（机械制造及其自动化专业论文）超声振动珩磨加工技术的试验研究.pdf

超声振动珩磨加工技术的试验研究 摘要 超声振动加工装置是机、电、声一体化高新技术产品，是一种提高加工质量和加工 精度的新型设备。超声振动系统是超声应用的关键部件，稳定、高效、可靠的超声振动 系统对于超声的应用是至关重要的。本文重点介绍了超声振动系统的设计原理，并将其 应用于珩磨加工。超声珩磨加工具有磨削力小、磨削温度低、油石不易堵塞、加工质量 高等一系列优点，为提高珩磨效率和解决韧性、高硬、高强材料的光整加工开辟了新途 径。 一 本文先介绍了超声振动加工的国内外发展情况，引出了所要进行的试验研究的必要 性和迫切性。然后分析和研究了超声理论和超声振动切削机理，具体分析了超声振动的 运动学特点，并与普通切削的加工效果进行对比，得出了超声振动切削的优点。研究了 超声振动系统的理论和设计方案，重点介绍了超声波发生器、换能器、变幅杆的设计及 材料选择等方面的内容。最后对超声振动珩磨进行理论研究，设计了矽1 5 0 立式超声振 动珩磨的试验装置，并从磨削效率、磨削力、磨削区温度、工件表面粗糙度四个方面， 与普通珩磨进行了对比试验，分析了相关试验数据，试验结果表明，超声振动珩磨具有 加工效率高、珩磨磨削力小、磨削区温度低、加工精度高等优点。 关键字：超声振动、换能器、变幅杆、精密加工、超声振动珩磨 t 。p e r i m e n t a lr e s e a r c haboulle e x p e r l m e n t a lr e s e a r c hab o u t l t h ep o w e r - u l t r a s o n i cv i b r a t i o nm a c h i n e g a o c h u n - q i a n gy a n gb o z h ux i - ji n g a b s tr a c t t h ep o w e r - u l t r a s o n i cv i b r a t i o nm a c h i n ew h i c hi n t e g r a t e su l t r a s o n i c s y s t e m w i t h e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e mi san e wp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mi s t h ek e yp a r ti nt h ep o w e r u l t r a s o n i ca p p l i c a t i o n a s t e a d y ，e f f i c i e n t ，r e l i a b l eu l t r a s o n i c v i b l a t i o ns y s t e mi sc r u c i a lf o rp o w e r - u l t r a s o n i ca p p l i c a t i o n t h ep a p e re m p h a s i z e st h et h e o r y a n dd e s i g np r i n c i p l e so fu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e ma n da p p l i e st h i ss y s t e mt ou l t r a s o n i c h o n i n gd e v i c e t h eu l t r a s o n i ch o n i n gm a c h i n eh a v ev a r i o u sv i r t u e ss u c ha sr e d u c i n gg r i n d i n g p o w e ra n dt e m p e r a t u r e ，p r o m o t i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t y i tp r o v i d e san e ww a yo f h i g h p r o d u c t i v i t y ，h i g hq u a l i t yf o rt e n a c i t ya n di n t e n s i t ym a t e r i a l t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fu l t r a s o n i cm a c h i n eb o t ha th o m ea n da b r o a d ， a n ds h o w ss t u d yi m p o r t a n c e t h i sp a p e ra n a l y s e st h eu l t r a s o n i ct h e o r y ，c u t t i n gt h e o r ya n d m o v i n go fu l t r a s o n i cv i b r a t i o n t