（机械工程专业论文）聚氨酯橡胶微细沟槽超声振动磨削力研究.pdf

摘要 超声振动磨削作为一种新型的超精密加工技术，能够有效提高磨削的表面质 量和加工效率，已经开始得到广泛的应用和研究。 随着以微机械为代表的工业制品的日益小型化及微细化的发展，微细精密加 工技术已经成为世界各国制造业的一个重要研究课题。各种新型复合材料如工程 陶瓷、半导体硅片、光学玻璃以及塑韧性材料等难加工材料的广泛使用，传统的 精密加工工艺往往很难达到理想的加工精度和加工效率。超声振动磨削在硬脆材 料的精密加工方面已经做了多方面的理论研究，并且取得许多显著成效，在超声 振动精密磨削加工塑韧性材料方面的研究尚且不够，如聚氨酯橡胶材料等。由于 聚氨酯橡胶材料既有良好的塑韧性，又有较高的强度，其耐磨性是普通天然橡胶 的3 5 倍，并且具有良好的缓冲吸震作用，可广泛应用于航空、电气、医疗卫生 等领域。本文以聚氨酯橡胶辊轮微细沟槽的精密加工为研究对象，研究超声振动 磨削条件下磨削力的变化和影响因素。 研究磨削力的过程中，磨削加工的材料去除既有磨粒与材料的滑擦作用，又 有剪切作用，并且砂轮表面同时参与磨削的有效磨刃数不断变化，伴随着温度升 高还会有材料的变形力作用。本文通过a n s y s 建立聚氨酯微细沟槽在有无超声 振动条件下受力的三维模型，利用有限元分析，可以对聚氨酯橡胶材料在超声振 动下内部应力变化过程进行模拟，得到应力、应变、速度等一系列数据，能够解 释材料的去除，合理的解释超声振动磨削的优势，从而有效指导聚氨酯橡胶微细 沟槽磨削力的研究，为超声振动磨削加工机理研究提供依据，指导生产实践活动。 本文对微细沟槽磨削力的研究是在平面磨削力模型的基础上，通过对平面磨 削中磨粒的运动分析，推导出超声振动条件下单颗磨粒切削深度、单位磨削力的 公式。通过对微细沟槽结构受力分析，建立聚氨酯橡胶辊轮轴向、径向、切向方 向上的力与沟槽平面所受力的关系，将辊轮所受三个方向力转化为沟槽平面所受 的切向力和径向力，从而建立超声振动磨削条件下微细沟槽磨削力的模型，得出 在超声振动条件下单颗磨削力的平均切削深度约为普通平面磨削的三倍，从而能 够有效提高加工效率，增加有效磨刃数，减小单位磨削力，并且有效降低磨削力 比，有利于切削的形成。随着辊轮进给深度和辊轮转速的提高，工件所受磨削力 呈上升趋势。 关键词：超声振动磨削；聚氨酯橡胶微细沟槽；磨削力；磨粒切削深度 a b s t r u c t u l t r a s o n i cv i b r a t i o n c u t t i n g ( l w c ) w a st a k e nf o r an e wt e c h n o l o g yo f u l t r a 。p r e c i s i o nm a c h i n i n g t h i st e c h n o l o g yc o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v et h es u r f a c e q u a l i t ya n dt h ep r o c e s s i n go ft h eg r i n d i n ge f f i c i e n c y a n di tw a sb e g a nt ob eu s e da n d r e s e a r c h e dw i d e l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h eu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n g f o rm a n u f a c t u r i n gm i c r o e l e c t r o n i cp r o d u c t sw i l lp l a ya ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e t h i st e c h n o l o g yh a sb e e nb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c ti nt h e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yc o u n t r i e s t h et r a d i t i o n a lp r e c i s i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi s o f t e nv e r yd i f f i c u l tt oa c h i e v et h ei d e a lp r o c e s s i n gp r e c i s i o na n d p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y i i lt h ep r o c e s s i n go fa d v a n c e d c o m p o s i t em a t e r i a l s s u c ha se n g i n e e r i n gc e r a m i