旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助磁力研磨玉石表面試驗(yàn)研究*

曾加恒，陳 燕，譚 悅，陳宇輝，李仁闖

(1.遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司，貴州 遵義 563000)

0 引言

玉石由于溫潤光澤的外表，被廣泛收藏[1]。但由于其材料本身韌性不足、磨削抗力很大，加之優(yōu)良的耐磨性，使得傳統(tǒng)的磨削加工方法很難加工出形狀復(fù)雜的工件，而且其加工成本高、效率低、加工質(zhì)量不好。為了保證加工質(zhì)量，提高效率，一些改進(jìn)的加工工藝相繼被提出[2]。李寶膺[3]工程師制成了富有彈性而又不含添加填料的PVA砂輪對(duì)玉石表面進(jìn)行加工，磨削精度好,能保持工件無劃痕，但加工過程中易產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。賈華坡[4]等采用等離子體弧非接觸試拋光玉石表面，加工后得到良好的表面效果，但加工設(shè)備較為復(fù)雜，氬氣難以均勻化控制，使得加工后的表面粗糙度在2.0μm以上。周漢利[5]等采用碳酸鹽質(zhì)白玉的酸拋光方法，該化學(xué)拋光方法能對(duì)玉石進(jìn)行復(fù)雜加工，但是加工過程中危險(xiǎn)性大，且對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。傳統(tǒng)磁力研磨光整加工不僅研磨壓力小，而且研磨粒子加工軌跡較為單一，軌跡疊加較為嚴(yán)重，劃痕較深，致使加工效率較低，加工后玉石表面質(zhì)量較差[6-7]。針對(duì)以上加工方法的不足，提出采用旋轉(zhuǎn)超聲輔助磨削加工玉石的方法。

本實(shí)驗(yàn)采用在普通磁力研磨基礎(chǔ)上添加旋轉(zhuǎn)超聲軸向高頻振動(dòng)，增加研磨粒子自身的翻滾和劃擦作用，使磁性研磨粒子研磨軌跡交叉復(fù)雜化，能有效的減緩軌跡間的疊加現(xiàn)象[8-9]。不僅提高玉石表面質(zhì)量，同時(shí)還可以使研磨粒子在加工區(qū)域均勻分部，增加研磨效果的均勻性。通過將旋轉(zhuǎn)超聲加工和磁力研磨加工相結(jié)合的方法，有效提高玉石表面加工質(zhì)量和加工效率。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)理

旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工機(jī)理如圖1所示。試驗(yàn)通過在普通磁力研磨加工工藝上添加旋轉(zhuǎn)超聲加工工藝進(jìn)行輔助加工。磁力研磨加工由于磁場(chǎng)力的作用，在磁極周圍吸附研磨粒子并形成規(guī)律排列的柔性“磁力刷”，研磨過程中加工軌跡較為單一[10-11]。旋轉(zhuǎn)超聲的添加增加了磁性研磨粒子的運(yùn)動(dòng)，在原始周向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，增加了軸向高頻劃擦運(yùn)動(dòng)。在磁性研磨粒子的周向運(yùn)動(dòng)、軸向高頻劃擦運(yùn)動(dòng)和研磨頭的水平移動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)軌跡相互疊加形成復(fù)合磨削加工軌跡。使得磁性研磨粒子在工件表面產(chǎn)生擠壓、切削、劃擦和微量摩擦。

1.工件 2.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 3.水平運(yùn)動(dòng) 4.變幅桿 5.集電環(huán)6.超聲振動(dòng)系統(tǒng) 7.軸向振動(dòng) 8.筒夾 9.磨具圖1 旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨加工原理圖

