（机械制造及其自动化专业论文）超声振动辅助磨削技术及机理研究.pdf

摘要 摘要 超声振动辅助磨削加工技术是加工硬脆性材料的重要加工方法之一，具有 重要的理论意义和广阔的应用发展前景。 本文对工件沿砂轮切向、轴向和径向超声振动的超声振动辅助磨削加工技 术进行了系统的理论和试验研究，研究主要内容包括：三种超声振动辅助磨削 加工的运动学特性、磨削力特性、材料去除机理及加工表面质量。 超声振动辅助磨削过程中，材料的去除是磨粒与工件相互干涉的结果，因 而对砂轮一工件、磨粒- - - i - 件的运动学进行分析是研究超声振动辅助磨削加工 特点的理论基础。为研究砂轮表面磨粒与工件的相对运动关系，建立了三种超 声振动辅助磨削加工的运动学模型；基于建立的模型，研究了砂轮表面单颗磨 粒相对工件的运动特点、运动轨迹并对相关几何参数进行了分析计算；对三种 超声振动辅助加工方式下，单颗磨粒与工件分离的临界条件进行了分析。分析 结果表明：三种超声振动辅助加工方式下单颗磨粒的运动路径长度均大于普通 磨削时的运动路径长度；由于切向和径向超声振动辅助磨削加工过程中存在分 离状态，因而单颗磨粒实际参予切削的弧长不一定大于普通磨削的切削弧长， 轴向超声振动辅助磨削加工过程属于永久接触型磨削，单颗磨粒的实际切削弧 长大于普通磨削的切削弧长：轴向超声振动辅助磨削的平均切屑断面积比普通 磨削的要小；切向超声振动辅助磨削加工过程中，砂轮对工件具有往复熨压作 用：超声振动辅助磨削加工过程中，单颗磨粒与工件分离的临界速度不仪与超 声振动振幅彳，频率厂有关，与砂轮线速度h 及连续切削刃间隔a 也有天；切 向和径向超声振动模式下，当连续切削刃间隔口为振动波长的整数倍时，不论 如何匹配磨削工艺参数超声振动辅助磨削只能为连续磨削过程。试验证明超 声振动车削理论不完全适用于切向超声振动辅助磨削加工过程，单颗磨 与 件分离的时刻滞后于砂轮开始远离工件的时刻。 磨削力的大小不但可以反映出整个磨削过程中砂轮与工件之间的相j 干涉 过程评价磨削效果的好坏，还可以在一定程度上预测加工表面质量及加工变 质层深度，因此，有必要对砂轮磨削过程中产生的磨削力做细致的研究。本艾 建立了普通磨削和三种超声振动辅助加工方式下单颗磨粒磨削力数学模州。从 国家自然科学基金资助项l i ( 5 0 5 7 5 1 2 7 ) ：山东省自然科学基金资助项目( y 2 0 0 5 f i o ) 山东大学博士学位论文 切削变形力和摩擦力两方面展开研究。通过引入单位磨削力凡，建立了切削变 形力的数学模型；根据磨削能力参数，给出了摩擦力数学模型；进而对各 种加工方式下的磨削力进行了理论分析与试验研究。研究结果表明：分离型切 向和径向超声振动辅助磨削加工过程中，单颗磨粒在磨削区的平均切削深度大 于普通磨削时的平均切削深度，轴向超声振动辅助磨削时，理论上单颗磨粒的 切削深度与普通磨削的相同；相同加工条件下，切向和径向超声振动辅助磨削 过程中的单位磨削力低于普通磨削，这是工件超声振动时的软化效应和冲击作 用的结果；轴向超声振动辅助磨削过程中磨削力大幅降低，并且超声振动振幅 和频率的增加有助于磨削力的降低，而砂轮速度的增加减弱了超声频振动对磨 削力的影响；工件沿切向、轴向或径向施加超声频振动均使摩擦系数降低，切 向超声振动的施加使得摩擦系数降低最为明显，径向振动次之，轴向振动最弱 试验研究表明砂轮粒度和磨削用量对磨削力有一定影响，磨削力随砂轮磨粒直 径、磨削深度和工件速度的增加基本呈上升趋势，随砂轮速度的增加呈降低趋 势；三种超声振动方式的施加使磨削力随磨削用量变化的趋势减缓，但均对磨 削力产生很大影响，对于切向磨削力厅。轴向超声振动使之大幅上升，切向超 声振动次之，而径向超声振动使之下降：对于法向磨削力凡，三种超声振动方 式均使之大幅降低，其中径向超声振动影响最为明显，切向超声振动次之，轴 向超声振动影响最弱；三种超声振动辅加方式均使磨削力比有较大幅度的降低， 相比较而言，轴向超声振动使之降低最为明显，磨削力比在o 8 1 3 之间；切向 超声振动略次之，磨削力比基本在1 1 5 之间，并且最低点低于l ：径向超声振 动最弱，磨削力比在1 3 - 2 之间。 试验研究了不同砂轮粒度、磨削深度，超声振动辅加方式下加工表面的脆 塑性显微形貌特征。研究结果表明：细粒度砂轮进行磨削可以使材料脆性断裂 比例减小，塑性变形比例加大；各种加工方式下，磨削深度大时，材料脆性断 裂比例增加，磨削深度小时，材料脆性断裂比例减小：相同磨削条件f ，采用 不同超声振动辅加方式时，材料去除，j 式守较大差别：切向超声振动辅助磨削 加工过程中，材料主要以穿晶断裂、峨性剪切及少量沿晶断裂方式去除：轴向 超声振动辅助磨削加 i 过程中，材料t 要以穿晶断裂与塑性剪切厅式左除；径 向超声振动辅助蘑削加工过程中，材仁要以断裂破碎出除，h 加【表面残留 裂纹：满足定加 条件时，可以实脆惟材料的塑性加工；砂轮粒度微细化、 磨削深度微镀化足实现材料脆塑性轧变的重要条件；给出了脆件材 ：i 脆塑性 i l 摘要 转变的临界条件，通过试验得知切向和轴向超声振动的引入有助于材料去除从 脆性断裂向塑性剪切转变，而径向超声振动的引入使临界切削深度减小，使材 料更倾向于脆性断裂去除 基于普通磨削和三种超声振动辅助加工方式下加工表面创成机理，建立了 各种加工方式下加工表面粗糙度计算模型，并进行了试验研究。普通磨削时， 加工表面由后续切削刃完成，其加工表面粗糙度与连续切削刃间隔、工件速度 和磨粒顶锥角成正比，与砂轮速度成反比；切向超声振动时，加工表面创成存 在两种情况：由后续切削刃完成或由多个后面的切削刃完成，其加工表面粗糙 度低于普通磨削的值；轴向振动时，加工表面由切削痕迹相互交错完成，形成 网状结构，其加工表面粗糙度与连续切削刃间隔、工件速度和磨粒顶锥角成正 比，与砂轮速度、振幅和频率成反比；径向振动时，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，在合理设计磨削用量的前 提下也可以使表面粗糙度降低。