h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nm a c h i n eh a sm a n ym e r i t sc o m p a r i n g w i t hg e n e r a lm a c h i n e t h i sp a p e rd i s c u s s e sd e s i g np r o c e d u r e so fu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e m i nt e r m so ft h e o r y , a n dt h ed e s i g np r i n c i p l eo fc o m p o n e n tm a k i n gu pu l t r a s o n i cv i b r a t i o n s y s t e m ，s u c ha s ： u l t r a s o n i cg e n e r a t o r ，t r a n s d u c e r ，h o r n s m o r e o v e r ，c o n n e c t i o na n dt e s ti s s t u d i e d i nt h ea n d ，t h ec u t t i n gt h e o r yo fu l t r a s o n i ch o n i n gi sd i s c u s s e s t h ed e s i g n sa n d i n s t a l l a t i o no nv e r t i c a lu l t r a s o n i ch o n i n gm a c h i n eo f 15 0 m mi sc o m p l e t e d t h ed a t ew h i c hi s a b o u tg r i n d i n gp o w e r ，g r i n d i n gt e m p e r a t u r e ，g r i n d i n ge f f i c i e n c ya n dg r i n d i n gq u a l i t yi so b t a i n e d b yc a r r y i n go u ta ne x p e r i m e n t t h eu l t r a s o n i ch o n i n gm a c h i n ei sp r o v e dt oh a v i n gs t e a d y a b i l i t ya n da c h i e v i n gg o o dr e s u l t sc o m p a r e dt og e n e r a lh o n i n gm a c h i n e k e y w o r d ：u l t r a s o n i cv i b r a t i o n ，t r a n s d u c e r ，h o r n s ，p r e c i s i o nm a c h i n e ，u l t r a s o n i ch o n i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：三盘! 杰：日期：兰翌墨至基! ! 叠 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名：立i 左j 秀日期：伽莎耳恩f f 园签 名：，3 虚! 竺日期：兰竺兰型垡! ! 里 导师签名： 中北大学学位论文 1 1 课题研究的目的和意义 1绪论 随着科学技术的飞速发展，尤其是在航空航天、电子、仪器、仪表、精密机械、自 动控制及医疗机械等行业，对各种精密机械零件的加工精度和表面质量要求越来越高， 同时各种硬脆性材料( 如玻璃、工程陶瓷、半导体和铁氧体) 、难加工材料( 如不锈钢、 耐热钢、硬质合金) 、复合材料等材料的不断涌现和日益广泛的应用，对加工技术提出 了挑战。这些材料有着重量轻、抗腐蚀性强、耐高温、耐磨损等极为优异的特性，但同 时却硬度高、脆性高，使用传统的加工方法对其进行加工几乎是不可能的或者造价很高， 所以寻求经济、高效的加工技术，已成为国内外工程界的研究热点。探索新的加工方法、 改善加工过程这一客观需要推动和促进了超声加工技术的发展。超声振动加工能够成功 的应用就在于其能实现高效、高质量和高精度的加工、具有高的加工稳定性和可靠性。 振动切削按振动频率分为高频振动切削和低频振动切削n 2 3 。振动频率在2 0 0 h z 以下 的振动切削称为低频振动切削，它主要是靠机械装置来实现。振动频率在1 6 0 0 0 h z 以上 的振动切削称为高频振动切削，也叫超声振动切削，它是利用超声波发生器、换能器、 变幅杆来实现的。由于振动频率在1 0 0 0 0 h z 左右的振动会产生令人讨厌的噪声，所以一 般不被采用。一般来说，工件的固有频率多在5 0 0 0 h z 以下，因而用2 0 k h z 以上的所谓超 声波范围的振动频率，使切削工具进行振动切削时，其切削机理大体上就是不灵敏性振 动切削机理。 