c s s e m i c o n d u c t o rw a f e ro p t i c a l g l a s sa n dp l a s t i ct o u g h n e s sm a t e r i a l ，e t c u l t r a s o n i c v i b r a t i o nc u t t i n gh a v eb e e nd o n ev a r i o u st h e o r e t i c a lr e s e a r c h e si nt h ep r o c e s s i n go f h a r da n db r i t t l e m a t e r i a l s ，a n di th a sb e e nm a n yr e m a r k a b l ea c c o m p l i s h m e n t s h o w e v e r , t h eu v cw a sf a rf r o me n o u g hi nt h er e s e a r c ho fp r e c i s i o np r o c e s s i n go f p l a s t i cm a t e r i a l s f o re x a m p l e ，t h ew e a rr e s i s t a n c eo fp o l y u r e t h a n er u b b e rw a s3 - 5 t i m e st h a nt h en a t u r er u b b e r , b e c a u s eo fi t sg o o dp l a s t i ct o u g h n e s sa n d h i g hs 仃e n g t h a n di ta l s oh a sg o o db u f f e rs h o c ka b s o r p t i o ne f f e c t s ot h ep o l y u r e t h a n er u b b e rc o u l d b ew i d e l yu s e di na v i a t i o ne l e c t r i c a lm e d i c a la n dh e a l t h , e t c i nt h i sp a p e r , w et o o kt h e p o l y u r e t h a n er u b b e rr o l lw h e e ls u b t l eg r o o v ea st h er e s e a r c hs u b j e c t s ；w ee x p l o r e dt h e c h a n g e so fg r i n d i n gf o r c ea n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ri nt h ep r o c e s s i n go fu v c i nt h eg r i n d i n gm a t e r i a lr e m o v a lp r o c e s s ，i th a da b r a s i v ea c t i o nb e t w e e n a b r a s i v e p a r t i c l ea n dt h em a t e r i a la n ds h e a f i n ga c t i o n t h ea c t i o ni nt h eg r i n d i n go ft h ew h e e l s u r f a c ew a s c h a n g i n gw i t ht h e e f f e c t i v eg r o u n db l a d en u m b e rc o n s t a n t l y w i t h i n c r e a s e dt e m p e r a t u r e s ，i tw o u l da l s oh a v et h ef o r c ef u n c t i o no fm a t e r i a ld e f o r m a t i o n t h i sp a p e rf i r s ts t u d yf r o mt h ev i e wo fs i n g l eg r i t sm i c r o s c o p i cu n d e rt h e c h a n g ea s t u d yf a c t o r si nu l t r a s o n i cv i b r a t i o ng r i n d i n gf o r c e w ee s t a b l i s hp o l y u r e t h a n es u b t l e g r o o v et h r o u g ht h ea n s y s ，w i t ho rw i t h o u tu l t r a s o n i cv i b r a t i o nf o r c eu n d e rt h e c o n d i t i o no ft h e3 - dm o d e l w i