旋轉(zhuǎn)超聲磨邊機(jī)床設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

黎志國(guó)，姚 震，張永俊，郭 剛

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2 廣州市非傳統(tǒng)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006）

1 引言

在瓷磚生產(chǎn)中，磨邊倒角的加工目前分為干磨和濕磨兩種工藝方法。與濕磨相比，干磨工藝無(wú)需對(duì)瓷磚進(jìn)行烘干處理，也省去后續(xù)對(duì)廢水處理，磨削余料可回收利用，達(dá)到節(jié)省成本綠色環(huán)保的效果。目前我國(guó)的瓷片及仿古磚產(chǎn)品生產(chǎn)中多運(yùn)用干法磨邊工藝，而吸水率小于1%的瓷磚，仍采用濕法磨邊工藝。

旋轉(zhuǎn)超聲加工硬脆材料時(shí)，具有減小磨削力，提高工件表面質(zhì)量，提高加工效率等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1-2]發(fā)現(xiàn)切削力隨磨料濃度、磨料顆粒半角和進(jìn)給速度增加而增加，隨磨粒直徑、振幅和主軸增加而減小。文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)超聲輔助振動(dòng)能減小磨削熱，并且能同時(shí)減小磨削過(guò)程中的法向力和切向力。文獻(xiàn)[4]發(fā)現(xiàn)超聲輔助磨削能夠減小法向力和切向力以及改善表面加工質(zhì)量。文獻(xiàn)[5]建立恒速進(jìn)給式旋轉(zhuǎn)超聲加工脆性材料的切削力模型，發(fā)現(xiàn)減少金剛石磨粒數(shù)量、磨粒半徑和進(jìn)給速度以及提高超聲振幅和主軸轉(zhuǎn)速均能減小切削力。文獻(xiàn)[6]發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲加工具有降低切削力、減小出孔崩邊尺寸優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[7]通過(guò)建立磨削力數(shù)學(xué)模型，表明二維超聲磨削的法向磨削力小于普通磨削，但是切向磨削力和軸向磨削力均有所增大。文獻(xiàn)[8]建立了單科磨粒的切削變形力和摩擦力數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)沖擊作用、工件材料軟化效應(yīng)與超聲振動(dòng)潤(rùn)滑效應(yīng)使磨削力降低。文獻(xiàn)[9-10]設(shè)計(jì)了微細(xì)超聲加工機(jī)床的關(guān)鍵零部件和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用雙超聲振動(dòng)系統(tǒng)，使閉環(huán)結(jié)構(gòu)滿足微超聲加工恒力進(jìn)給。

目前旋轉(zhuǎn)超聲加工大部分的研究集中在工程陶瓷和高性能陶瓷中，關(guān)于瓷磚磨邊領(lǐng)域應(yīng)用的報(bào)道較少。因此設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)超聲磨邊機(jī)床，并研究旋轉(zhuǎn)超聲加工在瓷磚磨邊的軸向力情況。

2 超聲振子模態(tài)分析

旋轉(zhuǎn)超聲磨邊加工，是把超聲振動(dòng)添加到旋轉(zhuǎn)磨邊工具頭上，使工具頭產(chǎn)生邊旋轉(zhuǎn)邊振動(dòng)的加工方法。超聲換能器接收到超聲電源的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，產(chǎn)生縱向超聲振動(dòng)，階梯型變幅桿把振幅放大后傳遞至磨盤(pán)工具頭，磨盤(pán)工具頭把縱振分解為縱向和徑向振動(dòng)作用于工件上。

模態(tài)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，其結(jié)果反映超聲振子在不同諧振頻率下的振動(dòng)模式，形變?cè)茍D顏色分布情況反映超聲振子不同位置的形變程度。使用ANSYS 仿真軟件對(duì)超聲振子進(jìn)行模態(tài)分析，超聲振子在縱向諧振時(shí)形變?cè)茍D的三個(gè)極限位置，如圖1 所示。超聲振子法蘭位置始終處于形變最小處，磨盤(pán)工具頭末端形變隨電壓變化。當(dāng)電壓為0 時(shí)，工具頭沒(méi)有伸縮運(yùn)動(dòng)，如圖1（a）所示；當(dāng)電壓為負(fù)最大值時(shí)，工具頭呈輕微收縮狀態(tài)，如圖1（b）所示；當(dāng)電壓為正最大值時(shí)，工具頭呈擴(kuò)張狀態(tài)，如圖1（c）所示。在一個(gè)諧振周期內(nèi)，振型依次經(jīng)歷五個(gè)階段，順序依次為a，b，a，c，a，如圖2 所示。

