǎn)超聲加工材料去除率建模及分析

旋轉(zhuǎn)超聲加工機理比較復雜，當前研究認為旋轉(zhuǎn)超聲加工材料去除方式主要有兩種:磨粒對工件的直接錘擊和磨粒對工件的沖擊，其中大部分材料去除是磨粒對工件的直接錘擊作用［12］。為簡化模型，對旋轉(zhuǎn)超聲加工做一定假設(shè):所有磨粒為勻質(zhì)球體且均勻分布于加工區(qū)域、每個磨粒的去除量與該磨粒與工件交疊體積相等、材料去除方式唯一且為塑性流動、磨粒處于同一水平面。加工時，磨粒與工件接觸狀態(tài)如圖3(a)所示。磨粒除上下運動外還沿著主軸方向旋轉(zhuǎn)，在二者綜合作用下，一個振動周期內(nèi)的實際運動軌跡可近似為橢球狀，如圖3(b)所示。

根據(jù)橢圓球的體積公式，單磨粒在一個周期內(nèi)的材料去除量為:

式中，ω為工具頭轉(zhuǎn)速，D為工具頭直徑，Δt為磨粒與工件接觸時間，δ為壓痕深度，r為磨粒半徑。

由式(1)可得N個磨料連續(xù)加工的材料去除率為:

式中，f為超聲頻率，為避免相鄰周期去除體積重疊，即OB≥OC，預測模型的校驗公式為:

式(2)中壓痕深度δ的計算過程為:

定義磨粒的沖擊力為F，σy為工件的抗壓強度，B為接觸區(qū)投影面積，則單個磨粒的沖擊力為:

假設(shè)在一個周期內(nèi)，磨粒上的力在球狀體表面均勻分布，由圖3得其幾何關(guān)系為:

設(shè)工具上的靜載荷為Fs，由于所有磨粒接觸力F的總沖量和Fs的沖量相等，故有

由式(3)～(5)得:

由此可得材料去除率模型公式為:

由式(7)得，材料的去除率與工具頭轉(zhuǎn)速ω、振幅f、磨粒大小及壓痕深度δ等參數(shù)相關(guān)，轉(zhuǎn)速ω和振幅f越大，材料去除率越高，而磨料半徑r始終大于壓痕深度δ，因而且壓痕深度δ受轉(zhuǎn)速ω、振幅f和磨料尺寸共同影響。

不同物理特性材料，工件表面抗壓強度σy也不同，從能量角度分析，材料顆粒去除需要的磨粒沖量Fs不同，見式(6)。由此可知，表面抗壓強度σy高的材料，其旋轉(zhuǎn)超聲加工效率MRR將較低。

另一方面，抗壓強度σy愈高，實際壓痕深度愈小，由式(7)，旋轉(zhuǎn)超聲加工材料去除率MRR愈低;反之，抗壓強度σy愈低，去除率MRR將愈高。

硬脆性材料，表面抗壓強度σy較高，單一磨削方式加工效率低，復合超聲的沖擊作用后，材料表面易于產(chǎn)生微觀裂紋，并擴展、剝落，可顯著提高加工效率。而對于硬而韌的材料，單一超聲加工效率很低，工具附加旋轉(zhuǎn)運動，磨粒的旋轉(zhuǎn)磨削作用切斷粘結(jié)材料顆粒，并在超聲作用下快速去除，材料去除率將比單一超聲加工有大幅度提高。

3 旋轉(zhuǎn)超聲加工材料去除試驗

3.1 試驗裝置及加工材料的選擇

選擇如圖4所示數(shù)控旋轉(zhuǎn)超聲加工機床，其機床主軸內(nèi)設(shè)有超聲振動系統(tǒng)，超聲換能器通過引電裝置與超聲電源連接，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)輸出功率。超聲裝置最高轉(zhuǎn)速可達20 000 r/min。在變頻器調(diào)節(jié)下，超聲主軸可沿z向進給，精度可達±0.02 mm，主軸整體可沿x向移動，工作臺平面可沿y向移動。

加工材料分別選擇紫銅、有機玻璃(PMAA)、玻璃鋼、PZT壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛)，試驗探究旋轉(zhuǎn)超聲對不同材料的加工效果。

3.2 旋轉(zhuǎn)超聲加工對比試驗

選用調(diào)質(zhì)45#鋼材料的工具頭［13］，如圖5所示。超聲磨料選用1 600目SiC微粉［14］，調(diào)節(jié)超聲電源激振頻率，當振動頻率在17.50 kHz時，超聲系統(tǒng)產(chǎn)生共振。調(diào)整工具頭端面輸出振幅至±15μm，超聲振幅波形如圖6所示，旋轉(zhuǎn)超聲主軸轉(zhuǎn)速設(shè)為3 000 r/min。

4 結(jié)果及分析

在紫銅、有機玻璃、玻璃鋼、PZT壓電陶瓷材料表面分別進行旋轉(zhuǎn)超聲和單超聲加工，加工時間均為1 min，在體視顯微鏡下觀察得到的材料表面，分別如圖7～圖10所示。