mt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s w ec o u l di m i t a t et h e i n n e r - s t r e s so ft h ep o l y u r e t h a n er u b b e ri nt h ep r o c e s so fu v c w ec o u l de x p l a i n p r o p e r l yf o rt h ee x c r e s c e n tm a t e r i a l sa n dt h ea d v a n t a g e so ft h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o n , h w i t ht h ed a t e so fs t r e s s ，s t r a i n ，s p e e de t c w h i c hg e tf r o mt h e3 一dm o d e l m o r e o v e r , w ec o u l dp r o v i d et h ee f f e c t i v e l yg u i d ef o rt h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o np r o c e s s i n go f p o l y u r e t h a n er u b b e ra n dt h ep r o d u c t i o np r a c t i c et h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e3 一d m o d e l i nt h es t u d yo ft h ef i n eg r o o v e dg r i n d i n gf o r c e ，w ec a nc h a n g et h er o l l e rb yt h r e e d i r e c t i o nf o r c ei n t ot h eg r o o v ep l a n ew h i c hc u tt of o r c ea n dr a d i a lf o r c e ，t h r o u g ht o t h e s u b t l eg r o o v es t r u c t u r a la n a l y s i s ，ap o l y u r e t h a n ea x i a lr a d i a l r o l l e rt a n g e n t i a l d i r e c t i o no ff o r c ea n dg r o o v et h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep l a n es t r e s s w ec a n d r i v et h e s i n g l eg r i t sc u t t i n gd e p t ha n du n i t f o r m u l ao fg r i n d i n gf o r c ei n t h e p r o c e s s i n go ft h eu v ct h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e r e s u l t a n tm o v e m e n to fc u t t i n g b a s e do nt h eg r i n d i n gf o r c em o d e li nt h ep l a n e t h e nw ec a l c u l a t e se s t a b l i s h u l t r a s o n i cv i b r a t i o ng r i n d i n gc o n d i t i o n so fg r i n d i n gf o r c em o d e l ，a n dc o n c l u d e st h a t t h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nc o n d i t i o ni no r d e ro fg r i n d i n gf o r c eo fa v e r a g ec u t t i n gd e p t h a b o u tt h r e et i m e st h ea v e r a g ep l a n eg r i n d i n g t h e s ec a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h e m a c h i n i n ge f f i c i e n c y , i n c r e a s ee f f e c t i v eg r i n d i n gb l a d en u m b e r , a n dr e d u c e u n i t g r i n d i n gf o r c e