超声振动加工n 3 3 是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料 的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方 向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互组合的加工方法。超声加 工具有传统的机械加工不可比拟的优异工艺效果，如切削力小、切削温度低、提高表面 光洁度和加工精度、提高刀具耐用度、提高冷却液使用效果等。它具有以下优势h 1 ： 1 适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不 1 中北大学学位论文 导电的非金属材料，也可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、钦合金等硬质或耐热导电的 金属材料； 2 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削 力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低( r 。可达 0 6 3 0 0 8 ) ，加工精度显著提高( 尺寸精度可达正负o 0 3m m ) ，也适于加工薄壁、窄缝、 低刚度零件； 3 工具可用较软的材料做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复杂的相 对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。一般超声加工机床的结构比较简单，操作、 维修也比较方便乜1 。 当今，超声技术已成为国际上公认的高科技领域，例如在航天、电子、仪器、仪表、 精密机械等部门涉及到振动与声、电子、机械及材料等新技术。超声加工的应用范围主 要包括：超声切削加工，超声磨削加工，超声光整加工，超声塑性加工，超声冲击加工 等。可以预见，随着科学技术的发展，它必将在国民经济建设中发挥越来越大的作用。 1 2 超声加工的发展及研究方向6 7 1 超声振动加工作为一种新兴的特种加工技术，引起国内外专家学者的广泛关注。超 声加工起源于5 0 年代初期，最早研究超声加工技术的国家是日本。日本在甲府设立了 专门的振动切削研究所，许多大学和科研机构都设有这个研究课题。日本研究超声加工 的主要代表人物有两位，一位是中央大学的岛川正惠教授，另一位是宇都宫大学的隈部 淳一郎教授。日本研究人员不但把超声加工技术应用在普通设备上，而且在精密机床、 数控机床中也引入了超声振动系统，并且试图将超声加工引入超精密加工机床。原苏联 的超声加工研究也比较早，在超声车削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有 生产应用，并取得了良好的经济效果。6 0 年代初，美国开始了超声加工的研究工作，7 0 年代中期，美国在超声钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已处于生产应 用阶段；超声车削、钻孔、锉孔已处于实验生产设备原型阶段，通用超声振动切削系统 己供工业应用。 2 中北大学学位论文 + 我国超声加工的研究始于上世纪5 0 年代末，当时超声波发生器、声振系统很不成熟， 缺乏合理的组织和持续的研究工作。6 0 年代末，哈尔滨工业大学应用超声车削，加工了 一批飞机上的铝制细长轴，取得了良好的切削效果。1 9 7 6 年以后，我国再次开展超声 加工的实验研究和理论探讨工作，吉林工业大学、广西大学及甘肃光学仪器厂等单位， 率先进行超声车削设备的试验研究。1 9 8 2 年，上海钢管厂、中国科学院声学研究所及上 海超声波仪器厂研制成功超声拉管设备，为我国超声加工在金属塑性加工中的应用填补 了空白。1 9 8 3 年1 0 月在“振动切削专题研讨会”上充分肯定了振动切削在金属切削中的 重要作用，交流了研究和应用成果，促进了这项新技术在我国的深入研究和推广应用。 1 9 8 5 年，机械电子工业部第1 1 研究所研制成功超声旋转a n t 机，在玻璃、陶瓷、y a g 激光晶体等硬脆材料的钻孑l 、套料、端铣、螺纹a n t _ 中，取得了优异的工艺效果。1 9 9 1 年研制成功变截面细长杆超声车削装置，从根本上解决了各种复杂形状的变幅杆、等截 面细长杆精密加工的重大技术难题。到2 0 0 1 年为止，我国己发表了1 0 0 0 多篇有关超声波 加工方面的科学研究论文。随着超声加工理论研究的不断深入和加工设备的不断完善， 超声加工必将在我国技术进步和社会主义现代化建设中起到重要作用。 近十年来，现代半导体技术的发展，新材料的日新月异使大超声的产生、基本效应 的研究和技术应用取得了较大的进展，国内一些传统的a n t 、焊接、粉碎、乳化方兴未 艾，发展较快的新技术及其应用( 例如声化学和声空化、超声马达、超声悬浮、超声治 疗等) 也十分活跃，超声技术的潜在应用正激起人们越来越大的兴趣。超声加工技术， 在超声切削加工、超声冲击加工、超声磨削加工、超声光整加工、超声塑性加工及超声 复合a n - r - 等领域有着较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料中解决了许多关键性的 工艺问题，取得了良好的效果。 