试验研究结果表明：砂轮粒度对加工表面影响 最为显著；三种超声振动辅助磨削方式下，轴向超声振动的施加使磨削表面粗 糙度降低最为明显；切向超声振动的施加使磨削表面粗糙度略有降低，但幅度 不是很大；径向超声振动的施加使得磨削表面粗糙度有增加的趋势。通过观察 磨削表面断面形貌，对加工亚表面进行了分析，分析结果表明：径向超声振动 的施加使磨削表面变得更加粗糙，且裂纹数量增加；切向和轴向超声振动的施 加利于获得良好的加工表面质量。试验测定了不同加工方式下磨削表面的硬度 变化情况，测定结果表明：四种加工方式下，加工表面硬度均大f ：基体材料硬 度；切向和径向超声振动磨削表面硬度比普通磨削的要低，轴向超声振动磨削 表面硬度比普通磨削的要高；磨削表面硬度的变化是磨削表面亚表面裂纹系统 与磨削温度共同作用的结果。 关键词：超声振动：磨削；运动特性：磨削力；表面粗糙度 i i i 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t u l t r a s o n i cv i b r a t i o na s s i s t e dg r i n d i n g ( u a g ) i so n eo f t h em e t h o d sm a c h i n i n g b r i t t l em a t e r i a l s ，o w n s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i n t h e o r y a n dac a p a c i o u s d e v e l o p m e n tf o r e g r o u n d s y s t e m i ct h e o r ya n de x p e r i m e n ts t u d yo nt h eu a gw e r em a d ei nt h i sp a p e r ， w h e r et h ew o r k p i e c ew a sv i b r a t e da l o n gt a n g e n t i a l ，a x i a lo rn o r m a ld i r e c t i o no ft h e g r i n d i n gw h e e l ( t u a g ，a u a ga n dn u a g ) t h es t u d yc o n t e n t sm o s t l yi n c l u d e d k i n e m a t i c s c h a r a c t e r i s t i c s ，g r i n d i n g f o r c e c h a r a c t e r i s t i c s ，m a t e r i a l s r e m o v a l m e c h a n i s ma n dm a c h i n e ds u r f a c eq u a l i t y d u r i n gt h eu a gp r o c e s s ，t h em a t e r i a lr e m o v a li st h er e s u l to fi n t e r f e r e n c e b e t w e e nt h ea b r a s i v eg r i t sa n dw o r k p i e c e ，s oi ti st h et h e o r yb a s eo fr e s e a r c h i n gt h e m a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c so f u a g t oa n a l y z et h ek i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e n t h eg r i n d i n gw h e e lo ra b r a s i v eg r i t sa n dt h ew o r k p i e c e i no r d e rt os t u d yt h e c o r r e l a t i v em o v e m e n tb e t w e e nt h ea b r a s i v eg r i t sa n dt h ew o r k p i e c e ，t h ek i n e m a t i c s m o d e l so ft h et h e r eu a gm e t h o d sw o r ef o u n d e d b a s e do nt h em o d e l so fg r i n d i n g p r o c e s s ，t h ek i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h er e l a t i v em o v e m e n tt r a c eb e t w e e nt h e s i n g l ea b r a s i v eg r i ta n dt h ew o r k p i e c ew e r er e s e a r c h e d ，a n dt h ec o r r e l a t i v e g e o m e t r yp a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d t h ec r i t i c a lc o n d i t i o n so ft h e a b r a s i v eg r i ta p a r tf r o mt h ew o r k p i e c ew c l - ea