a n dt h e s ea l s o c a l le f f e c t i v e l yr e d u c et h eg r i n d i n gf o r c er a t e ，w h i c h a l eh e l p f u lf o rc u t t i n gt h ef o r m a t i o n a st h er o l l e ri n t ot ot h ed e p t ha n dt h er o l l e r s p e e di n c r e a s e ，t h eg r i n d i n gf o r c ea c t e da sar i s i n gt r e n d k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cv i b r a t i o nc u t t i n g ；p o l y u r e t h a n em i c r o - g r o o v e ；g r i n d i n g f o r c e ；c u t t i n gd e p t ho fa b r a s i v e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 超声振动加工的应用和特点 超声加工作为项先进的特种加工技术，随着科技的进度和生产的需求而产生的一 种新型精密加工方法。超声加工技术是在超声学的基础上而逐渐发展而来的的种超精 密加工技术。由于超声波具有许多独特的性质和优点，这给超声学的发展带来了很大的 机遇，也为超声波的应用带来了广阔的前景。目f ；i ，超声波的应用领域已十分广泛，在 电子、生物、化学、机械等诸多领域都能觅得它的身影。 目前，各种新材料如硬质合金、工业陶瓷、光学玻璃以及些新型复合材料在生活 中得到广泛的使用，但由于这些材料本身很难使用传统的刀具进行加工，对于制造加工 提出了新的考验。几十年来，超声振动加工正是在对这些难加工材料的加工方面有着巨 大优势而得到迅猛发展，因此世界各地的学者也都开始不断的对超声振动加工技术的材 料去除机理进行深入研究，不断进行理论刨新，并目在工程中得到越来越多的应用。 1 1 1 超声振动加工的适用范围 超声加工技术已经广泛的应用于工业生产的各个方面、超声加工技术主要包括超声 切削加工、超声磨削加工、超声光整加工以及其他加工技术，并且超声振动加工与具体 表1 1 超声加工的一些主要适用范围 分类应用 超声切削加工 超声车削、超声铣削、超声刨户y ? 超声钻削、超声插齿、超声 攻丝 超声磨削加工超声磨削、超声整修砂轮、超声磨齿 超声光整加工超声珩磨、超声抛光、超声研磨、电火花超声复合、超声强化 廿， 超声塑性加工( 超声拉丝、超声拉磨、超声冲裁) 、磨粒冲击 六旧 加工、超声焊接 的加工方法结合，又形成了各种各样的超声振动加工方法和方式。如表1 1 所示为超声 加工的些主要应用范围，并且随着超声加工理论的不断深入研究和创新，超声加工技 术的应用范围会越来越一1 1 。 武汉理工大学硕十学位论文 1 1 2 超声振动加工的特点 超声加工技术在难加工材料方面有较大的加工优势，是因为超声振动的加入，改变 了加工过程的运动轨迹，往往会有瞬间的冲击作用，从而使材料的去除方式发生变化， 有利于材料的去除。超声i h _ t _ 主要有以下特点阳： ( 1 ) 适合各种硬脆材料以及复合材料等难加工材料的微细构造加工。不仅可以加 工金刚石、大理石、玻璃、橡胶、陶瓷等绝缘材料，又可以加工硬质合金、淬火钢等金 属材料，不受材料导电性能的i 艮 1 1 ，从而摆脱了大多数微细构造加工采用电火花加工， 需要材料导电的缺陷。 ( 2 ) 由于取出材料主要依靠磨粒瞬间局部冲击作用，故工件表面的宏观切削力很 小，切削应力小，切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，尺寸精度可 达o 0 3 m m ，也可加工薄壁、窄缝、低刚度零件。 ( 3 ) 工具可用较软材料做成复杂形状，且不需要工件做比较复杂的相对运动，便 可加工各种复杂的型腔和型面。般的，超声加工机床的结构比饺简单，操作、维修也 比较方便。 1 2 课题研究的目的和意义 1 2 1 课题研究的目的 聚氨酯橡胶材料因其优越的机械性能越来越被广泛使用。它具有卓越的耐磨性能， 稳定性好，并且硬度高、弹性强，有良好的缓冲减震性，因此被广泛应用于有耐磨性、 耐油性、耐酸性要求的工业零部件橡胶制品。近年来，伴随着社会的信息化和节能化、 信息化，产品的小型化和太阳能发电装置的广泛应用，在这些小型零部件中采用硬质聚 氨脂橡胶制品零部件的微细加工也广泛出现。以往对橡胶材料等塑韧性材料的微细加工 多采用金属磨具进行成形加工，但对于低成本、小量生产的微细结构的精密成形加工却 不太适用。 因此，对聚氨酯橡睃进行切削或磨削等低成本、柔性芾i 舡艺成为了解决微细构造 加工的迫切需求。但是由于传统的磨削和切削在加工时会产生较大的切削力和热量，而 且容易引起较大的变形量，使工件的尺寸精度和表面精度难以达到需求。 