超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)及機(jī)理研究.pdf

1、超聲振動(dòng)輔助磨削加工技術(shù)是加工硬脆性材料的重要加工方法之一，具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。 本文對(duì)工件沿砂輪切向、軸向和徑向超聲振動(dòng)的超聲振動(dòng)輔助磨削加工技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究，研究主要內(nèi)容包括：三種超聲振動(dòng)輔助磨削加工的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性、磨削力特性、材料去除機(jī)理及加工表面質(zhì)量。 超聲振動(dòng)輔助磨削過程中，材料的去除是磨粒與工件相互干涉的結(jié)果，因而對(duì)砂輪-工件、磨粒-工件的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析是研究超聲振動(dòng)輔助磨削加

2、工特點(diǎn)的理論基礎(chǔ)。為研究砂輪表面磨粒與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立了三種超聲振動(dòng)輔助磨削加工的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；基于建立的模型，研究了砂輪表面單顆磨粒相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)軌跡并對(duì)相關(guān)幾何參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算：對(duì)三種超聲振動(dòng)輔助加工方式下，單顆磨粒與工件分離的臨界條件進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：三種超聲振動(dòng)輔助加工方式下單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)路徑長(zhǎng)度均大于普通磨削時(shí)的運(yùn)動(dòng)路徑長(zhǎng)度：由于切向和徑向超聲振動(dòng)輔助磨削加工過程中存在分離狀態(tài)，因而單顆磨粒實(shí)際參予切

3、削的弧長(zhǎng)不一定大于普通磨削的切削弧長(zhǎng)，軸向超聲振動(dòng)輔助磨削加工過程屬于永久接觸型磨削，單顆磨粒的實(shí)際切削弧長(zhǎng)大于普通磨削的切削弧長(zhǎng)；軸向超聲振動(dòng)輔助磨削的平均切屑斷面積比普通磨削的要小；切向超聲振動(dòng)輔助磨削加工過程中，砂輪對(duì)工件具有往復(fù)熨壓作用：超聲振動(dòng)輔助磨削加工過程中，單顆磨粒與工件分離的臨界速度不儀與超聲振動(dòng)振幅A，頻率f有關(guān)，與砂輪線速度v<,s>及連續(xù)切削刃間隔α也有關(guān)；切向和徑向超聲振動(dòng)模式下，當(dāng)連續(xù)切削刃間隔α為振動(dòng)波長(zhǎng)的

4、整數(shù)倍時(shí)，不論如何匹配磨削工藝參數(shù)，超聲振動(dòng)輔助磨削只能為連續(xù)磨削過程。試驗(yàn)證明超聲振動(dòng)車削理論不完全適用于切向超聲振動(dòng)輔助磨削加工過程，單顆磨粒與工件分離的時(shí)刻滯后于砂輪開始遠(yuǎn)離工件的時(shí)刻。 磨削力的大小不但可以反映出整個(gè)磨削過程中砂輪與工件之間的相互干涉過程．評(píng)價(jià)磨削效果的好壞，還可以在一定程度上預(yù)測(cè)加工表面質(zhì)量及加工變質(zhì)層深度，因此，有必要對(duì)砂輪磨削過程中產(chǎn)牛的磨削力做細(xì)致的研究。本文建立了普通磨削和三種超聲振動(dòng)輔助加工方

5、式下單顆磨粒磨削力數(shù)學(xué)模型,從切削變形力和摩擦力兩方面展開研究。通過引入單位磨削力F<,u>，建立了切削變形力的數(shù)學(xué)模型：根據(jù)磨削能力參數(shù)C<,ge>給出了摩擦力數(shù)學(xué)模型；進(jìn)而對(duì)各種加工方式下的磨削力進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：分離型切向和徑向超聲振動(dòng)輔助磨削加工過程中，單顆磨粒在磨削區(qū)的平均切削深度大于普通磨削時(shí)的平均切削深度，軸向超聲振動(dòng)輔助磨削時(shí)，理論上單顆磨粒的切削深度與普通磨削的相同：相同加工條件下，切向和徑向超聲

6、振動(dòng)輔助磨削過程中的單位磨削力低于普通磨削，這是工件超聲振動(dòng)時(shí)的軟化效應(yīng)和沖擊作用的結(jié)果；軸向超聲振動(dòng)輔助磨削過程中磨削力大幅降低，并且超聲振動(dòng)振幅和頻率的增加有助于磨削力的降低，而砂輪速度的增加減弱了超聲頻振動(dòng)對(duì)磨削力的影響；工件沿切向、軸向或徑向施加超聲頻振動(dòng)均使摩擦系數(shù)降低，切向超聲振動(dòng)的施加使得摩擦系數(shù)降低最為明顯，徑向振動(dòng)次之，軸向振動(dòng)最弱。試驗(yàn)研究表明砂輪粒度和磨削用量對(duì)磨削力有一定影響，磨削力隨砂輪磨粒直徑、磨削深度和工件