圖1 超聲振子模態(tài)分析形變?cè)茍DFig.1 Ultrasonic Vibrator Modal Analysis Deformation Cloud

圖2 超聲振子單周期振型次序示意圖Fig.2 Ultrasonic Vibrator Single-Cycle Mode Order

3 機(jī)床關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)超聲磨邊機(jī)床示意圖，如圖3 所示。機(jī)床包括旋轉(zhuǎn)超聲主軸系統(tǒng)、四軸運(yùn)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、超聲電源系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)五大部分。其中，對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床的關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括旋轉(zhuǎn)超聲磨邊主軸和四軸運(yùn)動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。

圖3 旋轉(zhuǎn)超聲磨邊加工機(jī)床示意圖Fig.3 Rotary Ultrasonic Edging Machine

3.1 旋轉(zhuǎn)超聲磨邊主軸設(shè)計(jì)

主軸采用臥式固定結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)需根據(jù)旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)特性和磨邊時(shí)的機(jī)械特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)超聲磨邊主軸具有以下特點(diǎn)：（1）主軸轉(zhuǎn)速可調(diào)；（2）主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)需把超聲電源能量傳遞到換能器上；（3）瓷磚磨邊時(shí)，由于磨削量大，主軸需有足夠的強(qiáng)度和剛度承受較大軸向力和徑向力；（4）主軸徑向跳動(dòng)和同軸度誤差控制在10μm 以下；（5）換能器振動(dòng)和工具頭的磨削熱傳遞，均會(huì)使振子溫度升高，影響振子諧振頻率和振幅。主軸需具有散熱結(jié)構(gòu)控制超聲振子溫升。

綜合以上所述，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)超聲主軸，如圖4 所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)超聲磨邊主軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Spindle Structure of Rotary Ultrasonic Edging

主要結(jié)構(gòu)如下：（1）主軸轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為漏斗狀，大端為可放入超聲振子的空心腔，小端為實(shí)心軸，可連接聯(lián)軸器把變頻調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸入；（2）目前實(shí)現(xiàn)電的靜動(dòng)傳輸方式主要有滑環(huán)、碳刷與電磁感應(yīng)等，為簡(jiǎn)化主軸結(jié)構(gòu)，采用電磁感應(yīng)供電；（3）主軸軸承選用圓錐滾子，可承受大的軸向力和徑向力；（4）超聲振子使用錐度加螺釘定位在轉(zhuǎn)子空心腔中。超聲振子設(shè)計(jì)為20kHz 全波長(zhǎng)型，節(jié)面位置（即諧振時(shí)振幅為零的面）共有兩個(gè)。前節(jié)面在變幅桿上，使用錐度定位在空心轉(zhuǎn)子上。后節(jié)面在換能器前匹配塊上，在空心轉(zhuǎn)子外圓周旋入三顆均勻分布的無(wú)頭螺釘，固定振子后節(jié)面。在裝配階段，通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)頭螺釘，調(diào)節(jié)輸出軸與輸入軸的同軸度并減小徑向跳動(dòng)。此外，由于換能器與變幅桿僅通過(guò)中部的雙頭螺桿連接，主軸加減速容易使雙頭螺桿松動(dòng)，減小換能器前匹配塊與變幅桿的連接預(yù)緊力，進(jìn)而影響超聲波傳遞。無(wú)頭螺釘固定后節(jié)面還可起到保持螺紋預(yù)緊力作用；（5）轉(zhuǎn)子空心腔外壁上設(shè)計(jì)有散熱孔，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，朝向不同的兩組散熱孔形成一進(jìn)一出的空氣渦流，強(qiáng)制空心腔內(nèi)外空氣交換；（6）由于基體空腔位置外壁上的一對(duì)排氣扇使主軸內(nèi)部形成空氣負(fù)壓，新鮮空氣從后端蓋和基體下方流道吸入，冷卻鐵氧體原副邊和主軸基體，并促進(jìn)轉(zhuǎn)子空心腔空氣流動(dòng)。

