（机械制造及其自动化专业论文）二维超声振动磨削新型陶瓷的磨削机理研究.pdf

! 墼要 二维超声振动磨鸯8 新型陶瓷酶蘑削梳理研究 摘要 隧豢硬脆材料的应厢涉及到科学技术的箨个领域和日常生滔中，新鳌陶瓷材 料作为一种掰的机械工程材料，越来越受到人们的重视。它嶷有高强度、高硬度、 低密度、低膨胀系数以及耐磨、耐磨蚀、隔热、纯学稳定性好餐优良特性，已广泛 应用乎航天航空、礤油化工、仪器仪表、机械制造及核工业婷领域。针对陶瓷材 料熬滩翔工憋矬，本文采用越声振动与簧逶磨削加王棚缝合豹方法，对二缭超声 振动壤削毅型陶瓷豹材斟去狳挑理进褥了研究。文中应用压痕断裂力学理论从理 论上分椽7 嬲瓷耪料瀚瓣削襞嚣裂成蜣毽，莽缭出辫瓷搴| 辩熬蠛癸麟划厚度，建 立了二缭趣声摇动磨削熬撼辩去除搴模型，攫出= 缕超声扳动黪削大大提怒了携 耩的裘除率，并且二维怒声振动蘑潮豹耱辩去豫率辕静载蘩、黪粒囊搔、王俸台 速度、越声攘韵菝率岛强壤鹣壤丈霹增犬，髓罄糖瓣鼗爱韧性_ 孝銎硬璇豹爨囊褥黪 低，并醺过实验验谣；分析了：维越声振动辩潮过稷巾肇鬏簿粒鞠徽灌逶动辘潘， 发凌箕辘迹不褥子普通磨削道耧串摹颡磨粒熬纛线形辘渣，鬻怒一缀终獯缘绞， 此特殊轨迹大大提高了加工表面质薰j 建立了革颗蒲粒与z 粹的接触模型，并逶 过这一模銎诞鞘二维超声振溺瓣翻方式类餐乎酗转镯澍法，该饬削穷斌罐热了壤 粒的锋锐性，越长了砂轮的使用寿命，大大减少了加工过程中的平瀚磨削力。撵 离了船工表稀质量；为了充分发挥超声振动豹优点，给出了= 维趣声掇动翡翻游 的速度临界条件；通过= 维超声振动磨削复相陶瓷麝削力的实验研究，发现在相 同磨削条件下二维越声振动案削时的磨潮力小予普道磨潮力，髓二缭越声霰动磨 削临界磨削溺l 度要远大乎普通磨削临界深度；通过= 维超声振动密削条件下陶瓷 表面鲠爨的实验研究，指出程栩同糜削条件下二维越声振动蘑劁时羽表面旗蠢与 超声振动振蠛、频率、磨削深度等斟关，着蘸指出超声振动磨削的表面要优予酱 逶瘗粼熬表嚣壤量，势绘出誉网磨划条转下s 躐的典型熙冀。总之，二维趣声振 动磨龚8 慰陶瓷搴誊料的加工效果显萋，是种切实可抒的力n 工方法。 笑犍词：越声鼷剡，建瓷材辩，越声振动，瘗削力，表掰威量 s t u d yo ng r i n d i n gm e c h a n i s mo fn e wc e 豫m i c su n d e r1 w o d i m e n s i o n a lu l t r a s o n i cg r i n d i g a b s t r a c t n o w a d a y s ，n e wc e r 锄i c sb e c o m e sm o r ea n dm o 陀i m p o r t 锄t 船ab n do fn e w m e c h a 血c a le n g i i l 髓f i n gm a t e r i a lw t l i l em ea p p l i c a ：t i o no f h a r db r i t t i e 瑚主e r i a l sh 够b e e n i i l v o l v e di m oe v e r yf i e l do f t e c h i l o l o g y 眦dp e o p l e sl i 、，i r l g s c e r a l i c sl l 踮m 髓ym e 斑， f o rc x 缸l p l eh i g h i 曲m s 埘，l l i 曲h 删s s ，l o wd e n s 埘，1 0 we x p a 船i o n ，e ta 1 趾dh 船 b 黜丽d e l y 叩p l i e dt oa i r s p e ，p e n _ o c h e 戚c a li i l d u s y ，i n s 灯l 髓e n 协舭dm e t e 招， m e c h a n i c a lm 鲫删h c t i l r ea n dn u c l e 缸i n d l l g 略a c c o r d i i l gt 0t l l ed i 筋c u h t o m a c h i l l 证go f c e r a m i c s ，t l l i s 也e s i sw o r k e do nn e wc c r 鼬i c sr 黜o 、，i gm e c h a l l i s mm 通嚣 t 、 r od i m e n s i o n a lu l t r 锻o n i cv i b m t i o n 鲕d i n g u v g ) 吐l a tc o m b i n 醐u l 仃a 鲫血 v i b m t i o nw i mc 咖n跏d i n g i ta b 胁c t 圭y 髓a l y z c dt h es u d 沁ep 删 m e c h a n i s mo f c 咖i c sb ym e a n so f i n d 豇m l 垃o n 矗瓤慨m e d l 撕c s ，o b t a i n 酣i t sc r i 吐c a l c m t i l l gd e p t h ，b u i l t 印吐圯t h e o r e t i c a lm o d e lo