超声在工业上的大致应用情况有以下几个方面： 1 超声a nt ，是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动从而完成加工的方法， 超声a n t 具有传统的机械a n - v 不可比拟的优异工艺效果。 2 超声清洗，主要应用于电子、电气、仪器仪表、机械、钟表、制笔、光学玻璃、 汽车、航空和原子能等工业，它主要是利用超声的空化作用。 3 超声金属焊接，两被焊件在压力和换能器工具头切向力的高频磨擦下产生温度 和塑性流动，它是通过被焊区域内金属原子的互相扩散或互相接近状态下的固相结合。 3 中北大学学位论文 4 超声分散，它是超声在液体中最突出的应用，其中包括乳化、粉碎、雾化和凝 胶的液化等，超声分散完全是靠液体的空化作用进行。 5 超声处理，例如超声淬火可大大提高材质淬火后的硬度与淬火速度，且抗拉强 度和屈服极限比一般淬火方式有明显的提高。在污水处理上引入超声波技术也取得了进 展，用超声辐照空气中饱和的污水，可使污物发生裂解。 6 乳化原油的超声波脱水，超声波破乳是基于超声波作用于性质不同的流体介质 而产生的位移效应来实现的。 7 超声马达，是通过超声换能器将电能转换为某种模式的机械振动，然后通过定 子与转子之间的摩擦力使转子运动。 8 超声悬浮，是利用强驻波声场中的声辐射压力与悬浮物体的重力相平衡，从而 使其稳定地悬浮在声场中或在声场中移动的技术。声悬浮技术无机械支撑，对悬浮体不 产生附加效应，因此在物理学、流体力学、生物学、材料科学等领域都有广泛应用。声 悬浮技术的具体应用有高纯度材料的制备、液体及生物介质的力学性质研究等。 9 超声治疗与保健，在医学中超声治疗主要是指超声理疗和超声外科。 1 3 本文主要研究的内容 本文主要在熟悉超声理论、超声振动机理及超声振动系统设计理论的基础上研究超 声振动系统的设计，并将超声振动系统在珩磨加工上的应用进行了实验研究。本文共五 章内容如下： 第一章绪论简单介绍了选题的目的和意义，简述了超声加工的发展方向、现状及 其应用情况，并阐述了本文所要完成的内容； 第二章超声理论及超声振动切削机理介绍了超声波的基本理论、超声振动加工的 机理，如摩擦系数降低理论、剪切角增大理论等，研究了振动切削的运动学特点； 第三章超声振动系统设计及理论介绍了超声振动系统的组成及各组成部分的设计 原理； 第四章超声振动珩磨的理论研究和试验研究对超声振动珩磨进行理论研究，设计 了超声振动珩磨装置的试验方案，并与普通珩磨进行对比试验，分析了试验结果，得出 4 中北大学学位论文 超声振动珩磨具有的优点； 第五章结论对本文进行了总结。 5 中北大学学位论文 2 超声理论及超声振动切削机理 超声振动切削的工艺效果是客观存在的，要清楚产生这些效果的原因，就需要分析 超声理论和超声振动切削机理，分析超声振动的运动学特点。 2 1 超声波基本理论 2 1 1 超声波的物理特性 声波是弹性介质中振动能量的传播。超声波区别于普通声波的特点是频率高，波长 短，能量大，传播过程中反射、折射、共振、损耗能现象显著。超声波的主要物理特性 有以下几个方面口9 1 ： 1 波动特性i 超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波 长、介质密度等有关。 2 束射特性：超声波传播具有方向性和射线性。离声源较近的一段波束几乎平行， 离声源较远的区域波束向四周稍微扩散。 3 光学特性：由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、干 涉、共振、折射，也能聚焦，遵守几何光学上的定律。 4 吸收特性：声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会逐渐减弱， 这是因为物质要吸收掉它的能量。对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。对于一 个频率一定的声波，在气体中传播时吸收最多，在液体中传播时吸收比较弱，在固体中 传播时吸收最少。 5 多普勒效应：发射超声波时当声源与被测物体间有运动时，会使反射的超声频 率发生改变，即发生频移。运动速度愈大，频移也愈大。 6 空化效应：当声波通入某物体时，由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的 作用，将使物质所受的压力彦生变化。超声清洗、超声粉碎、超声分散等技术正是利用 了这一效应。 6 中北大学学位论文 7 能量传递特性：超声波之所以在各个工业部门中有广泛的应用，主要还在于此 声波具有强大的功率。因为当声波到达某一物质中时，由于声波的作用使物质中的分子 也跟着振动，声波的频率愈高，物质分子得到的能量愈高。 2 1 2 超声波的应用特点 超声波的应用具有以下的特点n 们： 1 超声波具有较好的指向性，频率越高，指向性越强。这在诸如探伤和水下声通 讯等应用场合是主要的考虑因素。 2 频率高时，相应地波长将变短，因而波长可与传播超声波试样材料的尺寸相比 拟，甚至波长可远小于试样材料的尺寸。这在厚度尺寸很小的测量应用中以及在高分辨 率的探伤应用中是非常重要的。 3 超声波用起来很安静，人们听不到它。这一点在高强度工作场合尤为重要。 