l s oa n a l y z e df o rt h et h e r eu a g t h e a n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em o v ep a t hl e n g t ho fa na b r a s i v eg r i ti na n yu a g w a sl o n g e rt h a nt h a ti nc o n v e n t i o n a lg r i n d i n g ( c g ) ，a n db e c a u s eo ft h es e p a r a t e p r o c e s s ，t h ea c t u a lc u t t i n ga r cl e n g t hi nt a n g e n t i a la n dn o r m a lu l t r a s o n i cv i b r a t i o n m o d e sw a sn o ta l w a y sl o n g e rt h a nt h a ti nc g a n dt h ea v e r a g ec r o s s s e c t i o n a la r e a i na u a gw a ss m a l l e rt h a nt h a ti nc g t h ew o r k p i e c ew a sr e c i p r o c a t i v e l yi r o n e db y t h eg r i n d i n gw h e e ld u r i n gt u a g d u r i n gu a g p r o c e s s ，t h ec r i t i c a ls p e e do ft h e s i n g l ea b r a s i v eg r i ta p a r tf r o mt h ew o r k p i e c ew a sn o to n l yr e l a t et ot h ea m p l i t u d ea a n dt h ef r e q u e n c y f , b u ta l s or e l a t et ot h eg r i n d i n gv e l o c i t yv sa n dt h ec u t t i n gp o i n t s p a c ea d u r i n gt h et a n g e n t i a la n dn o r m a lu a g i f t h ec u t t i n gp o i n ts p a c ei sa p r o j e c ts u p p o r t e db yn a t t o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 5 7 51 2 7 ) a n dn a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n gp r o v i n c e ( y 2 0 0 5 f 1 0 ) l v a b s t r a c t m u l t i p l eo ft h ev i b r a t i o nw a v e l e n g t h , t h em a c h i n i n gp r o c e s sw a so n l yc o n t i n u o u s g r i n d i n gp r o c e s sn om a t t e rh o w t om a t c ht h eg r i n d i n gp a r a m e t e r s t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nc u t t i n gt h e o r yd i dn o ta b s o l u t e l ya d a p t t ot h et u a ga n dt h a tt h et i m eo ft h es i n g l ea b r a s i v eg r i ta p a r tf r o mt h ew o r k p i e c e l a g g e dt h a to f t h eg r i n d i n gw h e e la p a r tf r o mt h ew o r k p i e c e 硼 g r i n d i n gf o r c ec a nn o to n l yr e f l e c tt h ei n t e r f e r e n t i a ls t a t eo ft h eg r i n d i n g w h e e la n dt h ew o r k p i e c e ，e s t i m a t et h eg r i n d i n gq u a l i t y , b u ta l s ot oac e r t a i ne x t e n t f o r e c a s tt h em a c h i n e ds u r f a c eq u a l i t ya n dt h ed e p t ho ft h ed e g e n e r a t i n gl a y e r , s oi t i sn e c e s s a r yt od e t a i l e d l yr e s e a r c ht h eg r i n d i n gf o r c ep r o d u c e di ng r i n d i n gp r o c e s s t h eg r i n d i n gf o r c em a t h e m a t i cm o d e l so fa