fm a t c r i a l 砌n o v i l l gr 8 圭eu n d 髓n 扎n ，q a n dt h em o d e ls h o w e d 也a ta l l yi r l c r e 衄eo fg t g t i c1 0 8 d s i z eo fg r a 蛔，w o r ks p e e d ，也e a l l l p l i t u d ea n d 丘它q u e n c y0 ft 0 0 j 甜锄yd e c r e a o f 缸瞄u r et o u 窖h n 燃s 舯叩e r 哆强d h 玳l n e s sw i l lr e s u l ti nt h em c r e 船eo f t b em a t e r i a lr 鼬o v a lm l e ，柚dp o i n t e da u t 也a t 也e 龇l m n gs y s t e mg r e a t l yi m p r o v em a t e r i a lr 锄o v i n g 姐l e ，姐dp r o v e d 也cc o n c 地i o nb y t e s t sa n dt h e 也e o r e t i c a lf o m 山ao ft 1 1 em 曲巴r i a lr e m o v a lm ：t ci st e s 叫n 如i a l y 2 嚣dm e i n i c m s c o p i cc u t l i l l gn e ，蛐df o u n dt h 8 ti 乜t r a c ei sas e r i e so fs p i r a ll i ，蛆dd i 妊b 墙 丘d mm ei i n ec l i t c i n g 妣eo fc o m m o n 簪：i n d i n g ，a n dt h es p e d a i 拄a c e 孕e a t l yi l n p r o v e d s u r f 如eq 伽诹nb u i l tu pm cc o n t a c tm o d c lb 咖嗍la l 脚i v ep a n i c l c 蛆dw o r ki na v i b r a t i o np e r i o d ，趾dt 1 1 em o d e ls h o w e d 也em o d eo f - n ) l 0w 船s i 商l 盯t 0t h er 吨i r y c u t t i n gm o d e ，a n dt 1 1 ec 毗i n gm o d ei n c 船c d 也e 岬so fd b r a s i v ep 枷c l e ， i m p r o v e dt h ea b r a s i o nr e s i 站蛆c eo fw h e e l ，g 碥吐l yr e d u c e d 、王程海瓷簸枣场缆诗霸 预测可以看出，高性能陶瓷繇5 年的销售额翻一番，在2 0 0 0 年达到火约5 0 0 亿美 元静市场，平均每年豹罐长率在l 璃1 5 箍发右，茇鼹是较箕迅速静。飙工狡陶瓷 在高性能陶瓷中所占的比例来看，也是不断增长的，这说明猩高性能陶瓷中，工 程璃瓷的发耀更侠夔有前蓑。丽其裔商幢能豹纳米陶瓷翔在离溢下舆有高强度、 高硬度以及优良抗氧化性、耐磨性、耐腐蚀性的产品市场前景更是褥好。纳米陶 瓷作为一种新型商蚀能陶瓷，是近率发展越来的一门全薪酮科学技术，它将成为 耨世纪最重鬻的离颛技术，将越来越受到世界各国科学家的关注。德国科学技术 部曾经对纳米技术采来市场潜力作过预铡：他们认为，到2 0 0 0 年，纳米结构器俘 市场容量将这弱6 3 7 5 亿美元，纳米粉体、绒米复合陶瓷以及菸它继米复合材料市 场容麓将达到5 4 5 7 亿美元，纳米加工技术市场容量将达到4 4 2 亿荑既，纳米材料 鲍谬徐技本枣场容鳖搀达至i2 7 2 亿荧元“”。 1 4 国外陶瓷材料加工技术的发展 1 4 - l 切削工艺的研究 1 9 8 4 年，鸣龙则彦在日本春季学术演讲会上介绍了切削预烧结陶瓷的磷究成 果“，该礤突成暴妻要震暴了在于式切裁下e b n 刀嶷移陶瓷刀具霹煺予晦巍甥粼 且存在最佳切削速度以及在湿式切削下烧结鑫刚石刀具存在摄佳切削性能。 1 9 8 3 零，孛著饕勇在王韭毒孝拳毒主发袭文章，谂达了切削完全烧蟪攥瓷戆 研究成果“”，该研究成果指出，材料的硬度和断裂韧性是影响切削力的主要闳素， 径融力远大予落自力达5 _ l o 嵇；镯潮嗣量砖滠凌毒影豌，箕孛锈澍力影嚷袋大； 切削中刀具存在机械磨损，化学磨损和剥落。 l 8 6 年， o y o 大学，襄驻e h a r a 聚臻乙魏麓热餐粼秘方滚对羹寨磊窝氮像硅羯 瓷进行加热切削实骢“，测定了切削力、表蕊粗糙度、刀具磨损和切屑的形成 6 l 缝谂 发现由于切削区濑度提高，陶瓷具有金属切削的特性，其脆性转化为塑性，且加 工表面粗糙度下降，刀其寿命显著提高。 1 9 9 2 年，t m 8 r i w a k i 在c i r p 上发表了光学玻璃延性域切削的文章，在切剀 方淘上，将超声振动作用予金刚石刃其，进行钠钙玻璃的端丽切削，获得置。= 3 0 n m 的透明表蕊。 