2 2 振动切削机理的主要观点 振动切削机理研究是振动切削研究中的一个重要内容，目前，振动切削机理的理论 观点主要有以下几种n 一1 ： 一、摩擦系数降低理论 关于摩擦系数降低的原因，主要有以下三种观点： 1 超声振动能使互相接触材料的动、静摩擦系数降低； 2 摩擦系数降低的原因是由于冷却液充分发挥作用的结果； 3 在前刀面上生成氧化层从而降低了摩擦系数。 二、剪切角增大理论 根据切削理论，剪切角的大小决定着金属变形范围的大小和变形程度的大小，也影 响着切削力。振动切削时，刀具冲击材料产生的裂纹大于切削长度，使实际的剪切角增 大。 7 中北大学学位论文 三、工件的刚性化理论 这一理论通过数学模型描述等效工件系统对振动力的稳态响应，说明振动切削时使 加工过程趋于稳定，即形成系统的“刚化性”。 四、应力和传递能量集中的观点 认为超声振动使切削力集中在刀刃局部很小范围内，被切工件材料受力范围很小， 这样，材料原始晶格结构变化小，因此可以得到与母材近似的金相组织和物理特性。 五、切削速度对切削发生影响的观点 持这种观点的研究人员有以下三种观点： 1 振动切削实际上是提高了切削速度，切削速度的提高有助于塑性金属趋向脆性 状态及减小塑性变形，从而改善切削状态。 2 因超声振动切削硬化层较浅，切削时刀具切入未经硬化( 或轻微硬化) 的金属 层内，所以在一个振动周期内可产生的平均接触压力比普通切削小，故有降低切削力、 切削温度的效果。 3 认为每一种材料都存在一个硬化范围，在这个范围内由于切削变形状态良好而 得到最大的切削效率，这是超声振动钻孔效率高的原因。在超声振动钻削中，因为钻头 冲击引起金属加工硬化，正好在钻头的切削作用之前满足了上述条件，所以效果十分明 显。 六、相对净切削时间观点 日本学者认为超声振动切削时，在每个振动周期内仅有约三分之一的时间在切削， 而振动切削的切削力又小，因此被测出的切削力的平均值就小。切削热也有相似的情况。 原苏联学者从动态切削理论和冲量平衡理论进行推导，证明由于净切削时间短，使 振动切削的切削力减小。 这种观点的另一种说法认为振动把短时间切削与提高切削速度结合起来，因而不存 在普通高速切削中刀具耐用度低的问题。 8 中北大学学位论文 2 3 振动切削的运动学特点 2 3 1 超声振动的运动学分析 刀具的振动方向越接近切削速度方向，振动切削的效果就越好。在分析超声振动切 削的运动学时，就以在切削速度方向上的振动为例。 在普通切削 中，切削用量及刀 具角度一经确定， 在切削过程中它们 便是常量。在切削 速度方向上的超声 振动切削中，主要 分析刀具与工件间 相对速度的变化。 如图2 1 刀具 作过d 点的近似简 谐振动。刀具在e 点与工件开始接 触，经e f a 形成切 图2 1超声振动切削运动示意图 削，产生脉冲状切削力、只。刀具运动到么点时，刀具的速度大于工件的运动速度， 使得刀具在彳点脱离工件，切削力为零。在b 点与工件再次接触，这样形成周期性的接 触一脱离一接触的过程并不断形成切削，产生间断的脉冲力e 、足。 刀具的位移： x = a s i nc o t 刀具的运动速度： v d = 戈= a c o c o s c o t 9 中北大学学位论文 刀具离开工件的时间t 。应满足： v d = d x = a c o c o s c o t l2 一v ( 式2 1 ) 式中 v d 刀具运动速度；负号表示刀具反向运动。 所以 = 刍c o s l ( 杀 。越2 ， 式中f ，当刀具运动速度的大小和方向与切削速度的大小和方向相同时，刀具离开 工件的那一点到o 点的时间； 厂刀具振动频率。 由上式可知，当v 2 r c a f 则上式不成立，刀具不能脱离工件，振动加工也就失去意 义。超声振动切削中把v 。= 2 ；r a f 称为临界切削速度，它与工件材料、切削深度及刀具角 度无关。 刀具自a 点脱离工件，刀具脱离点在任意时刻的位置是： x = a s i n c o t l v o t 1 ) ( 式2 3 ) 在r ：时刻刀具到达b 点与工件接触，此时： a s i n c o t 2 = a s i n c o t l 一v 0 2 一r 1 ) ( 式2 4 ) 式中 f ：当刀具振动方向与工件速度方向相反时，刀具和工件开始接触的那一点到 o 点的时间。 由式2 1 得 ! = c o c o s c o t l ：塾c o s 2 万t l ( 式2 5 ) att 由式2 4 得 a s i n c o t l + v t l = a s i n c o t 2 + v t 2 ( 式2 6 ) 而c o t l = 2 n t l tc o t 2 = ? 刃2 t 1o 中北大学学位论文 则式2 6 变为 11 s i n c o t l + - - v t l2 s i nc o t 2 + - - v t 2 a口 即可得到 s i n ( 2 刀争) 一2 万争c 。s ( 2 万拿) = s i n ( 2 万等) 一2 万争c 。s ( 2 万争 c 式2 7 ， 净切削时间 f 。= t + f 1 一f 2 相对净切削时间 l c t = 1 + t i t t 2 ft r 。丁是一个重要的参数，此值小说明每个振动周期中刀具的净切削时间占的比例 小，平均切削力就小。