na b r a s i v eg r i ti nc ga n dt h et h e r eu a g w e r ef o u n d e d ，a n dt h eg r i n d i n gf o r c ew a ss t u d i e df r o mt h et w oa s p e c t so fc u t t i n g d e f o r m i n gf o r c ea n df r i c t i o n f o r c e t h em a t h e m a t i c sm o d e l so ft h ec u t t i n g d e f o r m i n gf o r c ew a sm a d eb yi n t r o d u c i n gt h eu n i tg r i n d i n gf o r c e ，r ，a n dt h e m a t h e m a t i c sm o d e l so ft h ef r i c t i o nf o r c ew a sp r e s e n t e db yd e f i n i n gt h eg r i n d i n g a b i l i t yp a r a m e t e r s ，a n dt h es y s t e m i ct h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo f g r i n d i n gf o r c ew e r em a d e t h es t u d yr e s u l t si n d i c a t e dt h a td u r i n gt a n g e n t i a la n d n o r m a l j a gw i t hs e p a r a t ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea v e r a g ec u t t i n gd e p t ho fs i n g l e a b r a s i v eg r i tw a sd e e p e rt h a nt h a to fc g ，a n dt h ea v e r a g ec u t t i n gd e p t ho fs i n g l e a b r a s i v ew a se q u a lt ot h a to fa u a gi nt h e o r y ；t h eu n i tg r i n d i n gf o r c ei nu a gw a s l o w e rt h a nt h a ti nc gu n d e rt h es a m em a c h i n i n gc o n d i t i o nb e c a u s eo f t h ew o r k p i e c e i n t e n e r a t i n ga n di m p a c te f f e c t ；t h eg r i n d i n gf o r c ew a sd e c r e a s e di na u a g ，a n dt h e h i g h e ru l t r a s o n i ca m p l i t u d ea n df r e q u e n c yw a sh e l p f u lt ot h ed e c r e a s eo ft h e g r i n d i n gf o r c e ；h o w e v e r , t h eh i g h e l g r i n d i n gv e l o c i t y w e a k e n e dt h e c o n t r i b u t i v e n e s so fu l t r a s o n i cv i b r a t i o nt ot h ed e c r e a s eo ft h eg r i n d i n gf o r c e ；t h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n tw 私r e d u c e di nt h et h e r eu a g a n dt h et a n g e n t i a lu l t r a s o n i c v i b r a t i o nh a dt h em o s te f f e c to ni t , t h en o r m a iu l t r a s o n i cv i b r a t i o nt o o ks e c o n d p l a c e ，t h ea x i a lu l t r a s o n i cv i b r a t i o nw a st h el a s t t h eg r i n d i n gf o r c ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eg r i n d i n gf o r c ew a sa f f e c t e dt oac e r t a i ne x t e n tb yt h e g r i n d i n gw h e e lg r a n u l a r i t ya n dg r i n d i n gp a r a m e t e r s ，a n dt h eg r i n d i n gf o r c e i n c r e a s e dw i t hl a r g e rg r a i nd i a m e t e r 。