武汉理工大学硕士学位论文 本研究拟采用超声振动磨削的方法对聚氨酯橡胶进行微细v 型沟槽的加工，在研究 超声振动磨削特征和机理的基础上建立聚氨酯橡胶的超声振动磨削的三维仿真模型，依 据实验测得的聚氨酯橡胶的材料特性参数对聚氨酯橡胶微细沟槽磨削力进行仿真，探求 超声振动对磨削力大小的影响和工件受力的应变应力状况，为解决硬质高弹性和高耐磨 性的软材料微细构造加工提供依据，为实现高弹性和高耐磨眭的软材料微细构造加工的 精密成型加工打下基础，同时证明超声加工振动磨削加工聚氨酯橡胶微细沟槽的可行性 和正确性。 计算机技术和数值模拟技术的高速发展使得对复杂磨削过程中材料内部应力应变 的观察得以实现。通过计算机仿真技术，可以掌握磨削过程中材料的瞬态应力应变，为 研究材料的去除和超声振动的磨削机理提供方便，同时计算机仿真便于重复眭的进, ：f 7 - j c 量仿真，并且安全性高，节省大量的实验费用。 磨削力是磨削过程中的个重要参数，影响材料的磨削精度、磨削热、磨削变形。 本研究在以往平面磨削的理论模型的基础e ，建立超声振动的平面磨削力模型。通过对 微细沟槽的受力分析，进而建立起微细沟槽超声振动磨削力模型。模型中，分析了超声 振动的引入对单位磨削力、单颗磨粒的切削深度等的影响，为进一步揭示超声振动磨削 的微观机理打下基础。 1 3 磨削技术的发展和超声振动磨削 1 3 1 磨削的机理和磨削技术的发展 磨削加工是利用磨粒去除材料的加工方法。由于制造砂轮用的磨粒晶体的生长木月理 不同或制作过程的破碎方法不同，磨粒的形状般是不规则的，并目砂轮的结构和制造 工艺的不同也使得磨粒在砂轮表面的分布不同。这就使得在磨削加工过程中，磨粒的有 效磨刃间距和磨粒切削刃尖端距砂轮表面的距离不一定相等，因而在磨削过程中有部 分磨粒起到切削作用，另部分磨粒在工作表面刻划出沟痕，还有部分磨砺与工件表 面仅仅发生表面划擦。 砂轮表面磨粒的分布、形状、尺寸的随机性以及磨削运动过程的复杂性，给磨削机 理的研究带来了很多困难。2 0 世纪8 0 年代，h 田：】k 和i _ a w r l 建立了钝压痕器、尖压痕器 和接触滑动三种机理分析研究模型，提出应力强度因子公式，导出塑性变形模式下的临 3 武汉理- t 大学硕士学位论文 界载荷，得出材料硬度刚氐，压痕半径小、载荷小的时候，会出现塑性变形。普兰德曾 将椭圆形重头压入金属体的情况作了具体分析，并绘制出滑移线场。在冲头与工件接触 表面处，由于有较大的摩擦，故没有塑性流动，而其他地方将产生剧烈的塑 生变形。在 此基础上，磨削过程一般存在三个阶段，分别为滑擦阶段、耕犁阶段、切削形成阶段。 为了证明磨削过程的三个阶段，r s h a h n 和i t e l i n d s a ：y 通过单颗磨粒宽度法向磨削力与 切入进给量的关系进行了实验，从力的角度清楚的说明了滑擦。耕犁、和磨屑形成过程。 随着人们对磨削过程的机理、磨屑的形成、磨削力、磨削功率、磨削热、磨削区温 度的分布以及磨削接触弧长等问题的不断深入研究通过实验考擦、理论分析，建立数学 模型，揭示了很多磨削过程的现象本质。总结许多磨削过程的规律，并且用于指导生产 实践，使得新的磨削工艺技术不断涌现，磨削技术得到快速发劂1 1 】。 早在2 0 世纪6 0 年代砂轮线速度打到6 0 m s ，但其后时间受到砂轮回转磁象b 衷度的 制约和工件烧伤问题的困扰，砂轮线速度得不到有效提高。直到立方氮化硼砂轮的广泛 使用，并且对磨削机理的深入研究，认识到当线速度达到1 0 0 m s 时，磨削力会出现急剧 下降，随着材料去除率增大而进一步增大，工件表面温度也快速降低。这就奠定了高速 磨削的理论基础。超高速磨削既可以有效提高加工效率，又能对各种材料和形状进行高 精密加工。 缓进给磨削也是种高效磨削加工方法，对成型面的加工有显著效果。缓进给磨削 采用增大磨削深度、降低磨削速度、砂轮与工件有较大的接触面积，达到很高的材料去 除率。磨削时，经过一次或数次磨削就可以达到所需的尺寸精度。由于砂轮与工件接触 面较大，能够有效抑制磨削时产生的振动，能够能到更好的加工表面质量。 超声振动磨削是种新兴的加工技术，e 纣泛应用到车削、铣削、磨削等雀计领 域，但关于超声振动磨削加工的机理还不够深入。有学者提出了超声振动能眵有效刚氐 摩擦系数理论、增大剪切角理论、相对净切削时间理论、工件材料软化效应等理论。下 面主要对超声振动磨削进行简单介绍。 1 3 2 超声振动磨削的基本原理 超声振动磨削是将超声加工技术与传统磨削技术相结合产生的种新的加工技术。 通过施加超声振动可以有效提高磨削的加工效率和加工精度，获得良好的加工表面质量， 尤其适合加工工程陶瓷、新型复合材料等难加工材料，能够有效的降低磨削力，解决砂 轮堵塞以及工件表面烧伤等问题，提高磨削的加工质量和效率。 4 武汉理t 大学硕士学位论文 超声振动磨削是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工的加工 方法。超声振动系统由超声波发生器、换能器、变幅杆和工具等部分组成，是超声设备 的核心部分。 ( 1 ) 超声波发生器 超声波发生器作用是将正常交流电源转化为所需的高频超声频震荡信号。图1 1 为 模拟电路超声波发生器结构方框图。从图中可以看出，模拟电路超声波发生器实际是一 个带有振荡电路的放大器。 图1 1 模拟电路超声波发生器方框图 ( 2 ) 超声换能器 超声换能器作用是将超声波发生器产生的超声频交流电转化成超声频机械振动。 ( 3 ) 超声变幅杆 超声变幅杆是将起振动放大和聚能作用，级超声振动换能器产生的微量振动放大， 并且聚集在较小面积上，从而将质点的运动位移放大。同时变幅杆还可以起到机械阻抗 变化器的作用。其常见外形为变截面杆，通常有圆锥形、悬链形、指数形。 1 3 3 超声振动磨削的优势 超声振动磨削在原有磨削加工技术的基础上，通过超声频振动改善了传统磨削加工 的效果。 ( 1 ) 有效刚氐磨削力，提高加工精度 超声振动磨削使砂轮在作圆周运动的同时，按一定频率振动，形成脉冲作用力。磨 削过程具有分离特性，消除了传统磨削过程连续的弹性挤压，切削过程是规律性的断续 切削，可以使磨削力降为传统磨削力的1 3 , - - , 1 1 0 ，有效降低磨削温度，防止工件烧伤。 5 武汉理工大学硕士学位论文 高频振动作用于工件，由于等效硬度特i 生，使得工件内应力影响工件硬度，从而获得更 好的加工精度。 ( 2 ) 提高加工效率 单位时间内材料去除率是反映加工效率的主要数据。超声振动磨削由于存在瞬间脉 冲作用，能够获得比传统磨削更大的磨削深度或磨削宽度，从而有效提高材料去除率。 在同样磨削条件下，超声振动磨削材料去除率是普通磨削的1 7 3 2 倍。 1 4 超声振动磨削研究的现状研究 1 4 1 国外对超声振动磨削的研究现状 超声振动磨削技术在日本、美国、德国的研究起步较早，并且已经出现了实际应用。 尤其是日本对超声振动磨削的研究较为突出，已经出现了商品化的数控超声振动磨床。 日本学者偎部纯一郎在2 0 世纪5 0 6 0 年代对振动切削理论已经了系统性研究，成功实 现振动加工。 随着磨削建模和模拟技术的发展，可以在计算机匕进行磨削工艺仿真与数值计算， 进步力1 1 深对磨削加工的认识。目前，根据磨削运动和几何参数、磨削力、磨削振动和 受力变形等隋况，可以对磨削过程、能量转换、磨削力变化、磨削温度和磨削表面质量 进行仿真。虚拟磨削技术是依靠建模与模拟技术来仿真磨削过程，可用于评估以及预测 磨削加工过程。 东京大学的曾泽隆久通过实践加工，成功的使用超声振动加工的方法对硬脆陶瓷材 料加工出微小细孔，证明了超声振动加工比普通的加工方式在硬脆材料方面具有良好的 表现，在前人研究基础上，将超声振动运用到生产实践活动，为理论研究提供事实依据。 美国内布拉斯加大学和内华达大学用精密超声振动加工方法对a 也0 3 陶瓷材料的切 除进行了研究。通过模拟陶瓷材料超声j n n - 的力学特| 生对材料去除机制进行分析，研究 发现，低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲击力会导致中心裂纹 和凹痕。该研究小组还第一次分析了a 1 2 0 3 陶瓷材料精密超声加工的机理、过程动力学 以及发展趋势，并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况【1 4 1 。 u s u l 利用有限元方法，数值模拟了在连续切削时积削瘤的产生，从而对磨削过程进 行仿真。首次建立了材料应力、应变以及温度的函数关系，在接触面上使用库伦摩擦模 型仿真摩擦力的大小，对研究切削过程的数值模拟具有重要意义。 m m 公司用c a g - 学n , l 的加工方法对电子产品中的细小零部件进行加工，在探针上 6 武汉理工大学硕十学位论文 加上超短脉冲电压，探针针尖附近就会产生电化学反应，可以加工出深度为0 3 - 1 r i m 直 径为5 n m 的纳米坑。另外，将光刻与电化学加工结合，可用于超大规模集成电路等各种 薄壁零件的制造。 1 4 2 国内超声振动磨削的研究现状 国内对超声振动磨削技术的研究起步较晚，但在多年的学习和研究中也取得许多突 破性成果，对我国超声振动磨削技术应用具有重要的指导作用。 河北工学院的李健中等人对超声振动磨削的材料去除机理、表面创成机理以及加工 后表面粗糙度等进行了一系列的试验研究。根据研究的需要，李等人对现有装置进行改 进，研制出的超声振动磨削装置可以在砂轮进行磨削操作的同时做轴向超声振动。通过 理论研究与试验论证发现，由于超声振动的引入而使加工中刀具高频振动，有效解决了 普通磨削过程中砂轮堵塞的问题，保持磨粒锋锐性，提高了磨削效率；同时，试验发现 加入超声振动后磨削表面形成网状结构，可以获得较好加工表面质量。 山东大学张洪丽、张建华等研究了工件沿记嘲渤向、径向、切向三种超声振动条件 下的磨削特性，分析了三种情况下的运动学特性、磨削力特性、材料去除机理及表面加 工质量，并且建立了三种加工方式下表面粗糙度的计算模型，并通过实验进行了验证， 极大的丰富了超声振动加工理论。 王龙山、李国发等研究了磨削过程中随时间变化的磨削热、磨削功率等的各个数学 模型。利用计算机仿真磨削过程中磨削热、磨削功率的变化，指导实际磨削过程，为加 工提供最佳方案，预测加工质量。通过计算机对磨削过程进行仿真，有助于发现切削加 工机理，为提高加工性能提供理论支持。 1 4 3 当前研究存在的不足 通过对国内外现行超声振动磨削力研究的发展现状进行分析，可以得出以下几点结 论： ( 1 ) 国内外已经提出了许多关于超声振动磨削的方法，但对于微细构造的加工的 研究还不够深入，有许多工作要做。 ( 2 ) 在超声振动技术的应用中，超声振动磨削技术已经广泛应用于工程陶瓷、光 学玻璃等硬脆难加工材料，并且取得了显著的成效，而对于高弹性、高硬度的难加工材 7 武汉理- t 大学硕士学位论文 料如聚氨酯橡胶进行超声振动磨削的研究还很少，需要进步研究。 ( 2 ) 计算机数值模拟仿真方面的理论研究和实践还不是很多 ( 3 ) 虽然已经提出了一些磨削仿真的数学模型和计算机模型，大多是分析类的， 没有考虑到微细结构沟槽的具体加工形状。 ( 4 ) 在超声振动条件下，磨削力的模型的研究还不够深入，微细沟槽的超声振动 磨削力的研究还有很多工作要做。 微细结构的精密加工在现代制造技术中应用越来越广泛，超声加工技术在不断完善 之中，正向着高精度、微细化发展。聚氨酯橡胶因其特有的优越的机械特性广泛应用于 小型零部件中，对其进行微细构造的加工也成为亟待解决的问题，而超声振动磨削技术 具有其他加工方式无可替代的优势。在超声振动磨削的数学模型基础上，进行计算机仿 真可以有助于对超声振动磨削机理的深入研究。应用计算机仿真，可以将加工过程中材 料内部间的瞬时应力应变用图形和曲线来展现出来，对研究复杂加工过程对材料的影响 具有重要意义，计算机数值模拟会随着计算机技术的发展具有更广阔的发展空间和潜力。 1 5 课题来源和研究目标 1 5 1 课题来源 与日本秋田县立大学先进加工技术研究室合作研究项目 1 5 2 课题的研究目标 研究目标：通过实验测量获得聚氨酯橡胶的各项特性参数，然后建立超声振动磨削 力的三维模型，在此基础e 对磨削力进行仿真，得到超声振动磨削条件下工件所受的应 力应变状态，对比超声振动对应力应变的影响。通过对磨削机理的研究，建立超声振动 磨削力的数学模型并且分析! j h - r _ 参数对磨削力的影响。 研究内容： ( 1 ) 聚氨酯橡胶材料机械特性参数的测试。 ( 2 ) 建立聚氨酯橡胶微细v 型沟槽超声振动磨削的磨削力三维模型，并且对加工 表面施加超声位移载荷，比较有无超声振动情况下磨削对工件应力应变的影响。 ( 3 ) 建立聚氨酯橡胶微细v 型沟槽超声振动磨削成型的磨削力数学模型，通过实 验数据证明超声振动对磨削力的影响，并且比较在不同加工条件对磨削力的影响。 8 武汉理t 大学硕士学位论文 拟解决的关键问题： ( 1 ) 建立聚氨酯像胶材料微细v 型槽超声振动磨削力的三维有限元模型，对磨削力进 行仿真。 ( 2 ) 建立聚氨酯橡胶材料微细v 型槽超声振动磨削力的数学模型 1 6 本文的组织结构 论文共分五章。 第一章：绪论。 第二章：对硬质聚氨日醉蒙胶材料基本性能0 试试验，测试出构成具有高硬度、 高弹性和高耐密性的聚氨脂f 家胶材料的硬度、弹性、拉伸强度、扯断伸长率、扯断永久 变形、撕裂强度、弹性模量等基本性能数据，为硬质聚氨脂橡胶零部件微细构造加工的 超声振动磨削力模型和仿真模型影响参数的数值化提供依据。 第三章：建立超声振动磨削聚氨酯橡胶v 型沟槽的有限元仿真模型。根据已有的的 聚氨酯橡胶材料的超声振动加工和磨削力的测试实验数据以及所测的聚氨酯橡胶材料的 各项参数特性，利用有限元软件进行磨削力仿真。 第四章：在平面磨削力数学模型的基础上，建立微细沟槽超声振动磨削力的数学模 型。通过与实验数据进行分析比较，分析有无超声振动对磨削力的影响以及在不同切削 用量等加工条件对磨削力的影响。 第五章：展望。 9 武汉理工大学硕十学位论文 第二章聚氨酯橡胶材料的特性测量实验 聚氨酯全名为聚氨基甲酸酯，聚氨酯橡胶具有优良的综合性能，良好的强度、弹性 和耐磨性，大量用于胶辊、轮胎、传送带筛板等制品的生产，广泛用于矿山、冶金选煤 及汽车行业。 在对硬质聚氨脂橡胶进行微细v 型沟槽进行超声振动磨削的的机理研究和仿真时， 需要对材料的些主要特性进行测量，如弹性拉伸强度、扯断伸长率、扯断永久变形、 弹性模量、泊松比、材料的硬度和密度以及耐热性等。 2 1 聚氨酯橡胶应力应变关系 在动夹持器或滑轮匾速移动的拉力试验机上，将哑铃状或环状标准试样进行拉伸， 按要求记录试样在不断拉伸过程中和当其断裂时所需的力和伸长率的值。当测拉伸强度 时宜选用哑铃状试样，环状试样得出的值比哑铃状试样低，故本实验宜使用哑铃状试样。 哑铃状试样如图所示 图2 - 1 哑铃状试样的形状 狭窄部分的试样的标准厚度，1 型、2 型、3 型和4 型试样条件应符合表的规定。 表2 - 1 哑铃状试样的试验长度 由于实验材料的限制，本实验采用2 型试样形状尺寸。 试验用的所有裁刀和裁片机应符合国标规定。本实验所需的2 型裁刀尺寸、规格应 符合表2 和图3 的要求。裁刀狭小平行部分任意点宽度偏差不应超o 0 5 n l m 。 武汉理t 大学硕十学位论文 ；。 。| i 图2 - 2 哑铃状试样的裁刀尺寸图形 表2 - 2 哑铃状试样的裁刀尺寸 尺寸2 型 a 总长度( 最短) b 端部宽度 c 狭小平行部分长度 d 狭小平行部分长度 e 外过渡边半径 f 外过渡边半径 7 5 1 2 5 - 2 ：1 0 2 5 o 士1 0 4 0 ：1 ：1 0 8 0 a ：1 0 1 2 5 - 2 ：1 0 2 1 1 实验装置 实验设备如图所示，i n s m m 5 8 8 2 电子万能材糊袁验机。