增加刀具的振动频率、加大振幅或减小切削速度可以达到减小切 削力的目的。通过切削试验表明，当v v 。= 1 3 时，在兼顾振动切削效果和切削效率两 方面比较理想。 刀具振动一周的切削长度 ，7 ，= v t = v f z r 的大小决定振动切削的切削性能，此值越小振动切削效果越明显。为了缩短切削 时间而尽可能采用高速切削，如果要提高理想的振动切削效果的话，就必须采用尽可能 高的振动频率。这里涉及到对工件线速度和振动频率的最佳值的选择问题。 2 3 2 超声振动切削与普通切削的加工效果变化 给工艺系统加上振动后，刀具与工件接触表面的相互作用条件与普通切削有很大的 区别。小振幅的高频振动对工件表面尺寸和形状不会有什么影响，但却使刀具摩擦和磨 损条件产生很大的变化，使刀具与工件的接触表面产生附加的往复运动，前后刀面摩擦 力发生周期性的变化，减少了切屑流出的阻力，使切屑在更有利的条件下形成。这在难 ) ) 8 9 2 2 式 式 ，l，l 中北大学学位论文 加工材料的切削中有效的解决- f z 作表面常出现的“滞流层”现象n 。 低频振动仅仅从量上改变切屑的形成条件，生产中主要用来解决断屑问题以及与此 相关的一系列问题。超声振动切削使切屑形成机理产生大的变化，主要用来改变被加工 材料的可加工性，提高刀具的寿命及工件的加工质量等。因此，超声振动受到更广泛的 应用。 一、刀具角度的变化 各种振动切削时，刀具前后角的变化情况见下表。 表2 1 振动切削时前后角的变化 振动方向 前后角的变化 切向振动切削径向振动切削轴向振动切削 口口= 0 a r c t g ( v c o s c p )a r c t g ( vs i n ( o ) ， ：= 0 嘴( 赤鳓)伽l赤s 缈钐 口。口。= 0 a r c t g ( v 。c o s0 9 )口，c 喀( v 。戤s i n o ) y 。双。= 0 伽k茜c 伊蟛)伽文ks i n 妒) 注：矽为初相位，五为刃倾角。 振动切削时，由于切削角周期性的大幅变化，在切削过程中产生一种使刀刃锋利化 的效果，这种锋利化的效果改善了切削条件。 二、切削力波形的变化 普通切削中，刀具和工件组成了一个振动系统，一般的切削理论把这个切削系统看 作个稳定的切削过程，亦即切削时在平稳无振动的状态下进行的。而实际加工中由于 切削深度和切削速度并不是常量，而切削力是由切削深度和切削速度构成的函数，它也 是个变量。由于普通切削中切削力不规则、变化范围大，使得工件切削过程极不稳定， 造成加工表面粗造度高、加工质量差、刀具寿命低等缺陷。普通切削只有在理想状态下 进行切削，才能实现稳定、规则的己啪+ p s i n c o t 切削力波形。 1 2 中北大学学位论文 超声振动切削中- 利用另外设置的超声波发生器使刀具产生振幅为a ，频率为厂的 振动。在切削过程中，沿着切削方向边作高频振动，边把整个切削长度分成z r = v f 的 细小部分进行切割。由于振动切削中刀具周期性的离开和接触工件，其切削力( 波形如 图2 2 ) 为脉冲切削力。当刀具接触工件时切削力为r ，当刀具离开切削时切削力为0 。 在振动切肖中，对形成切屑起主要作用的切肖| 力p s i nc o t 不是由主轴电机提供，而是由 振动系统产生的，工件只作圆 j 可1 周运动。在切削过程的极短时= 月u 倒内，刀具与工件之间没有其力 它的附加相对运动，因此切屑 的宽度、厚度没有变化。无论 加工何种材料，都能形成与母 材相近、表面光滑无毛刺、不发热的切屑。 三、消振现象 图2 2 脉冲切削力波形 不论是高频振动切削还是低频振动切削，在切削过程对原工艺系统中不采取任何消 振措施，只要振动参数选择合适，就能有效地消除和减轻工艺系统的振动，获得稳定切 削的良好工艺效果。搞清振动切削消振效果的原因，对正确选择振动参数有很重要的实 际意义，同时也为正确选择振动参数提供理论数据。这里，介绍两种切削机理。 1 瞬时零位振动切削机理n 一1 这是指车刀的振动频率小于工件的固有频率时的情形。对工件来说，在其固有频率 为车刀振动频率的奇数倍或3 f 以上的情形下，受到t ，t 3 时，由于 脉冲力的作用，工件位移几乎不随时间改变，亦即工件的动态变化稳定下来成为静态位 移，根据静力学的方法求出位移： z ：生旦 tk 这种特性称为不灵敏性振动切削机理。 这种机理的特性相当于增加了切削加工中工件振动系统的刚性。从效果上说，与增 加工件的夹紧力、或使用中心架、或使机床主轴系统提高刚性具有相同的切削效果。 通常，工件的固有频率多在5 0 0 0 h z 以下，而超声波的振动频率在2 0 k h z 以上，这 样超声切削加工的切削机理大体上就是不灵敏性振动切削机理。 2 4 本章小结 本章论述了超声波的基本理论、超声振动切削机理并对超声振动切削的运动学特点 进行了分析。简单介绍了超声波的基本理论和超声振动切削机理的6 种主要理论观点， 这些观点勾画出振动切削机理的基本特征。重点论述了超声振动的运动学特点，在这里 对超声振动的运动学进行分析，得出振动切削是在满足v ， 2 , , r a f 的切削条件下，刀具对 工件施加脉冲形的切削力，并把切削长度有规律的分割成小段，丁= v t = v f 的一段一段 地切削，并且当，越小时，振动切削的效果越明显；同时与普通切削相比较，分析了超 声振动加工的刀具角度变化、切削力波形的变化以及消振现象，得出超声振动) 3 h - 7 具有 使刀具锋利化，实现稳定、规则的切削和消振的特点，具有加工表面粗糙度低、加工质 量高、切削温度低、刀具寿命高等优点。