g r i n d i n gd e p t ha n dw o r k p i e c es p e e d ，w h i l et h e i n c r e a s eo ft h eg r i n d i n gv e l o c i t yl e dt oad e c r e a s eo ft h eg r i n d i n gf o r c e ；t h e u l t r a s o n i cv i b r a t i o nw e a k e n e dt h ev a r y i n go ft h eg r i n d i n gf o r c ew i t ht h eg r i n d i n g v 山东大学博士学位论文 p a r a m e t e r s ，h o w e v e r ，h a sg r e a te f f e c to i lt h eg r i n d i n gf o r c e ；t ot h et a n g e n t i a l g r i n d i n gf o r c e ，e ，t h ea x i a lu l t r a s o n i cv i b r a t i o nl e dt oai n c r e a s eo f i t ，t h et a n g e n t i a l u l t r a s o n i cv i b r a t i o nt o o ks e c o n dp l a c e ，w h i l e 厅d e c r e a s e db e c a u s eo ft h en o r m a l u l t r a s o n i cv i b r a t i o n ；t ot h en o r m a lg r i n d i n gf o r c e ，r ，t h en o r m a lu l t r a s o n i c v i b r a t i o nm a d ei td e c r e a s et h em o s t ，t h et a n g e n t i a lu l t r a s o n i cv i b r a t i o nt o o ks e c o n d p l a c e ，t h ea x 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h e c r a c k sr e m a i ni nt h em a c h i n e ds u r f a c ei nn u a g ；t h e p l a s t i cp r o c e s s i n go fb r i t t l e m a t e r i a l sc o u l db er e a l i z e du n d e rc e r t a i nm a c h i n i n gc o n d i t i o n ；t h em i n u t e n e s so f t h eg r i n d i n gw h e e lg r a n u l a r i t ya n dt h em i c r og r i n d i n gd e p t hw e r et h ei m p o r t a n t c o n d i t i o n so fr e a l i z i n gt h eb r i t t l e d u c t i l et r a n s i t i o n t h ec r i t i c a lc o n d i t i o no f b r i t t l e d u c t i l et r a n s i t i o nw a s 西v e i l a n di tw a so b t a i n e db ye x p e r i m e n t a ls t u d yt h a t t h et a n g e n t i a la n da x i a lu l t r a s o n i cv t b r a t i o nh e l p e dt ot h eb r i t t l e - d u c t i l et r a n s i t i o no f b r i t t l em a t e r i a lr e m o v a l ，w h i l et h en o f m a lu l t r a s o n i cv i b r a t i o nm a d et h ec r i t i c a l c u t t i n gd e p t hd e c r e a s ea n dt h em a t e r i a lw a si n c l i n e dt ot h eb r i t t l ef r a c t u r er e m o v a l b a s e do nt h eg r o u n ds u r f a c eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mi nc ga n du a g t h e m o d e l sf o r g r o u n d s u r f a c e r o u g h n e s sw e r eb u i l ta n dt h ee x p e r i m e n t sw e r e c o n d u c t e d i nc g ，t h em a c h i n e ds u r f a c ew a sg e n e r a t e db yt h el a t t e rc u t t i n gp o i n t v i a b s t r a c t a n dt h er o u g h n e s sw & qi nd i r e c tp r o p o r t i o nt ot h ec u t t i n gp o i n ta p a c e ，w o r k