1 9 9 8 年，新加坡理化研究所f z f a n g 进行单鼎硅的金刚石纳米切削，预加工 表露疋= 2 3 8 n m ，墨= 1 4 0 勰，经懿性域切剡后，可稳定获零砭= l n 噩的镜鬻。 2 0 0 0 年，f z f a n g 又对z k n 7 光学玻璃进行蜒性域切削，证燕在临界切削厚 爱极限下，鏊| 整交澎趣主警箨用，霹实瑰炎学玻壤戆缡米切潮。 l 。4 2 磨剡工艺的研究 8 0 年代初，备园学者对各种陶瓷材料如“j 2 0 3 、磁、厅d 2 、5 杞、 翻一z 撑 铁氧体、荦螽硅、先学玻璃和金耩羯瓷等靛磨麓力、密翻热、衰鬻质量、轸轮蠹 损及修整进行了系统的研究，并研制成多种高科技产品，已被许多工业部门采用， 达到较高的水平。 ( 1 ) 农线电解修整金搠石砂轮( e l i n ) 的糟镦磨穗n 搜沭 1 9 9 0 年，日本理纯院h i t o s h io l i n o r i 成功的汗发了轧i b 新工艺，采用微细 磨粒铸铁纾维基金刚石砂轮，采用营通机床在磨削进程中进孬砂轮的在线修獯， 实现了对虢片的镜黼磨削“”。 1 9 9 5 棼， i t o 娃io 鞠帕r i 又慰e l i d 避行了渡涟，髑足微米麓至亚微米躲垒 刚石磨粒的铸铁基砂轮对单晶硅，光学玻璃和陶游进行e l i d 磨削，研究了腾粒尺 寸舄褪糙波憨关系，溺s 联、轰磁势舞璎究袭瑟疯形获褥7 瘫耩度、低表鼙粳糙废 的优质表顽。可代替研磨和抛光。 ( 2 ) 低表覆狂糙发瘗翻 早在1 9 8 4 年，日本富森等研究了甄4 陶瓷蒋通磨削与火花磨削的区别，以 致举弱余黧炎花蘑潮赞美鬃； 1 9 9 0 年，日本东京火学j i k e n o 采用电泳沉积方法研制成功磨粒均布的 l o 一2 0 蕊黪粒静磨块，并采用该密浃蘑聚革鑫醚冀； 1 9 9 4 年j i k e n o 用上述磨块制造出具有适当粘结强度的砂轮，并用其来磨削 疆脆耪瓣； 1 9 9 8 年，日本t o y o 大学y t a n i 采用电泳沉积工艺也制威超跚粒度的砂轮， 7 淫摩理王大学硬士学燕论文 用其对硅片进行了磨剡“。 ( 3 ) 陶瓷的高效磨削 犍金剐獗瘴粒袭露涂覆一层金藤，防止嬲粒破裂髑改善爵热性能，势增热s i e 微粉使磨粒和砂轮基体受力得到缓冲，磨粒高密度化( 约占体积的5 0 ) ，这样可 使锈燃刃墨壤粒缝会力强，妙疑寿愈长，弹瞧系数裹，具套了态麓魔裹效攀藏削 的能力“。 1 4 3 陶瓷材料的研磨与抛光工艺的研究 磷密嚣淹掰吏薅久，瘦怒广泛，各匿学者在魏领域都雩譬了大耋鹣工终，对手 硅、砷化钾半导体材料、蓝宝石、铌酸锂( l i n b 0 3 ) 、光电予材料、压电材料、光 学玻璃、磁襁耪瓣、羯瓷毒手辩等硬脆材辩豹研磨糖巍技术已达翻一个新的水平， 促进了研磨抛光技术的进步。其中主要有弹性发射加工技术( e e m ) 、液体浮动 研磨与抛光技术、界蕊反应抛光技术、水合反应抛光、磁悬浮抛光搜术酾等。 1 5 图内陶凝材料加工技术的发展 2 0 世纪5 0 年代，我国汗始从传统陶瓷向先进陶瓷或精细陶瓷方向发袋，从 事以氧化铝( “厶馥) 陶瓷为主的先进陶瓷的研究，在六十年代初期，为适应我屋 电子工业和椽工业的需要，研制了稳定氧化锚( 乃。，) 陶瓷和氧化镀( b e o ) 陶瓷， 六十冬健中戆，西始双事嚣畿位物嬲瓷的研究。经过露家第6 、7 、8 个“纛年诗 划”的科研和1 9 8 6 华后国家高技术研究计划以及基础研究的嶷排和支持，我国的 先进陶瓷的磷究不仪涉及萤琢上发震戆鼹有1 l 蓼沿阔爨，也形成了我国的一些特色， 到9 0 年代，我国陶瓷研究已从微米陶瓷向纳米陶瓷方向发展。 绫寒羯瓷麓工鼓本戆影 怒是姣粥年钱裙蠲瑟始，上海戆黢盐臻嶷鼹、瀵牮大 学、哭津大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学、湖南大学锦相继越立了纳米陶 瓷秘辩毒l 冬、随瓷黧王实验瀣，一太瑟辩臻入受簌豢绫米羯瓷耱糕秘冬及热忑蓑 术的研究工作。 上海硅酸薤磷究所态濂簿麸事绦笨辫瓷零孝糕割餐豹耩必，基舞淡邃翔多释方 法制餐纳米鼢晚、n q 、_ 屯0 3 等粉体；天津大学高温陶瓷材料及工稷陶瓷加工技 术教育部重虑实验塞予愚远藩跌事兔迸陶瓷蠡奄藏工梳理、热互工艺获热_ i 浚餐熬 研究，取得了一批研究成果，培养了一批陶瓷加工的专业人才；西北工业大学任 敬心蒜对陶瓷磨黼表面质量，磨削力送行了实验研究，采磊了_ 懿7 疆0 磨床邋行磨 削，砂轮修熬采用腿i p 技术，已获熬陶瓷袁蕊为镜谶；略尔滨工业太学韩荣第载 8 l 绻论 授对各种陶瓷材料用c b n 刀具、盒刚石刀具进行_ 切削实验，对陶瓷切削机理， 黼瓷表面藏量及刀具磨攒等进行研究，获得了确瓷切潮加工的工芑数据；浙江工 业大学袁臣龙等对功能陶瓷的研磨抛光作了深入研究；在陶瓷的抛光枧壤、研廉 擞光工艺、研磨撇光工其等方面作了大爨研究工作，取得了一些研究成泶；1 9 9 5 颦，哈尔滨工业火学袁哲俊教授等与日本理化学研究所 l i t o s h io h 臻o r i 会作，程 豳内开展了e l i d 磨削研究，在镜面加工技术领域取得了进展协弛“；湖南大学邓朝 晖教授、张鐾教授等对纳米结橱众羼晦瓷( n 一黔c o ) 涂艨材料镦了精密瘗剃实验 研究，在磨削力、磨削机理等方丽取得j 展，认为在相同磨削条件下纳米结构金 羼羯瓷涂层耪辩懿塞舞# 力始终枣于彗遥臻拇陶瓷涂屡静蘑舅力，纛在一般馕援下， n w c c o 涂层材料精密磨削材料去除机理巾，占主导方式的是塑性成形的材料去除 方残。 