另外，还对产生消振现象的瞬时零位振动切削 机理和不灵敏性振动切削机理作了一定的探讨，得出超声振动切削加工满足不灵敏性振 动切削机理。 14 中北大学学位论文 3 超声振动系统的设计及理论 超声振动加工是指给工具或工件沿定方向施加超声频振动进行振动加工的方法。 超声振动加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工艺装置等组成。 超声加工中超声波在金属棒杆内主要以纵波形式传播，引起杆内各点沿波的前进方向按 正弦规律在原地作往复振动，并以声速传导到工具端面，使工具端面作超声振动。 下面分别介绍组成超声振动加工系统的各组成部分的设计原理。 3 1 超声波发生器 超声波发生器主要由振荡器、电压放大器、功率放大器和输出变压器等部分组成。 它的作用是将工频交流电转换为功率为2 0 - 4 0 0 0 k w 的超声频振荡，以供给振动的能量。 为了保证超声波发生器的频率稳定、发生器和换能器的阻抗匹配，超声波发生器还装有 声跟踪电路和频率自动跟踪电路n h 引。 超声波发生器的组成原理如下图所示，电路由振荡级、电压放大级、功率放大级及 电源等四部分。由于负载、温度等诸多因素的影响会引起超声波振动系统共振频率的变 化，可通过“声反馈 或“电反馈”使超声波发生器的工作频率能自动跟踪变化，保证 超声波振动系统始终处于良好的谐振状态。 图3 1超声波发生器原理框图 一般要求超声波发生器应满足如下条件： 1 输出阻抗与相应的超声波振动系统输入阻抗匹配； l5 中北大学学位论文 2 频率调节范围应与超声波振动系统频率变化范围相适应，并连续可调； 3 输出功率尽可能具有较大的连续可调范围，以适应不同工件的加工： 4 结构简单、工作可靠、效率高，便于操作和维修。 3 2 换能器 换能器是超声系统中电一机转换的关键元件，即将超声波发生器产生的超声高频电 振荡信号转换成超声高频机械振动。实现这种转换，利用的是压电效应和磁致伸缩效应。 超声加工设备使用的换能器主要有压电换能器、磁致伸缩换能器两种。 3 2 1 压电换能器n 3 川1 压电换能器是利用某些压电晶体材料的压电效应的逆效应制成的。压电效应是指压 电晶体在一定方向，一定的晶面上受压或受拉时，就在相应的面上出现电荷。超声波发 生器输出交变电场加在压电晶体上，从而获得机械振动，产生超声波振动。压电式换能 器结构尺寸小，电声转换效率高，发热较小，与超声加工系统易于匹配，同时价格适中， 目前应用较多。 常用的压电材料有石英晶体、压电陶瓷( 如：钛酸钡压电材料、锆钛酸铅压电陶瓷、 偏铌酸铅压电陶瓷、铌酸钾钠压电陶瓷、钛酸铅压电陶瓷等) 。石英晶体性厶匕d l 徊l , - k t 鸦q ；u , 定， 可用于制造大功率发射器及高温下工作的换能器，但目前几乎没有被运用于超声加工的 换能器设计上。压电陶瓷较坚硬、能承受很大的应力、且不受潮湿和大气条件的影响、 制作条件方便，可以做成任意需要的形状。压电陶瓷具有优异的压电性能，可以通过改 变其化学组成或添加成分来改变其性能，以适应各种不同的用途。 3 2 2 磁致伸缩换能器n 3 1 4 1 磁致伸缩换能器是利用某些铁磁体( 如纯镍等) 在变化磁场中所产生的磁致伸缩效 应而制成的，它具有机械强度高、输出功率大的特点。磁致伸缩效应就是指将磁铁体置 16 中北大学学位论文 于变化的磁场内，由于磁场的变化导致铁磁体产生长度变化的现象。常用的磁致伸缩材 料分为金属、合金和铁氧体三类。金属材料的优点是强度大、性能较稳定、寿命长，缺 点是换能效率低。铁氧体的优点是电声转换效率高，但它为烧结体，机械性能差，单个 铁氧体磁致伸缩换能器功率不大，若并联使用可增大其功率n 引。铁氧体和声负载的连接 只能用粘结法。铁氧体的老化和温度特性不理想，国内用的较少。总的说来，由于磁致 伸缩换能器体积大，发热严重，随着压电材料的发展，目前在超声加工中应用得较少。 3 ，2 3 换能器的冷却 换能器工作时，由于超声波的热效应、界面之间的声能损耗、阻抗不匹配时电声转 换效率降低、摩擦等原因会发热，所以换能器工作时必须进行冷却。常用的冷却方式有 自然风冷、强迫风冷散热、水冷、热管散热器、半导体制冷、干冰冷却、液氮冷却等。 这些冷却方式有的已在换能器上使用，有的尚待开发。镍片换能器可采用水冰、半导体 制冷等冷却方式；压电换能器可采用强迫风冷、半导体制冷等冷却方式。铁氧体换能器 的冷却方式可参照压电换能器。 3 2 4 换能器与超声波发生器的匹配 为了使能量有效地传输，减少各部分之间多次反射造成的能量损耗，提高能量的利 用率，同时也为保证超声波发生器与换能器振动系统的高效率安全工作，需要设计超声 波发生器与换能器的匹配电路。 超声波发生器与换能器的匹配应起到调谐、变阻、滤波的作用。主要包括两方面内 容，一是超声波发生器的输出阻抗与换能器的动态阻抗一致；二是额定输入电功率条件 下，换能器输出的声功率最大。 超声波发生器与换能器的匹配的方法是，首先准确测量换能器的动态阻抗及其变化 的范围，然后合理选择发生器输出阻抗和匹配回路的元件值，用逐步逼近的方法，通过 反复调试，即可实现发生器与换能器之间的匹配。