1.2 磁性研磨粒子的運(yùn)動(dòng)分析

在旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工過程中，磁性研磨頭吸附磁性研磨粒子壓附在工件表面進(jìn)行磁力研磨。在“磁力刷”研磨的作用下，磁性研磨粒子研磨工件，得到所需的研磨效果。由圖2磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖所示，將整個(gè)旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨試驗(yàn)過程進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)磁性研磨單顆粒子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。直線1和正弦曲線2分別為普通磁力研磨和旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨試驗(yàn)時(shí)磁性研磨粒子的研磨軌跡。研磨加工從A點(diǎn)開始，在磁性研磨頭旋轉(zhuǎn)和軸向高頻機(jī)械振動(dòng)作用下，經(jīng)過Δt時(shí)間磁性研磨粒子研磨工件表面分開，單顆研磨粒子一次研磨結(jié)束，對(duì)研磨是單顆磁性研磨粒子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分解：研磨粒子與工件為平面接觸，在Δt時(shí)間內(nèi)，磁性研磨粒子在高頻軸向機(jī)械振動(dòng)振動(dòng)作用下沿Y軸位移Δy，水平進(jìn)給方向X軸移動(dòng)Δx。由直線1可得，普通磁力研磨軌跡較單一，軌跡之間無交叉疊加；由正弦曲線2可得，旋轉(zhuǎn)超聲磁粒研磨軌跡可相互交叉疊加，使得研磨軌跡復(fù)雜化[12-13]。

1.普通研磨時(shí)磨粒研磨軌跡 2.超聲振動(dòng)輔助研磨時(shí)磨粒軌跡圖2 不同磨削條件下單顆磨粒軌跡示意圖

工件在工作臺(tái)上的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、磁性研磨頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和高頻超聲軸向振動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)復(fù)合作用下組成旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨，單顆磁性研磨粒子的運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

式中，ds─磁性研磨頭直徑；ωs─旋轉(zhuǎn)主軸角頻率 ；

ωs=πns/30

ω─超聲波頻率；

磁性研磨粒子的切削深度為ɑp，可由公式(2)求得：

(2)

Δt時(shí)間很小，因此

(3)

2 試驗(yàn)裝置及條件

2.1 試驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置由六自由度機(jī)械臂、控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨裝置及工作臺(tái)組成，如圖3所示。旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨裝置固定在六自由度機(jī)械臂上，伺服電機(jī)通過軟軸將動(dòng)力傳遞給旋轉(zhuǎn)超聲裝置，驅(qū)動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)。超聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)超聲振動(dòng)系統(tǒng)軸向高頻振動(dòng)，六自由度機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)磁力研磨裝置沿工件表面均勻直線進(jìn)給。將玉石固定在工作臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨裝置端部安裝徑向磁極頭，在磁場(chǎng)力的作用下，吸附磁性研磨粒子形成“磁力刷”，并壓附在工件表面[14]。在復(fù)合力的作用下，完成表面光整加工。

1.伺服電機(jī) 2.超聲波發(fā)生器 3.工件 4.工作臺(tái) 5.超聲振動(dòng)系統(tǒng) 6.機(jī)械臂圖3 試驗(yàn)裝置

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

基體材料為普通岫玉板件，長(zhǎng)90 mm、寬50mm、高5mm。工藝條件為：進(jìn)給速率2 mm/s，研磨液選用由大連盛瑞貝爾化工有限公司生產(chǎn)制造的勞力恩SR-9912水基研磨液。磁性研磨頭選用直徑分別為φ20mm、φ30mm、φ40mm的圓柱形釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁極；主軸轉(zhuǎn)速選用1000r/min、1500r/min、2000r/min三種；超聲頻率選用12Hz、15Hz、19Hz三種；試驗(yàn)所用磁性研磨粒子由鐵粉和Al2O3:按質(zhì)量比2∶1在攪拌機(jī)里均勻混合，經(jīng)過加壓、烘干、燒結(jié)、篩分而成，加工時(shí)間均為30min。采用廣精JB-08E表面粗糙度測(cè)量?jī)x檢測(cè)玉石研磨前后的表面粗糙度。采用日本基恩士公司生產(chǎn)制造的3D超景深顯微鏡觀察玉石研磨前后的表面形貌。試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