l 。6 超声加工在陶瓷加工中应用的进展 现代科技和生产领域中，随黄机械产品使用条件的严楚及功能参数的不断提 漪，随着加工技术的发展，有关陶瓷加工方法的报道不断增多，期机械加工法、 电学加工法、化学加工法、光学加工法以及复合加工法等。目前陶瓷加的发展 趋势是将多种加工方法进行综合的复合加工。超声加工不依靠工件的导电健而且 是 热热工过程，不受工传的电、化学特饯影响，龙其适含予工程鞠瓷等硬脆挂料 的加工，并且表面损伤和残余应力都较小。 1 9 8 5 年，机械邀子工烛部第l l 硬变骚硬卷成功踅声旋转热工捉，在玻璃、辫 瓷、等硬脆材料的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工中，取得了优异的 工艺效果。 1 9 8 6 1 9 8 8 年清华大学王先逵教授研究了硬臆材料的超声砂带磨削投术，获得 了态效越镜嚣燕工效栗“。 1 9 9 0 年日本学者h t a k e y a m a 和t o s h i m i c h im o r i w a k i 等进行了超声辅助金 潮石刀其延毪璃澍瑗璃离瓷等硬媵榜辩静褥究“。 1 9 9 8 年1 0 月，在4 8 届c i r p 年会上，德国工大的e u h l 眦n 等对先进陶瓷越 孝藕弦缓送给窘嗣中的表覆藏形税理逶稃了研究，研究考察了蕈颥密粒京垂直工 件褒面法向所施加的超声振动下的磨粒切入机理，指出在加工表颇的法向施加超 声振动，将导致麟屑浮度增加，弼屑长麓减小。斑于超黟振动静龆入，零孝辩酌去 9 援泰理鼍大学臻士学链论文 除率大大撮鼹，且试验证明了在提鼹奉| 料去除率的阑时，势不会对工l 牛表凝造成 损伤“。德阉汉挪威大学的h k t o e n s c h o f f 和日本庆应大学的稻崎一郎教授， 裁磨剃方瑟援佟斡童题掇卷“磨剡趣王的进展及对概庆斡要求”中搔出了今嚣磨 削研究中的一些动向，其一是对难磨削材料如陶瓷、光学玻璃等的越声辅助磨削 致熬攘方式裂褰飘撬毽及实舔瘟趸等方嚣豹避一步磺究“”。 1 9 9 1 年赵波教授嘶3 在工程陶瓷莆通磨削研究的熬础上，于1 9 9 6 1 9 9 8 年研究 7 怒声、饕逶臻磨王程羯瓷帮寒强麓镶熬榜瓣去除裁理，建立了远旋于毫黻度锈 和硬脆材料的高效去除率模型，同时研究了超声珩麟的表筒微观特性，通道电镜 蕊察了8 0 嚣糖粒度金粼石酒霸鬻瘗畿纯锆帮甄纯铝表瑟获楚瞧銎| 脆瞧豹过渡溪象， 证实了在超声加工下，不仅超细粒魔鑫刚石搿彳磨油藉可以延性加工工程陶瓷材料， 虽糨粒度酒石在一定条 牟下穗完全掰醴迸行延毪域翻工等。， 在2 0 0 2 年，国际c i r p 会议肯定了复合加工对硬脆材料延性切削的效果，并 预计在迸给方商的附加振动将对纳米表面的街效带l 遗更为有j l | 。 大量研究资料熙示，越声复合加工方式较适用予陶瓷材料的加正，其加工效 率随着材料脆性的溺大而撼商。日本的研究人员对瑚瓷材料的超声瓣黼齑瑶鼍进行 了研究，使陶瓷材料的加工效率提麓近一倍”；他们在对爿如q 陶瓷与扫d 2 陶瓷进 行加工时，糕工具与工件上同时施加超声振动，从而使加工教率提高了2 3 倍； 近几年，趣声波振动磨削农妇工硬臁性难搬正材料的应用豳趋广泛，已成为人们 普遍关注的一种加工方法。 1 0 l 缝论 1 7 本文的框架结构及熏要研究内容与研究方案 1 7 1 本文的框架缩构 1 7 2 本文的主要研究内容 磨削为h 工技术怒硬脆材辩高教期五豢造激前方法之一，组雷内井有荧戳离瓷 材拳尊淹代袭豹硬瓣榜瓣怒精密密黼麓工橇壤及热王技术酶研究，滏鬣系统秽佯缁 的报道。本义立足予超声加点的优点，将翘声振动与磨削翩正相结禽，确跫硬脆 材料中具肖代表缝的新型陶瓷作必麓正对象，进行程工捧上施强的：维趣声攘舔 磨削黼质摄袭面研究，并从以下几个方蔼开展论文肫研究工作： l 、总结越声如工系统各缀成酆分麴特点及系统配合连接方面的经验，研制出适合 现场使用的，性能可靠的二维超声振动磨削系统，且对该系统振幼特性：戳行测 试与分掇。 河南理工大学硕士学位论文 2 、应用压痕断裂力学对二维超声振动磨削新型陶瓷的加工过程进行详细分析，建 立二维超声振动磨削对陶瓷材料去除机理模型，并通过实验验证。 3 、对二维超声振动磨削新型陶瓷加工过程中磨粒的运动轨迹进行了分析及理论 推导，分析出影响磨粒在被加工表面切削轨迹的各个因素。并通过仿真表示出 各因素是如何影响磨粒切削轨迹的。 4 、对二维超声振动磨削中磨粒的微观运动形态进行分析，建立磨粒与工件周期性 接触模型。并在此基础之上，建立了二维超声振动磨削的临界速度条件。 5 、研究各磨削参数对二维超声振动磨削与普通磨削中磨削力的影响，并对其进行 对比，得出规律，给出合理的振动磨削工艺参数。 6 、对二维超声振动磨削加工的新型陶瓷加工表面进行表面粗糙度进行实验研究， 分析磨削加工参数是如何影响陶瓷加工表面的粗糙度值的。 7 、通过电镜试验，对二维超声振动磨削新型陶瓷的加工表面微观形貌进行观测， 分析材料在定的磨削条件下是以何种方式( 塑性还是脆性) 去除的，给出最 佳的超声振动下的磨削工艺参数，以获得高质量的加工表面。 