它分为静态匹配和动态匹配雎引，其中 静态匹配不支持频率跟踪。而换能器在使用过程中，由于负载的剧烈变化，或者换能器 17 中北大学学位论文 发热、老化以及磨损，它的机电参数将发生变化，会使换能器的谐振频率发生漂移，如 果发生器的工作频率和匹配网络的参数不随之而改变，换能器将工作在失谐状态而使效 率降低，甚至停振。换能器的动态匹配是指当换能器机电参数改变时，激励信号的频率 和匹配网络的参数也能通过某种方式发生改变，从而使得整个系统重新达到谐振。这就 需要有能实时跟踪频率变化的电路和控制频率的动态匹配电路。 在超声加工系统中，频率自动跟踪电路乜3 3 主要有数字锁相环集成电路、单片微机频 率自动跟踪系统和智能化高稳定度p w m 逆变器。比较常用的是单片机对频率的跟踪和控 制的匹配电路。 作为负载的换能器与超声波发生器的连接一定要可靠，不能短路。谐振系统不能长 时间处于失谐状态，以免损坏超声波发生器的元件。 3 3 变幅杆 由于磁致伸缩换能器、压电换能器在高频电振荡作用下的伸缩变形很小，即使在共 振状态下振幅也仅在0 0 0 5 - - 0 0 1 聊朋之间，其振幅太小不能直接用来切削加工，必须通 过变幅杆将振幅放大。超声变幅杆( 又称超声变速杆、超声放大杆、超声聚能器) 在超 声技术中，特别在高强声超声设备的振动系统中是很重要。 3 3 1 超声变幅杆的作用 超声变幅杆主要有两个作用： 一、聚能作用 将机械振动位移或速度振幅放大，或把能量集中在较小的辐射面上进行聚能。超声 换能器的振幅一般为4 - l o , t a n ，而超声加工对振幅的要求往往需要达到1 0 1 0 0 f z n ，这 就必须借助于变幅杆将换能器的振幅放大。 在传播能量损耗不计的情况下，通过变幅杆任一截面的振动能量是不变的，截面小 1 的地方能量密度大，而能量密度成= 吃口2 正比于振幅口的平方，所以截面小的地方振 18 中北大学学位论文 幅也得到放大n6 1 7 3 。为了获得较大的振幅，应使变幅杆的共振频率和外激振动频率相等， 使之处于共振状态。为此，在设计、制造变幅杆时，应使其长度等于超声振动波的半波 长或其整倍数。 二、有效地向负载传输 变幅杆作为机械阻抗的变换器在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量由 超声换能器更有效地向负载传输n 刖。超声变幅杆的性能可以用许多参量来描述。在实际 应用中常用共振频率( 共振长度) 、放大系数、形状因数和输入阻抗等。放大系数m 。是 指变幅杆工作在共振频率时，输出端和输入端的质点位移或速度振幅的比值；形状因数 够是衡量变幅杆所能达到最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关，妒值 越大，所能达到的最大振动速度也越大；输入力阻抗z ，定义为输入端策动力与质点振动 速度的复数比值。 3 3 2 变幅杆的振动形式 变幅杆是一种根据声振理论而设计的特殊结构的部件。为了更好地设计变幅杆，必 须首先了解变幅杆的基本振动形式。 在研究变幅杆的振动时，要用到几个假设“6 3 ( 在杆的横戴面尺寸远小于波长时， 这些假设是允许的) ： 1 变截面杆由均匀、各向同性材料构成； 2 机械损耗很小，可以忽略不计； 3 杆中通过的弹性波的波阵面是平面，即在杆的横截面上应力分布是均匀的； 4 平面纵波沿杆轴向传播。 用打击或其它方法能使杆中产生纵波，由于波的反射作用而使整个杆处于驻波式的 振动状态。杆的固定点就是驻波的波节，杆的自由端就是驻波的波腹，根据杆的长度、 杆的固定方式，就能确定杆中可能产生的波的波长和频率，而此频率就是杆的固有频率。 由振动力学系统知，杆的固有频率不只一个，而是许多个。杆还能以各种固有频率所组 成的简谐振动谱进行非简谐振动。振动频率为基频，是固有频率中最小的一个。其它频 1 9 中北大学学位论文 率均为基频的整数倍，称为谐频，相应的波则为谐波。因激发杆的基波是最容易的，被 激起的振动幅度也最大，因此在实验中大多激发杆的基频波。 如图3 2 y o 一燹截向祠= 1 乍用在小体积兀 ( x ，x + d 。) 上的张应力为_ a d rd x ，根据牛顿定律可 得到其动力学方程为： 一a ( a 一0 9d 。：彳p 萼以 ( 趣1 ) 0 3 co t 式中 么杆的面积函数，么= a ( x 1 ； 孝质点位移函数，f = 孝g ) ； 盯应力函数，仃：仃g ) ：e 攀。 在简谐振动的情况下可得到变截面杆的波动方程为： 磐+ 三丝丝+ kz f ：0 缸2么0 x 叙 。 式中k 圆波数，k ：竺； c 纵波在杆中的传播速度，c = 号。 3 3 3 变幅杆的种类及其参数 ：i 卜 尊i，1 1 汀。7 图3 2 变截面杆 ( 式3 2 ) 根据形状的不同，变幅杆可以分为指数形、悬链线形、阶梯形、圆锥形等。各种变 幅杆的参数各不相同，加工难易程度也不同，选择变幅杆的种类时应充分考虑到这些因 素。对单一变幅杆，当面积系数相同时，阶梯形变幅杆的放大系数最大，其次是悬链线 形、指数形，最小是圆锥形。指数形变幅杆的放大系数最大可达到1 0 2 0 倍，性能稳定； 阶梯形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，在粗细过渡的地方