3 結(jié)果與討論

3.1 玉石表面粗糙度的變化

按2.2節(jié)的試驗(yàn)條件，分別采用普通傳統(tǒng)磁力研磨和旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨對(duì)玉石表面進(jìn)行磁力研磨加工，從圖4中可以看出，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工的玉石表面粗糙度下降速率比傳統(tǒng)研磨快，且經(jīng)過30min的研磨加工，傳普通統(tǒng)磁力研磨的表面粗糙度Ra由0.89μm下降到0.26μm左右，旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨的表面粗糙度Ra由0.89μm下降到0.13μm左右。主要原因是開始加工時(shí)玉石原始表面較粗糙，且玉石本身硬度相對(duì)磨粒較低，表面缺陷很容易被去除，使工件表面粗糙度值下降較快。隨著研磨的進(jìn)行玉石表面變得相對(duì)光滑，該粒徑的磨粒所能研磨達(dá)到的表面粗糙度值基本穩(wěn)定，從而玉石表面粗糙度值下降變慢。由于普通傳統(tǒng)磁力研磨粒子與玉石表面發(fā)生單一劃擦、磨削等作用，玉石表面的研磨軌跡為單一劃擦直線，使得劃痕單一且較深，嚴(yán)重影響玉石表面質(zhì)量[15]。研磨后，玉石表面粗糙度Ra為0.26μm左右；旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工，使得與玉石表面接觸的磁性研磨粒子研磨軌跡相互交叉、重疊，加工痕跡變淺，表面粗糙度Ra將至0.13μm。玉石表面粗糙度、表面光潔度和表面質(zhì)量都明顯提高。

圖4 工件表面粗糙度

3.2 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)玉石表面粗糙度的影響

其他工藝參數(shù)同2.2節(jié)，采用直徑為30mm的磁性研磨頭，在19Hz的超聲頻率和不同的轉(zhuǎn)速下對(duì)玉石表面進(jìn)行加工，結(jié)果見圖5。分別以主軸轉(zhuǎn)速1000r/min、1500r/min、2000r/min進(jìn)行磁力研磨30min后，主軸轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)，玉石表面粗糙度Ra從原始0.89μm降至0.33μm；主軸轉(zhuǎn)速1500r/min時(shí)，玉石表面粗糙度Ra由原始0.89μm降至0.13μm；主軸轉(zhuǎn)速2000r/min時(shí)，玉石表面粗糙度Ra由原始0.89μm降至0.22μm。在加工的前5min內(nèi)，隨轉(zhuǎn)速增大，玉石表面粗糙度線下降后上升，在主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)最佳，表面加工質(zhì)量顯著改善，主要原因是由于主軸轉(zhuǎn)速在1000r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速較低磁性研磨粒子對(duì)玉石表面的研磨程度不夠，表面粗糙度值下降較慢；在主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)，磁性研磨粒子與玉石表面劃擦、研磨次數(shù)較多，研磨較為充分，玉石表面粗糙度下降速度比主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)快。效果也較好；在2000r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速過快使得磁性研磨粒子與玉石表面摩擦次數(shù)過多，產(chǎn)生過磨現(xiàn)象使玉石表面粗糙度下降較慢甚至后期基本不變。因此選擇主軸轉(zhuǎn)速1500r/min時(shí)，工件表面加工質(zhì)量最好。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下玉石表面粗糙度隨時(shí)間的變化