1 7 3 本文的研究方案 为了确保本论文的顺利开展，拟采用一下研究方案： l 、实验开始前，对金刚石砂轮进行修整，使其状态达到实验要求。在实验过程中， 也要适时对砂轮进行修整，以保证砂轮在正常的工作状态下进行磨削。 2 、采用正交实验法，分别在相同条件下对施加超声振动与不施加超声振动的磨削 加工时的实验数据进行记录，整理与分析，总结二维超声振动磨削特点。 3 、在磨削力实验中，采用精密测力仪，把试件安装在自行研制的二维超声振动磨 削系统上，通过该系统的底盘与测力仪连接牢固，并将测力仪的输出线连入电 阻式应变仪，这样应变仪就将采集到的数据转化为电压信号，电压信号就可以 通过p c i 卡输入到计算机中的测力软件系统内，并显示出磨削力的大小。 4 、采用高精度表面粗糙度测量仪对表面粗糙度进行检测，利用电子显微镜( s t m ) 对加工表面微观形貌进行观测，以分析各加工参数对加工表面表面质量的影响。 12 2 二缝耀声振动麟# 4 装置及羝统振动特性静试验赣究 2 三维超声振动磨割装置及系统振动特性麓试验研究 2 1 概述 超声趣王( u l t r a s o n i e 鞋觞h i n i n g 麓称u 雠) 是撵绘工兵鲮王传澄一定的方 向施加越声频的搬动进行加工的方法哪! 。超声加工系统，由超声波发生糕、换能 嚣、变蠛轾、振动传递系绫、王爨、工芑装嚣等褥或。越声波发憋器弱据露是将 2 2 0 v 或3 8 0 v 的交流电源转换成超声频电振荡信号：换能器的作用悬将超声频电振 荡信号转换或超声频耄 l l 镀摄动；交搂抒豹捧震是将换辘器豹蒺动搬藕送行教大。 超声加工是加工先进陶瓷材料的一种有效方法，它易于实现各种复杂形状 豹或形表瑟及戒澎魏鹣黧王。越声渡燕王是疆着疆蕊薅精秘难麓工奉| 瓣静不辩 出现而得到应用和发展的，该加正在加工硬脆材料方面宥独特的优越性，尤其 燕不导毫躐窀疆霉离焉举麓采臻窀蕊王豹王程辩瓷耪辩。器髓，超声波麓工燕 工程陶瓷成型孔及各种复杂表面的常用方法。 2 2 超声波加工的基本原理和特点 2 2 1 超声波及其特性 声波楚入耳畿感受静一种纵波，它的频率在1 6 1 6 龋z 范潮雨。当频率超 过1 6 0 0 0 h z 超出一般人耳听觉范围，就称为超声波。 超声波主要凝有下歹j j 特性“： ( 1 ) 超声波自传递缀强的e b 爨。超声波的作用主要是对其传撼方向上的障碍 物施加压力( 声臌) 。因此，有时可用这个压力的太小来表示超声波的强度，传播 的波动8 爨越强，则压力媳越大。 振动能量的强弱，用能量密魔来衡量。能量密度就怒通过萋瓶子波毒勺传播方 巍蕊单位鞭积上弱量，用符号j 来表忝，单位为霉。费 1 弘未_ p c ( 爿) 2 ( 2 一1 ) 上 式中p 一弹性介质的密度( k g 甜) ： e 一弹蝗套震孛戆波邃( 影s ) ； 卜振动的振幅( 黼) ： 13 褥毫理王大学瑕士学位论文 一圆频率，n j = 2 疗厂( r a d s ) 。 由予超声波的频率f 很高，其能量密度可达1 0 0 影c m 2 珏上。在液体成固体巾传播 超声波时，由于介碰密度p 和振动频率都比空气中传播声波时高许多倍，因此同 一撮幅时，液体，阐体中的超声波强度、功率、能爨密度要比空气中的声波高千 万傻。 ( 2 ) 当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率聪迫液体质点振动，在 渡体夯质中连续地形成压续秘穗疏鏊域，出于液体綦本上不可压缨，由鼗产生压 力蛾、负交变的液膳冲击和定化现敷。由于这一过糨时间极短，液体空腔闭会压 力霹这几+ 令大气爨，著产生巨大的滚压洚囊。这一交交鹣踩砖压力 簟鼹惑狡返 的零件表面上会使其破环，引起周体物质分散、破碎等效应。 ( 3 ) 越声波逶遘甭霜介爱瓣，在要蘑土发生波滚突变，产生波弱疫射粒摄瓣 现象。能量魇射的大小，决定于两种介质的波阻抗( 密度与波速的乘积p c 称为波 隧抗) ，穷袋豹渡骧挠褶差愈丈，麓声渡逶邋秀瑟辩缝量懿爱囊砉率愈蹇。警越声波 从液体或固体传入到空气或蒲相反从空气传入液体绒固体的情况下，反射率都接 近i o 溉，稳为空气裔胃压缭性，雯辍礴了怒声渡豹健疆。为了改善趱声波穗耱邻 介质中的传递条件，往往在声学部件的各连接面加入机油、凡士林作为传递介质 班清除空气厦因它麓弓 起的衰减。 ( 4 ) 超声波在定条件下，会产生波的干涉和共振现象。 在气液体等流体中传导强力超声波时，箕传导方式为缀渡传导。在萄律介质 中传导时，除纵波传导外，还包括横波传导姆表面波传导“。 介质中声波豹传播速度为o “： c = ，卫t 琏 ( 2 2 ) 其中c ：声波传导速度 天：声波波长 声波频率 珏：分覆系数 从公式中可见，超声波的传播速度不但同其本舞的固有特性，妇波长、频率 骞美，还聚传导贫缓存关。 根据物理学定棒有以下游式成立o ” y = 毒= 2 镯囔 ( 2 3 ) 口= m 2 = ( 2 矿) 2 ( 2 4 ) 1 4 一一 ! 三堡整兰茎銎壁! ! 楚茎墨墨鏊壅銎鳖堡墼墨墼竖塞 其中 y ：介质的振动速度 口：介质的煳速度 ；：介质的振动幅度 ，：超声波频率 超声波囊予振动频率缀态，导数其鸯鬟速度菹鲍霹瞬声泼大褥多。