3.2 四軸運(yùn)動(dòng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)超聲磨邊機(jī)床加工原理，如圖5 所示。設(shè)計(jì)的四軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)需具有以下特點(diǎn)：（1）工件夾具需控制工件磨削量、磨削速度、磨削角和磨削高度；（2）平臺(tái)可同時(shí)支持大磨削量和微細(xì)旋轉(zhuǎn)超聲磨邊實(shí)驗(yàn)；（3）測(cè)試平臺(tái)可外接測(cè)力儀，檢測(cè)并采集加工時(shí)的磨削力。

圖5 旋轉(zhuǎn)超聲磨邊機(jī)床加工原理圖Fig.5 Processing Principle of Rotary Ultrasonic Edging Machine

設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)呈垂直堆疊式分布，考慮量程和減小測(cè)量誤差，測(cè)力儀安裝在夾具正下方。測(cè)力儀正下方依次安裝軸向直線模塊、轉(zhuǎn)臺(tái)模塊、進(jìn)給直線模塊和升降運(yùn)動(dòng)模塊。各模塊的最小分辨率與最大行程，如表1 所示。

表1 各模塊最小分辨率與最大行程Tab.1 Minimum Resolution and Maximum Stroke of Each Module

當(dāng)工件平行于磨盤(pán)端面磨邊時(shí)，磨盤(pán)磨粒僅在工件進(jìn)入時(shí)產(chǎn)生磨削。根據(jù)磨削量，調(diào)節(jié)工件磨削角，工件進(jìn)入和離開(kāi)磨盤(pán)時(shí)均與磨粒接觸，提升工具頭效率，減小主軸徑向不平衡力。

調(diào)節(jié)磨削高度，相當(dāng)于調(diào)節(jié)工件進(jìn)入和離開(kāi)磨盤(pán)的距離。當(dāng)工件在磨盤(pán)中心處磨削時(shí)，進(jìn)入與離開(kāi)距離等于磨盤(pán)直徑，此時(shí)磨盤(pán)磨粒與工件總接觸面積最??；當(dāng)工件在磨盤(pán)邊緣處磨削時(shí)，與磨盤(pán)磨粒接觸面積最大。

4 軸向磨削力影響規(guī)律探究

在瓷磚磨邊加工過(guò)程中，軸向力越大，瓷磚越容易產(chǎn)生崩邊和斷裂，且電機(jī)耗能越大。本實(shí)驗(yàn)將探究超聲磨邊在有無(wú)超聲的情況下，主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度對(duì)軸向磨削力的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)加工圖，如圖6 所示。其中工件磨削角為0°，高度為磨盤(pán)中心處，超聲電流為1A，實(shí)驗(yàn)瓷磚材料特性，如表2 所示。實(shí)驗(yàn)因素變量，如表3 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)加工圖Fig.6 Experimental Site Processing

表2 實(shí)驗(yàn)瓷磚材料特性Tab.2 Material Properties of Experimental Tile

表3 實(shí)驗(yàn)因素變量Tab.3 Experimental Factor Variable

本實(shí)驗(yàn)采用Kistler 測(cè)力模塊采集力的數(shù)據(jù)，包括9129AA動(dòng)態(tài)測(cè)力儀、多通道電荷放大器、5697A1 數(shù)據(jù)采集器、以及DynoWare 數(shù)據(jù)采集處理軟件，如圖7 所示。測(cè)量時(shí)，由于超聲振子諧振頻率為20kHz，為提高數(shù)據(jù)精確度，設(shè)定采集頻率為100kHz，即諧振頻率的5 倍，采集的軸向力，如圖8 所示。采集到的圖線分為三個(gè)階段，分別為瓷磚進(jìn)入磨盤(pán)區(qū)域前的未加工階段、磨邊加工階段和瓷磚磨削完畢后完全離開(kāi)磨盤(pán)的完成階段。數(shù)據(jù)處理時(shí)，把磨邊加工階段等分成三段，中間三分之二區(qū)間作為數(shù)據(jù)提取段。重復(fù)5 次實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)時(shí)，把數(shù)據(jù)提取段的力取均值。