通過對上述四組材料在相同轉(zhuǎn)速和振幅情況下，分別進行旋轉(zhuǎn)超聲和單超聲加工試驗1 min［15］，經(jīng)測量，各種材料所對應的加工深度如表1所示。

表1 各組材料在給定條件下的加工深度Tab.1 Machining depth of different material mm

(1)旋轉(zhuǎn)超聲加工在材料表面的加工深度均大于單超聲加工深度，說明旋轉(zhuǎn)超聲加工比單超聲加工有更好的加工效率;其中壓電陶瓷最易加工，有機玻璃最難加工，而玻璃鋼和紫銅的加工效果較接近。壓電陶瓷材料硬而脆，有機玻璃有一定硬度，但脆性不高，說明材料脆性對超聲加工效率有重要的影響［16－17］;有機玻璃硬而韌，最難超聲加工，但其旋轉(zhuǎn)超聲加工深度是單超聲加工深度的5倍以上，其余材料旋轉(zhuǎn)超聲加工深度不足單超聲加工深度的3倍，說明對于易超聲加工材料(如壓電陶瓷)，附加旋轉(zhuǎn)超聲的作用相對較小，而不易超聲加工材料(如有機玻璃)，附加旋轉(zhuǎn)超聲作用對提高加工效率的效果更為顯著。

(2)旋轉(zhuǎn)超聲加工結(jié)束后，工具表面如圖11所示，與加工前對比(圖5)，可以看出在旋轉(zhuǎn)超聲加工后工具頭表面出現(xiàn)較多圓狀劃痕，這是由于磨粒分布不均勻及旋轉(zhuǎn)摩擦作用造成的，因此旋轉(zhuǎn)超聲加工在提高加工效率同時，相對單一超聲加工，工具頭有較多的磨損，有時易產(chǎn)生溝痕，影響加工精度及表面質(zhì)量，這可用細化磨粒尺度、均勻磨粒在加工區(qū)分布等方式減小其對加工表面精度影響。

5 結(jié)論

(1)依據(jù)超聲及磨削作用的材料去除機理，建立旋轉(zhuǎn)超聲加工材料去除效率模型，能有效分析旋轉(zhuǎn)超聲加工效率，并通過試驗驗證。

(2)旋轉(zhuǎn)超聲加工能顯著提高加工效率，特別是對于較難進行單一超聲加工的“硬韌”材料，加工效率的提高更為顯著。

(3)旋轉(zhuǎn)超聲加工工具磨損增大，對加工精度與表面質(zhì)量有不利影響，實用中應設(shè)法避免。

［1］曹鳳國.超聲加工［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2014.

［2］張建華，張勤河，賈志新，等.復合加工［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2014.

［3］徐家文，趙建社，朱永偉，等.航空發(fā)動機整體構(gòu)件特種加工新技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2011.

［4］ KOLB D M.Electrochemical surface science:past，present and future［J］.Journal of SolidState Electrochemistry，2011，15(7):1391－1399.

［5］WU B，WU X Y，LEI JG ，et al.Study on machining 3D micromould cavities using reciprocating micro ECM with queued foil microelectrodes［J］.Journal of Materials Processing Technology，2017，241:120－128.

［6］顧翔.旋轉(zhuǎn)超聲加工振動系統(tǒng)特性分析、裝置設(shè)計及其試驗［D］.揚州大學，2017.

［7］ZAREPOUR H，YEOSH，TAN P C，et al.A new approach for force measurement and workpiece clamping in microultrasonic machining［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011，53:517－522.

［8］魏臣雋.基于電解電火花效應的硬脆絕緣材料微加工技術(shù)［D］.上海交通大學，2011.

［9］朱永偉，王占和，范仲俊.微細超聲復合電加工技術(shù)與應用［J］.機械工程學報，2010，46(3):179－186.

［10］KATARIA R，KUMAR J，PABLA B S.Experimental investigation and optimization of machining characteristics in ultrasonic machining of WC－Co composite using GRA method［J］.Materials And Manufacturing Processes，2016，31(5):685－693.

［11］SHAFIK，M，ABDALLA H S，WILMSHURST T J.A Micro investigation into electro discharge machining industrial applications processing parameters and product surface profile using piezoelectric ultrasonic feed drive［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering Transactions of the ASME，2011，133(4):583－592.

［12］NATSU W，NAKAYAMA H，YU Z.Improvement of ECM characteristics by applying ultrasonic vibration［J］.International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2012，13(7):1131－1136.

［13］ SEBASTIANS.Research on ultrasonically assisted electrochemical machining process［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011(52):565－574.

［14］ZHU Yongwei，SU Nan.Design and test on ultrasonic compound synchronizingmicro－fine electrical machining system［J］.Journal of Vibroengineering，2013，15(3):1284－1290.

［15］劉澤祥，康敏，李曙生.旋轉(zhuǎn)超聲電解復合加工小孔流場仿真［J］.中國機械工程，2015，27(6):748－753.

［16］秦娜.旋轉(zhuǎn)超聲波磨削制孔的切削力建模與試驗研究［D］.大連理工大學，2011.

［17］朱永偉，王占和，范仲俊，等.微細超聲復合電加工技術(shù)與應用［J］.機械工程學報，2010，46(3):179－186.