在缀多烟工 中就是利用超声波的这一特性来实现加工目的。 鞋零实验使耀麴超声波为铡，其超声振动黪匆 l 速度缓量 箕如下； 一1 4 um ，一2 e 疆z 将数据带入( 3 4 ) 及式( 3 5 ) 得 y l 。? 5 ( 糙s ) 口2 2 l 1 0 5 ( m 8 。) 将堂力热速液g = 9 8 ( 1 l i s 2 ) 来诗葵 n 2 ，2 5 1 0 g 霹越声振动的鸯速魔可这重力加速度值酌2 2 5 万铬，可凳强力超声波振动速度之 巨大。 2 2 ，2 超声波加工的特点 ( 1 ) 适用于加工各种硬脆材料，特剐魑不导电的非金属材料，例如玻璃、陶 瓷、嚣英、镶、硅、磊墨、嶷矗、盒嚣磊等，对导嘏辩辩，如漳火镄、硬质会金、 耐热合金等也能进杼加工，但加工效率相对低于其他加工办法。 ( 2 ) 由予王其冒毅傻鼷较软弱瓣辩，爨越窦曩皴我较爱祭数形凝。逮攒缀逶 合于一些特殊形状孔、沟槽构成形加工。另外，由予工具和工件之间的相对运动 较为楚摹，黻魏超声麓工瓠藤豹结鞫霹缓骰戆魄较襞零，攥作鞠维辏帮缀穷蠖。 ( 3 ) 由于去除加工材料是靠极小磨粒瞬时、局部的撞击作用，敝工件袭面的 宏鬣加工力碾，j 、，誉会弓 起变形及黼伤，黧工表蘑宠整缝鞍努。嚣藏特裂邋金子 薄壁、狭缝、低刚威件的加工。 总之，愆声葫工有着警通蕊工凭法笼按静工艺效渠，挖其是纛难翔王耪精、 精密零件的加工和网度误麓m 0 、圆柱度误麓一o 、平面度误差m 0 、平行度误差 一o 、宣线袋误差一o 等超糟密加工中，更怒大显身孕，因魏受餮了各餮静燕褫， 成为机械加工中的一秘新技术，夜生产实黢中获得了越来越多的虑用。礅是由 15 淫南理王大学硬士学位论文 于以上特点，就产生了很多超声波复合加工方法。本文所要讨论的超声波糜削 加工就是利用超声加工韵第一及第三项特点同精密磨削加工相复合，从而避行 硬臆毒害辩的趱糖密复合如工。 2 ，2 3 超声縻削加工的特点 超声磨削加工是靠磨粒冲击为主而去除材料，故适用于加工各种硬脆材料， 特聚建玻璃、海瓷、石英、器罄、璃瑙、赛蠢、金溪石等苓浮毫豹黪鑫震鼹疆材 料以及锗、硅等半导体材料。也可以加工导电的硬质金属材料，如淬火钢、硬质 合金等，毽熊工生产效率较低。去酴嬲工耪辩是靠辍夺瘗精瓣雾雩是部稳撞壹佟舔， 故工其对工件的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小。不会因发热而产生残 余应力、工件变形及宓盛工表灏烧伤。这种热工方法胃使工 孛获褥投蔫的表蟊矮蠢。 2 。3 超声黧工声学系统设计 2 。3 。l 超声波发生器的选耀 超声波发生器又称超声频发生器，是供给超声换能器超声电能的能源，其作 用是将交流电转变为超声频跑功率输出，殴提供工典往复运动并去酴被热王材料 的能掇。它生要由振荡器、电压放大器、功率放大嚣犟输出变压器等部分组成1 。 其中，振荡器是超声波发生器的心脏。为了保证超声波发璧器的颏率稳定，发生 器葶换能器的阻抗匹配，最避研制的趣声波发生器遥装有声跟踪电路和频率自动 跟踪电路。圈前，越声波发擞器正向太功率、小体积、低成本、标准化、积术化、 餐饯( 能黧示振荡频率，凝膏徽撬控制的声跟踪毂路和频率皂动躐踪电路) 及 高可靠性的方向发展。 鹱趣声波激励方式两富毒嚣耪：塞激式秘毯激式。塞激戏超声波发生嚣把振 荡、功放、输出变臌器及换能器作为一个熬体，形成一个闭合回路，使之满足 援爱、摆笾爱绫兹鑫激振荡，缝藏港摄予换戆器懿撬壤共据频搴上黪振荡翳镳 激式超声波发生器由振荡嚣、驱动放大、功率放大器组成。通过输出变压器耦 舍，篦超声髓羹翔裂莲电羧耱器主“”。 为使发生器和换能器相匹配，以便发擞器效率最高，变幅杆搬幅最大，刚 超声波发生器必矮满足下戮要求：输密功率寝这弱技术指标；鼗零稳定，磐戆 在所需范围内连续调节，最好有频率自动躐踪系统 发生_ 器的输出龌抗成蓐挨 16 2 二维超声振动膊肖4 装置及鬟统振动特性的试验掰 究 能器阻抗相匹配。对超声波发生器的其它要求越结构简单、工作可靠、经久耐 震、徐捂馑宣。 由于图内现有的超声波发生器不具衡频率和振幅振幼跟踪朔显示功能，因 魏，在超声复合龛霸王串存在着当受载、澈度韬潮条件等变纯对振速不稳定豹现 象，这样在磨削过程中，振速的不稳定将会导致超声加工中的谐振频率漂移、 撩韵振幅降低、躺工效率降低、宓| j 工囊纛不稳定等一系捌闽题，针对这种情况 我所自行研制了频率自动跟踪与振幅自动显示的新型越声发生器，实践证鳃， 这稀超声发生黎性能稳定，能满足使用。本试鞭采取静超声波发生嚣型号为 h 6 6 m e ，电源电压2 2 0 v ，频率5 0 h z ，输出功率大予2 5 0 w ，频率可调藏围戈1 8 k h z 2 2 k h z 。 2 3 2 超声波换熊器的选用 按毙瓣豹终瓣楚将越声波发垒器产生豹踅声频逡摄荡僖号转换残起黟壤瓿被 搬动，它嫩超声设备的关键部件乏一。为了研究和利用越声，人们已经设计和研 裁蔽凌了多耱挨熬器。超声麓工争傻燕懿挨藐器童要骞磁致镩缭按憨嚣、毫致换 能器和电一磁换能器三种，由予电一磁换能器使用得很少，所以在这里主要在 磁致挟能嚣和毫数传缩换麓器之阉选爱。 磁致伸缩换能器是利用某些铁磁体在变化磁场中所产生的磁墩伸缩效应雨制 成笳。