圖7 Kistler 測(cè)力模塊Fig.7 Kistler Test Force Module

圖8 瓷磚加工軸向力采集圖Fig.8 Tile Processing Axial Force Acquisition Diagram

4.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向磨削力影響規(guī)律

主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向磨削力影響，如圖9 所示。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速小于1500r/min 時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速提高，傳統(tǒng)磨邊與超聲磨邊的軸向磨削力變化不大，且傳統(tǒng)磨邊比超聲磨邊軸向磨削力大15%左右。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提升至1800r/min 以上時(shí)，傳統(tǒng)磨邊與超聲磨邊的軸向磨削力均降低，且兩曲線幾乎重疊。工具頭的縱向和徑向超聲振動(dòng)，相當(dāng)于增加磨盤(pán)磨粒的線速度，單顆磨粒的磨削效率提高。隨著主軸轉(zhuǎn)速提高，磨盤(pán)線速度增大，同樣使軸向磨削力減小，超聲效果減弱。因此，旋轉(zhuǎn)超聲磨邊在加工瓷磚時(shí)，應(yīng)用在低轉(zhuǎn)速范圍，可減小軸向磨削力。

圖9 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向磨削力影響Fig.9 Influence of Spindle Speed on Axial Grinding Force

4.2 進(jìn)給速度對(duì)軸向磨削力影響規(guī)律

進(jìn)給速度對(duì)軸向磨削力大小也有重要影響作用，進(jìn)給速度對(duì)軸向磨削力影響，如圖10 所示。

圖10 進(jìn)給速度對(duì)軸向磨削力影響Fig.10 Influence of Feed Rate on Axial Grinding Force

當(dāng)進(jìn)給速度小于10mm/s 時(shí)，隨著進(jìn)給速度的增加軸向磨削力變化不大。當(dāng)進(jìn)給速度大于10mm/s 時(shí)，軸向磨削力與進(jìn)給速度呈正比增大。進(jìn)給速度增加，單位時(shí)間內(nèi)單顆磨盤(pán)磨粒作用于工件上的面積增大，磨粒所受阻力增大，使軸向磨削力增大。進(jìn)給速度變化時(shí)，傳統(tǒng)磨邊法的軸向磨削力始終在超聲磨邊法上方，因?yàn)槟ケP(pán)的縱向和徑向超聲振動(dòng)在磨削過(guò)程中始終使磨粒的線速度增加，單位時(shí)間內(nèi)單顆磨粒磨削效率提高；且工具頭對(duì)瓷磚表面的高頻沖擊作用，使瓷磚顆粒更容易脫落。

5 結(jié)論

（1）使用模態(tài)分析方法，仿真磨邊工具頭振型，發(fā)現(xiàn)工具頭把縱振分解為徑向和縱向振動(dòng)。（2）設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)超聲磨邊主軸能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，承受大的軸向力與徑向力，使用電磁感應(yīng)形式供電，具有裝配調(diào)節(jié)對(duì)中和強(qiáng)制冷卻功能。（3）設(shè)計(jì)的四軸運(yùn)動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，支持大磨削量和微細(xì)旋轉(zhuǎn)超聲磨邊實(shí)驗(yàn)，能調(diào)節(jié)磨削時(shí)的磨削量、磨削速度、磨削角和磨削高度。（4）旋轉(zhuǎn)超聲磨邊技術(shù)應(yīng)用于瓷磚加工時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速小于1500r/mm 時(shí)可減小軸向磨削力15%左右。當(dāng)進(jìn)給速度大于10mm/s 時(shí)，進(jìn)給速度與軸向磨削力呈正比。在不同進(jìn)給速度下，旋轉(zhuǎn)超聲磨邊的軸向磨削力比傳統(tǒng)磨邊小。