p i e c e s p e e d ，a n dt h ec o n e - a p e xa n g l eo ft h eg r a i n sa n dw a si ni n v e r s ep r o p o r t i o nt ot h e g r i n d i n gv e l o c i t y ；i nt u a g ，t h em a c h i n e ds u r f a c ew a sg e n e r a t e db yt h el a t t e r c u t t i n gp o i n to ras e r i e so fl a t t e rc u t t i n gp o i n t s ，a n dt h er o u g h n e s sw a sl o w e rt h a n t h a ti nc g ；i na u a g ，t h em a c h i n e ds u r f a c ew a st h er e t i c u l a rs t r u c t u r eg e n e r a t e db y t h ei n t e r l a c e dc u t t i n gt r a c e ，a n dt h er o u g h n e 8 sw a si nd i r e c tp r o p o r t i o nt ot h ec u t t i n g p o i n ts p a c e ，w o r k p i e c es p e e da n dt h ee n n e - a p e xa n g l eo ft h eg r a i n sa n dw a si n i n v e r s ep r o p o r t i o nt ot h eg r i n d i n gv e l o c i t y ，u l t r a s o n i ca m p l i t u d ea n df r e q u e n c y ；i n n u a g ，t h em a c h i n e ds u r f a c ew a sg e n e r a t e db yas e r i e so fl a t t e rc u t t i n gp o i n t s ，a n d t h er o u g h n e s sw a sh i g h e rt h a nt h a t i nc g ，w h i l em a y b eb er e d u c e dw h e nt h e g r i n d i n gp a r a m e t e r sw e r es e ta p p r o p r i a t e l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h eg r i n d i n gw h e e lg r a n u l a r i t yp r o d u c e dt h eg r e a t e s te f f e c to nt h eg r o u n ds u r f a c e q u a l i t y ；i nt h e r eu a gm o d e s ，t h ea x i a lu l t r a s o n i cv i b r a t i o n l e dt ot h eg r e a t e s t d e c r e a s eo ft h er o u g h n e s s ，t h et a n g e n t i a lu l t r a s o n i cv i b r a t i o nt o o ks e c o n dp l a c e ， w h i l et h er o u g h n e s sw a si n c r e a s e db e c a u s eo ft h en o r m a lu l t r a s o n i cv i b r a t i o n t h e g r i n d i n gs u b s u r f a c ew a sa n a l y z e db yo b s e r v i n gt h es e c t i o nt o p o g r a p h y t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h eg r i n d i n gs u r f a c eb e c a m ec o a r s e ra n dp r e s e n tm o r ec r a c k ；t h e t a n g e n t i a le n da x i a lu l t r a s o n i cv i b r a t i o nh e l p e dt oi m p r o v et h e 鲥n d i n gs u r f a c e q u a l i t y t h eg r i n d i n gs u r f a c eh a r d n e s si nd i f f e r e n tm a c h i n i n gm o d e sw a sm e a s u r e d b yt h em i c r o h a r d n e s se q u i p m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg r i n d i n gs u r f a c e h a r d n e s si nb o t hc ga n du a gw a sh i g h e rt h a nt h a to ft h 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