3.3 磁性研磨頭直徑對(duì)表面粗糙度的影響

根據(jù)前面的分析結(jié)果，設(shè)定試驗(yàn)主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min，超聲頻率為19Hz，其他參數(shù)同2.2節(jié)。采用磁性研磨頭不同直徑對(duì)玉石表面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨試驗(yàn)，結(jié)果見圖6。在不同直徑下玉石表面粗糙度下降速度不同，前15min時(shí)，磁性研磨頭直徑越大下降速度越快，在15min后，研磨頭直徑30mm比40mm對(duì)玉石表面粗糙度要小。在研磨25min后，磁性研磨頭直徑40mm的研磨效果反而變差，玉石表面粗糙度出現(xiàn)增加，主要原因是研磨頭直徑較大，研磨過程中附著在上面的磁性研磨粒子研磨時(shí)的線速度較大，單位時(shí)間研磨粒子與玉石表面相對(duì)刻劃、研磨次數(shù)較少，使得玉石表面的刻劃劃痕較為稀疏，出現(xiàn)明顯的波峰和波谷，增大了玉石表面的粗糙度從0.22μm增至0.24μm。直徑d較小時(shí)，研磨頭的線速度降低，對(duì)原始表面的磨削速度較慢，Ra值降低也就較慢。最終在磁性研磨頭直徑20mm、30mm、40mm試驗(yàn)條件下，玉石表面粗糙度從原始的0.89μm將至0.25μm、0.13μm、0.24μm。

圖6 不同研磨頭直徑下工件表面粗糙度隨時(shí)間的變化

3.4 超聲頻率對(duì)表面粗糙度的影響

其他工藝參數(shù)同2.2節(jié)，在轉(zhuǎn)速為1500r/min條件下，采用直徑為30mm和不同的超聲頻率對(duì)玉石表面進(jìn)行加工，通過單因素法探究超聲頻率對(duì)玉石表面粗糙度的影響，結(jié)果見圖7。隨著超聲振動(dòng)頻率的增大，使得研磨過程中玉石表面粗糙度能夠快速下降。試驗(yàn)中給出的頻率的單因素影響效果，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)頻率在19kHz時(shí)，玉石表面粗糙下降的最快，得到的表面粗糙度最低。主要原因是高頻振動(dòng)的頻率越大，使磁性研磨粒子的振動(dòng)次數(shù)在單位時(shí)間里越快，對(duì)玉石表面的沖擊碰撞次數(shù)越多，研磨刻劃次數(shù)增加，對(duì)表面尖點(diǎn)的去除加快。

圖7 不同超聲頻率下工件表面粗糙度隨時(shí)間的變化

綜上可知，運(yùn)用旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨玉石表面的最佳轉(zhuǎn)速、研磨頭直徑、超聲頻率分別為1500r/min、30mm、19kHz。

3.5 旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨玉石表面微觀形貌

在最佳試驗(yàn)參數(shù)條件下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨試驗(yàn)，對(duì)比玉石表面研磨前后微觀形貌，如圖8所示。試驗(yàn)前玉石表面金相形貌如圖8a所示，原始工件表面有明顯的紋理；表面粗糙度輪廓的波峰和波谷間距較大。試驗(yàn)優(yōu)化條件如2.2節(jié)，圖8b所示為經(jīng)旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工后玉石表面金相形貌，玉石表面研磨、刻劃紋理較淺且均勻；相比初始狀態(tài)整體趨于平整。

(a)研磨前

(b) 研磨后圖8 旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨前后工件的金相形貌

4 結(jié)論

通過旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨對(duì)玉石工件進(jìn)行研磨光整加工，分析主軸轉(zhuǎn)速、研磨頭直徑和超聲頻率對(duì)研磨表面粗糙度影響，得出最佳加工工藝參數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出一下結(jié)論：

(1)在針對(duì)玉石類硬脆性材料表面進(jìn)行磁力研磨加工時(shí)，為了增加其研磨效率和研磨后表面質(zhì)量，可以添加超聲振動(dòng)輔助研磨加工。

(2)試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工方法對(duì)玉石表面進(jìn)行加工，不經(jīng)增加了研磨粒子自身的翻滾作用，還通過加工軌跡間的復(fù)合較差疊加，減緩單一軌跡疊加現(xiàn)象，有效提高工件表面粗糙度及表面質(zhì)量。

(3)采用旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工方法研磨加工玉石，30min后，玉石表面粗糙度Ra從原始的0.89μm降至0.13μm。