本实验设备的主要技术指标 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 载荷范围：土l o k n ，精度：0 s n ， 应力范围：士1 0 ( 2 5 m m 标距) ，精度：o 1 1 x m 位移测试速度：l o l x r n 加载速度：0 0 0 1 m m m i n 5 0 0 m m m i n 图2 - 3 万能材料试验机 在万用材料试验机上，将试验机设定为叵速移动拉伸，将哑铃状橡胶试样按要求一 端连于固定端夹持器，另一端连于试验机的移动端夹持器，尽量使其加持均匀且牢固。 试验机回逮移动，将聚氨酯像胶不断进行 立f 申。移动过程中，试蝴会自动检测并记录 试样长度和力的大小，按试验项目的要求进行记录和计算并精确到圭2 。本实验通过制 作五组哑铃状试样，令夹持器以5 0 0 m m m i n j = 5 0 m m m i n 的速度拉伸。如果试样在狭小平 行部分之外发生断裂，则该实验结果应予以舍爿创。 武汉理工大学硕十学位论文 实验结果的计算： f r s = 最 q 。1 ，l 式中：b ! 立f 申强度，m p a ； k 记录的最大力，n ； w 裁刀狭小平行部分宽度，m i n ； _ 式验长度部分的厚度，m m 。 断裂拉伸强度计算： f 毛2 击 ) 式中：疋斯裂拉伸强度，m p a ； r 试样断裂时，记录的力，n ； w 裁刀狭小于行部分宽度，n 】1 i l ； t 一式验长度部分的厚度，m l t l 。 扯断伸长率计算： 民：1 0 0 _ ( l b - l o ) ( 2 - 3 ) l o 式中：e b 扯断伸长率，； k - 群断裂时的标距，m m ； l 0 - 亩c 羊的初始标距，m n l 。 扯断永久变形计算： l=l，一上o(2-4) i ，、广- 达到扯断点时的标距，m i l l ； io _ 瑚始试验长度，m m 。 弹性模量测量需要需要在材料比例极限内，依据胡克定律，材料在单向受力情况下， 应力与应变成j 下比： 口：es(2-5) 由以上关系，可以得到： 武汉理丁大学硕士学位论文 e ：里：上( 2 - 6 ) 占, 4 e 材料在比例极限内，横向应变占与纵向应变占之比的绝对值为一常数： = 吲 c 2 。， 上式中的常数“称为材料的横向变形系数或泊松比。 本实验采用增量法，即逐级加载，分别测量在各相同载荷增量p 作用下，产生的应 变增量舀。于是式( 2 - 6 ) 可写为： ? e ：_ 垒l( 2 8 ) 1 么。乞 根据每级载荷得到的e t 和，求平均值： e e = l( 2 - 9 ) 以上即为实验所得材料的弹性模量，其中n 为加载级数。本实验取加载级数为4 级。 电子万能试验机在进行拉伸的同时，记下聚氨酯橡胶试样的位移量和拉力值。 2 1 3 实验结果 五组哑铃状试样拉力试验所得的如图2 - 4 示为： 试样1 到5 4 0 23 0 r 2 0 崔 翥l o 0 一l o 0l 2 3 0 04 5 6 0 07 0 08 0 0 拉伸应变( ) 图2 4 五组哑铃状试样拉伸试验图 1 4 一# 。2 3 4 5 一 目目 武汉理工大学硕士学位论文 实验数据如表2 - 3 所示： 表2 - 3 拉伸试样试验数据 取加载级数为4 级，每次加载量为3 0 n ，试样截面积已知。记录下聚氨酯橡胶的位 移变形量，实验数据如表2 _ 4 所示： 表2 _ 4 弹性模量测量 级数 加载位移s l 加载位移s 2 加载位移s 3加载位移s 4 弹性模量 试样 ( m m )( m m )( n 】m ) ( m m ) f _ r m p a ) 平均值 2 1 3 3 9 5 2 1 5 3 9 6 3 9 4 9 8 l 1 4 9 1 1 0 3 4 1 5 0 3 1 3 9 8 2 8 1 3 4 9 1 2 9 2 l 3 5 3 2 3 3 1 5 4 9 1 5 6 4 8 5 0 3 2 5 7 3 4 5 4 9 5 3 2 5 0 1 5 3 5 5 0 3 5 5 8 5 2 6 弹性模量方差为：s = 0 2 3 9 5 可见，所测数据离散程度不大，数据可靠。 2 2 聚氨酯橡胶硬度测量 硬度测量是检验材料特性的个重要指标，也是最快最经济的试验方法之一。因为 硬度测试能反映出材料的化学成分、组织结构和工艺处理上的差异，常被用作监督手段 应用于各行各业。最常用的硬度测量方法有：邵氏硬度测试、洛氏硬度测试、布氏硬度 测试。测量橡胶材料般多用邵氏硬度计测量。 武汉理- t 大学硕士学位论文 2 2 1 实验原理 邵氏硬度计的测量原理如图2 6 所示：具有一定形状的钢制压针，在试验力作用下 垂直压入试样表面，当压足表面与试样表面完全贴合时，压针尖端面先对压足平面有一 定的伸出长度l ，以l 值得大小来表征邵氏硬度的大小。l 值越大，表示邵氏硬度越低， 反之越高嘲。 计算公式为：h a = 1 0 m l 0 0 2 5 肛1 0 咐o 0 2 5 由公式可知，邵氏硬度与压针位移量有关，通过测量压针的位移量，即可计算出邵 氏硬度值。 2 2 2 实验方法 邵氏a 型硬度计用来测量软塑料、橡胶、合成橡胶、毡、皮革、打印胶辊的硬度； 邵氏d 型硬度计用来测量包括硬塑料和硬橡胶的硬度，例如：热塑性塑料，硬树脂，地板 材料，保龄球等，特别适合于现场对橡胶和塑料成品的硬度测量。当硬度小于9 0 邵氏 a ，用邵氏a 硬度计测量，硬度大于9 0 邵氏a ，用邵氏d 硬度计测量。试验时用邵氏a 硬度计测量数据大于9 0 邵氏硬度a 硬度，故用邵氏硬度d 测量