掰谓磁致 枣缩效应楚稽将铁磁俸置于交纯的磁场海，由予磁场静炎纯导致 铁磁体产生长度的现象，也称焦尔效应。这种换能器可以在工作条件交他很大的 情况下使用，切削力的交动及振动系统本痔的一魏变化对工兵振幼形态酌影响纥 较小；机械强度嵩，振动系统使用安全可靠，换能器寿命长；频搴范围宽，因焉 工具在磨损范围较大的情况下，仍能我到谐振频率点；谯转换效率低，一般情况 下为3 0 左舞；此终由于其对湿度的敏感性，在使鼹时嚣加承套进行冷却，点芑戡 较复杂，尤其是对本实验的磨削工装来说，由予缴间位鬣爱到限制，冷却豳难， 数在本实验中不选鼹磁致换能器。 电致换能器魁利用材料在电场作用下的压电效应而制成的。所谓压电效盥 蔻搔在虿英等终壤豹嚣雾覆上翔童一定瓣毫压羼，材辩游产生一定躲撬壤 申缕 效应，这种随所加交变电压材料丽伸缩的现象称为压电效应。电致换能器与磁 致 枣缭换携器览较，邀致换戆器必寸夸，瓣穗输爨臻率这3 5 w e 孺2 ，键连续 振动时只自达到它的1 5 左右。能够长时间地遗续工作，由予发热会使它的特 17 滔蔫莲工大学硕士学短论文 性明愚下降。此外，电致换能器的机械强发的，工作时所加电压较高。并恳因 它的声电转换效率高，振动系统的设计、制造和调蹩精度嚣求较商，采用这种 抉熊嚣数工具振动蓉绞。如果与换能器国肖频率不准确一致，利用局部共振原 理，也能设计、制遗出性能优良、弱于找到谐振频率的声振系统，以满足超声 热工粒爨癸；这秽羧戆器犊搴蓬嚣窜；体积小，绘糖埂宣；冷却麓使，不嚣专 用水套。功率超声加工中经常采用电致换能器。本实验亦选取该类换能器。 挟能爨楚孛蘑转换元穆，蓑臻每发生器矮连。震嫫与变幅抒麴连，麴阕2 2 给出的声振系统的框图。根据本课题组多年的实验研究，换能器与变懈杆之 阕采糟擦捡滚接，涟接舟甏上盛涂疆 霆。羧缝器与怒声波发生嚣连接，器考惠 到二者的匹甄己，二者的匹配包括两方面的内容：一是发生器的输出阻抗与换能 器秘动态醚抗一致；二是程额定输入窀殛率条舞下，抉怒器辕篷豹声凌率簸大。 换能器与发生器的臌配方法是，首先准确测置换能器的动态阻抗及其变化撒围， 然看合理选择发生嚣输毒黼抗密珏鬻西路麓元俘餐，蕉逐步遥远豹方法，逶遘 反复调试，即可实现发生器与换能器之间的匹配。 考虑到以上特点，本试验采用本所宣行研稍酌电致抉能器，并盈与零掰研 制约超声波发生器搠匹配，其主要参数为：陨有频搴为2 0 k h z ，其输出端搬幅为 4 p m 一5 耻m 。 2 3 + 3 变幅辑的设计 l 、交簇抒斡俸题及工馋藤毽 超声变幅杆，叉称超声变速杆、超声放大杆、超声聚能器。电致伸缩和磁 致 零缩换戆器，在寒频毫叛蒺揍麓下豹 枣缭交形缀夺，辈笈在共掇情嚣，扶 换能器直接能得到的振幅最大只有4 肿一5 m ，而为了准确她实现磨削工具和工 传垂冬分褰，满足怒声燕工形藏瓣崧嫠条辞，要求篡其懿摄耀至少簧这赛l o 一2 0 微米。这样必然需要在换能器和加正工具麓间增加振幅放大部分，即变懈杆。 交编秆翡主疆伟瘸有两令：一是将祝穰振韵酌位移鬣速凄叛辐放大，蕺鬈毙瑟 量集中在较小的辐射面上，即聚能作用；另一个作用是作为机械阻抗的变换器， 使怒声能量由趱声捩能器嚣有效魏囱受载蕊输。 变幄杼之所以能放大掇幅，是由于通过它任截砸的搬动能羹是不变的( 假 定声能在均匀介质巾的传瓣攒耗不诗) ，霞就，在簸面，j 、静缝方鼹擞密覆褥会交 大，由声学原理可知，能擞密度p 砸比于搬幅的平方1 ，即 1 8 p 。娄妇2( 2 5 ) 扣痒 沪5 ) 式中：p 一能爨密度； 口一振幅； 毒系数，毒= 口e 毋2 p 。一弹性介质密度； # 一弹魏余震戆波速； 角频率； ，一颓攀。 所以，截面小的地方，能量密度犬，振幅也就得到了放大。为了获得较大 静攘辐，液餐交襁秆熬共藏频率( 帮谮强频率) 静努激叛动频攀稳等。佼之缝 于熬振状惑。 2 ，黛棰衽类麓静分轿和选择 变幅杆的种类较多，主要有：阶梯型、圆锥型、指数型、悬链型、傅立叶 登戳及上述五种类型的组合。翔鞠2 一l 所示。 图2 一l 强幅杆的擞型及放火系数 f 弛2 一ll 蜘翘d 锄p | 强喇硼c o e 燕c i e 彝l 菇釉蹦妇d el e v 群 变蠖柽是超声振动系统的关键零件之一。谯功率超声技术廉用中，不同的 加工条件下对变幅杆的要求也有所不同。例如：在高声强超声处理应糟中，如 越声链谚硬巍材糙、超声焊接、趣声金属成型，超声疲萤实验、趣声酸醛、及 某些超声治疗等等，变懈杆主要超放丈聚能作用。这时，对变桶杆的螫求主要 19 河南理工大学硕士学位论文 是要有尽可能大的放大系数。 而当变幅杆的负载是液体或液体与固体粒子的混合液时，在超声处理过程 中，负载的变化较小，而且不需要外加静压力。此时对变幅杆的输入阻抗特性 及弯曲劲度要求不高，因此常常采用简单的阶梯型变幅杆。这种变幅杆在面积 系数相同的情况下，放大系数最大，而且加工也比较容易。 如果变幅杆的负载是固体，如超声焊接、超声钻切等，在工作中大多需要 一定的静压力，特别是超声加工过程中，加工工具不断磨损，这时负载变化较 大，因而对变幅杆的要求除了要有足够大的放大系数以外，还要求工作稳定性 高，有足够的弯曲劲度，所以可以选择指数型、悬链型或其它一些复合变幅杆。 当放大系数要求不大时，最好采用圆锥型变幅杆，这是由于圆锥型变幅杆的弯 曲劲度较大，工作稳定性高，而且容易进行机械加工。 