7、速度的增加基本呈上升趨勢(shì)，隨砂輪速度的增加呈降低趨勢(shì)：三種超聲振動(dòng)方式的施加使磨削力隨磨削用量變化的趨勢(shì)減緩，但均對(duì)磨削力產(chǎn)生很大影響，對(duì)于切向磨削力F<,t>，軸向超聲振動(dòng)使之大幅上升，切向超聲振動(dòng)次之，而徑向超聲振動(dòng)使之下降：對(duì)于法向磨削力F<,n>三種超聲振動(dòng)方式均使之大幅降低，其中徑向超聲振動(dòng)影響最為明顯，切向超聲振動(dòng)次之，軸向超聲振動(dòng)影響最弱；三種超聲振動(dòng)輔加方式均使磨削力比有較大幅度的降低，相比較而言，軸向超聲振動(dòng)使之降低最

8、為明顯，磨削力比在0.8-1.3之間；切向超聲振動(dòng)略次之，磨削力比基本在1-1.5之間，并且最低點(diǎn)低于1：徑向超聲振動(dòng)最弱，磨削力比在1.3-2之間。試驗(yàn)研究了不同砂輪粒度、磨削深度、超聲振動(dòng)輔加方式下加工表面的脆塑性顯微形貌特征。研究結(jié)果表明：細(xì)粒度砂輪進(jìn)行磨削可以使材料脆性斷裂比例減小，塑性變形比例加大；各種加工方式下，磨削深度大時(shí)，材料脆性斷裂比例增加，磨削深度小時(shí)，材料脆性斷裂比例減?。幌嗤ハ鳁l件下，采用不同超聲振動(dòng)輔加方式時(shí)

9、，材料去除方式肓較大差別：切向超聲振動(dòng)輔助磨削加工過程中，材料主要以穿晶斷裂、塑性剪切及少量沿晶斷裂方式去除：軸向超聲振動(dòng)輔助磨削加工過程中，材料主要以穿晶斷裂與塑性剪切方式去除；徑向超聲振動(dòng)輔助磨削加工過程中，材料主要以斷裂破碎出除，且加工表面殘留裂紋：滿足一定加工條件時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)脆性材料的塑性加工；砂輪粒度微細(xì)化、磨削深度微量化足實(shí)現(xiàn)材料脆-塑性轉(zhuǎn)變的重要條件：給出了脆性材料脆-塑性轉(zhuǎn)變的臨界條件，通過試驗(yàn)得知切向和軸向超聲振動(dòng)的引

10、入有助于材料去除從脆性斷裂向塑性剪切轉(zhuǎn)變，而徑向超聲振動(dòng)的引入使臨界切削深度減小，使材料更傾向于脆性斷裂去除。基于普通磨削和三種超聲振動(dòng)輔助加工方式下加工表面創(chuàng)成機(jī)理，建立了各種加工方式下加工表面粗糙度計(jì)算模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。普通磨削時(shí)，加工表面由后續(xù)切削刃完成，其加工表面粗糙度與連續(xù)切削刃間隔、工件速度和磨粒頂錐角成正比，與砂輪速度成反比；切向超聲振動(dòng)時(shí)，加工表面創(chuàng)成存在兩種情況：由后續(xù)切削刃完成或由多個(gè)后面的切削刃完成，其加工表

11、面粗糙度低于普通磨削的值；軸向振動(dòng)時(shí)，加工表面由切削痕跡相互交錯(cuò)完成，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其加工表面粗糙度與連續(xù)切削刃間隔、工件速度和磨粒頂錐角成正比，與砂輪速度、振幅和頻率成反比：徑向振動(dòng)時(shí)，加工表面由一系列后面的切削刃完成，其加工表面粗糙度高于普通磨削的值，在合理設(shè)計(jì)磨削用量的前提下也可以使表面粗糙度降低。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：砂輪粒度對(duì)加工表面影響最為顯著；三種超聲振動(dòng)輔助磨削方式下，軸向超聲振動(dòng)的施加使磨削表面粗糙度降低最為明顯；切向超聲

12、振動(dòng)的施加使磨削表面粗糙度略有降低，但幅度不是很大；徑向超聲振動(dòng)的施加使得磨削表面粗糙度有增加的趨勢(shì)。通過觀察磨削表面斷面形貌，對(duì)加工亞表面進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：徑向超聲振動(dòng)的施加使磨削表面變得更加粗糙，且裂紋數(shù)量增加；切向和軸向超聲振動(dòng)的施加利于獲得良好的加工表面質(zhì)量。試驗(yàn)測(cè)定了不同加工方式下磨削表面的硬度變化情況，測(cè)定結(jié)果表明：四種加工方式下，加工表面硬度均大F基體材料硬度：切向和徑向超聲振動(dòng)磨削表面硬度比普通磨削的要低，軸向超