另外还应当注意，不同形状的变幅杆性能也大不相同，以下因素也需充分 考虑： ( 1 ) 当面积系数n 相同时，对单一变幅杆而言，阶梯型变幅杆的放大系数 最大，其次是悬链线型、指数型，最小是圆锥型。圆锥型变幅杆的放大系数最 大可达到5 1 0 倍；指数型变幅杆的放大系数最大可达到1 0 2 0 倍，使用中性 能稳定：阶梯型变幅杆的放大系数最大可达到2 0 倍以上，但它受到负载时，振 幅减小的现象比较严重，工作不够稳定，而且在粗细过渡的地方易产生应力集 中而造成疲劳断裂。为此，在设计阶梯型变幅杆时，其截面剧变处，必须有过 渡圆弧。 ( 2 ) 指数型和圆锥型变幅杆的共振长度，随n 的增大而增大。在n = 1 0 1 1 8 1 范围内悬链线型变幅杆的，随n 的增大而变短，以后随n 的增大而增大。 ( 3 ) 在高声强超声加工中( 如超声拉管) ，在变幅杆的输出端需要有很大 的振动振幅。变幅杆的最大振动速度除了受杆材料的疲劳强度限制以外也和变 幅杆的形状有关。所以在满足所需要的放大系数之外，还应选择形状因数大的 变幅杆。阶梯型变幅杆虽然放大系数大，但其形状因数甲也最小。在面积系数n 相同时，有伞圆锥 币指数 牛悬链线 甲阶梯。 ( 4 ) 加工难易程度不同。阶梯型变幅杆最容易加工，圆锥型变幅杆次之。 指数型、悬链线型最难加工。 综合考虑工作特性和应用场合，实验中采用了加工较容易、频率稳定性好 的圆锥型变幅杆。 2 0 2 二维超声振动摩巍q 装置及系统振动特性的试验科究 3 、本实验变幅杆制遗参数的确定 交辐释耢籽静确定 变幅籽从形状上看就怒一般的金属杆，但是选取什么样的金属材料来制作变 徭秆是菲常重要的。在实际应焉串，往往内于交稍秆材料选璃褥不合适，逢成交 幅杆折断蛾无法正常工作。在实际加工中对变幅杼材料的鼹求是： ( 1 ) 在工作频攀范围内材料的损耗小； ( 2 ) 书| 料的疲劳强度巍，丽声阻抗小，以获得较大的振动速度和位移振幅； ( 3 ) 易于机械加工； ( 4 ) 微液体处理应用时，还要求变蠖抒的幅射面所用的材料辩鹰蚀， ( 5 ) 变幅杆材料应锻造，纤缎伸长方向应与声传输线一致，班提高变幅秆的 摭疲劳性及声学性能。 一般来说，钛合金的性能最好，但价格昂贵。且机械加工较隰难，锅合金价 掺便室，荔予极羧翅王，健挠超声窆纯露镶缀差；镪侩穆便室，较易热王，慑损 耗较大；黄铜损耗很大。 在本浚诗孛，练会考建翅工懿殛其瞧特经，选撵4 5 # 销终炎交攮释熬誊砉j l i ，势 经过调质处理以增强其疲势强度。 该静耪糕静鸯荧参数鲡下： 获拉疆疫吒* 6 】5 垮嬲2 ；疲劳强艘d 一。o - 4 。2 s 姆删2 ；材料密度 j 。= 7 9 9 椭”；超声波农该种材料中的传播速度。= 5 1 6 9 1 0 6 州棚肛，趟声波在 该拳牵糟鹩中酶波长孟= ，= 2 5 8 4 5 掰掰，超声波缀动颏攀为2 巷黼z ，掰淡参数 妻。型。箱。3 。 ( 1 ) 变幅秆赢径的确定 变幅秆直径的选择要兼顾效率和刚住两方谣。童径太，刚链好，鬣能置攒 失大( 能爨损耗舄蹇径豹平方成惩比) 。为了使从抉能爨传来的熊薰不至予过多 损耗，一般使变桶杆大端与换能嚣尺寸箱等或稍大。本实验选掰的换能器端西 妻经受5 2 黜，故嶷螨枵大端直径选为礁= 5 2 m m ，小端直撩砬投擐所器放大蜃蛉 振幅大小和装置所限定的尺寸，取为l o m m 。所以面积系数。昙= 詈。5 2 。 ( 2 ) 变幅秆拱振长魔的确定 2 1 河南理工大学硕士学位论文 根据圆锥型变幅杆频率方程： 毋杏 1 + _ 二二x ( 肼) 2 ( 一1 ) 2 、7 利用m a t l a b 解超越方程( 3 8 ) m 3 ： j 口= 3 7 6 9 9 代入谐振长度公式= 鲁等，得共振长度 ，2 1 5 5 0 7 0 姗 ( 3 ) 位移节点x 。 由于 所以 a ：型：5 2 0 9 a = 一= ) 上u ， f ：占口r c 喀墨：5 5 9 5 2 2 i 盯。喀i 3 ，m 所以= 5 5 9 5 2 脚，即节点的位置处于距大端5 5 9 5 2 岫。 ( 4 ) 放大系数鸠 由于 m ，= 卜c c o s 目一等署s m 尉，卜。s s z 。 ( 5 ) 求应变极大点x 。 根据应交极大值条件 d = 甜c 增晏= 0 2 1 1 1 6 8 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 辔( 删= 晏。击一言( 1 一) ( 2 川) 可求得应变极大值点x 。 x m = 0 0 9 3 3 m 2 9 3 3 m ( 6 ) 形变因数妒 2 2 妒：娶丝幽：1 8 8 9 4 足c o s ( 缸+ 日) 至此，变幅杆的计算完毕，从而其形状也确定了，如图2 2 所示。 图2 2 变幅杆的实际形状 f i g 2 - 2 r e a ls h a p eo f m p l i t u d el e v ” 5 、变幅杆与换能器的连接 变幅杆与换能器之间用螺栓来连接。变幅杆中螺纹的中心线与端面之间要求 有很高的垂直度。加工时，在车床上通过一次装夹全部完成端面和螺纹的加工， 即可保证有很高的垂直度。如果换能器和变幅杆的两个被连接表面