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振动加工在航空业的现状：工业界和学术界的观点R. Mediratta 1 & K. Ahluwalia 1 & S. H. Yeo 2Received: 25 May 2015 /Accepted: 4 October 2015# Springer-Verlag London 2015摘要：振动光整加工是一种多功能的加工过程，是全球的许多工业过程的重要组分部分，包含倒圆角，提高光洁度，去毛刺，精加工，清洗，抛光，除锈等过程。本文将讨论振动加工的演变和它的具体技术内容。大规模光整加工的发展、航空业振动加工的重要性、参与这一过程中的参数和先进的振动加工的专利格局也将被阐明。更重要的是，本文将驻足于尝试去解释这背后的神秘进程。实证研究，模型开发，批量和颗粒冲击速度的研究，震荡强化和阿尔门带特性是将要特别讨论和研究的工作。这项工作已确定缝隙振动后的加工工序, 其中一些是根据磨料流测量和监控系统的需要来决定从电机振动到介质振动的频率损失。计算频率和振幅介质以及磨料撞击工件的速度和力等工作仍在研究中。文献指出,就工艺参数质量、工艺参数之间的联系、工艺参数对工件表面质量的影响等而言需要更多的研究。这个行业是在寻找更短周期改善表面加工质量的方法, 因此各种振动加工先进技术拖曳式主轴光整加工便诞生了。根据作者的了解,对振动加工还没有全面的研究。本文旨在于为科学团体和专业人士提供专业性学术参考。本文致力于推进能够实时监测和表面质量测量的新一代振动加工系统。关键词：振动加工 短周期 偏心块重量 介质运动 模型研究 夹具1介绍：在各种行业尤其是航空业的产品开发中，振动光饰加工已变得越来越重要了。这是由于自动化加工过程的提高，以及现代振动加工技术在不同工艺工程的广泛应用。Yabuki et al.充分总结了振动加工的广泛性:它有充分地去除刚件的毛刺并且在抛光塑料方面也非常有效。振动加工是大量磨料包围下的一个过程。光整加工由研磨性的加工过程组成，磨料由金属或其它材料组成，可以同时加工一种或几种不同的表面，比如,去毛刺、边缘倒角、提高表面光洁度、改善表面粗糙度和消除应力等等。随着该加工方式被大量的应用，该过程被制造业广泛使用。光整加工固有的经济性，灵活性和适应性，使其成为用于改善大量工业零部件质量的唯一方式。不进行表面光整加工的结果可能相当严重: 由于负载能力的下降，耐腐蚀性和耐疲劳性减弱，零件将表现不佳。 本文对光整加工过程做了概述，如何进行光整加工已经发展了很多年，并重点介绍了机械和机械特性对表面光整的影响，特别是对振动加工过程做了更详细的概述。用于振动光饰过程的关键变量在航空工业是非常重要的，在振动光饰过程中，先进技术对减小长周期特别有效，对该经验过程的理解已经做了大量的研究，所做的研究也将做简要的讨论。2光整加工及其历史背景光整加工是研磨工业过程的一个通称，称为磨料的松散的粒子连同混合物一起放置于一个容器中，工件被埋没于磨料里。滚磨、振动研磨、离心式滚磨，拖曳式滚磨等加工过程包括在光整加工的范围内。能量通过各种各样的周期性振动传递给研磨介质，使其与零件表面发生相互作用。到目前为止,振动加工是最广为人知的光整加工过程。光整加工过程于上世纪初期在行业中建立了自己的位置。滚磨加工据说是最早的光整加工方式。第一次光整加工过程是用古中国人和古埃及人把天然的石头放在滚筒中来抛光他们的武器和首饰。光整加工在技术上被发展和创新，这导致了许多变体桶加工，振动光饰，离心式滚磨，推拽式滚磨。虽然关键性过程变量（kpvs）会随光整加工方式的变化而变化，但是他们仍可分成四大类 ，如图1所示。因为这四个即KPVs-media、复合、机器和工件高度相互依存,它们可以被可视化为四面体称为“四面体相互依存”。各种工艺参数的功能如下1. 磨料: 磨料是最主要的元素，它负责把零件加工到想要的表面质量，它可以是研磨性的，也可以是非研磨性的。图12. 复合物：复合物是水性润滑剂和冷却液的过程。它有很多用途，如排出磨损材料，清洗加工表面 和控制加工过程中的PH值。3. 设备类型：光整加工设备自诞生之初就发展了。从滚槽式到拖曳式，有了技术与效率的不断演进。不同的机器在自身运动和磨料运动方面各有不同。4. 工件: 工件是加工过程中最重要的变量。工件决定上述所有参数。例如，要处理的工件的大小和材料决定了机器和磨料的类型。一个大的零件进行抛光，将要在一个大型机器上通过合适的磨料和复合物进行抛光。光整加工的固有程序磨料，复合物和及设备类型，光整加工见证了工业部署以来的多次改进。最重要的是在机器类型方面。技术的发展如图2所示。图2 光整加工的演变5, 63 航空工业的振动加工：Davidson 及时总结了为什么边缘和表面处理是至关重要的：“有时，为了充分了解边缘和表面质量问题的意义，就需要了解在边缘和表面质量得不到足够的重视的情况下所造成的后果。”航空业产品与人们生活息息相关，因此当涉及到产品的相关过程时一定要对边缘表面条件足够地重视。航空航天工业对风机、涡轮叶片等零件的表面光洁度要求很好。如果风扇叶片有光滑的表面，存在于机翼的风险就会降低。机翼表面越平滑，引擎操作温度越低。这便实现比额定值更大的排气温度范围和发动机之间的“红线”最大废气温度(MEGT)范围,如图3所示。这个温度降低提高了飞机发动机大修的时间，他们可以在大修之前保持更长的服务时间8。提高涡轮叶片的表面质量的同时，提高了加速度和涡轮机中的压缩气团流，同时也会节省燃料. 降低表面粗糙度也有助于提高疲劳寿命。因为飞机部件在运行过程中应受到不同的应力的变化，所以较低的表面粗糙度是至关重要的。图3 表面光洁度对飞机发动机排气温度的影响 发动机中的零件，例如风扇或涡轮叶片，由于尖角和毛边的作用会产生应力集中，去毛刺和倒圆角可以减少应力集中现象进而增加抗断裂和疲劳寿命。现在已观察到,大多数疲劳裂纹发生在表面部分,而不是内部。因此,表面处理对于增加使用寿命非常关键，尤其是在航空航天工业。装配期间,粗糙表面和锋利外边缘也可能损伤涂层或表面。结构上尖锐的外角充当电荷蓄电池,可能引发静态放电风险。在飞行操作,锐利的边缘可能有不平衡电荷,成为引发电压。这种潜在的差异可能由于静电或雷击造成的。 振动加工是一种应用广泛的加工过程，能达到航空局和相关零件规定的表面光洁度的要求，以应对上述现象所造成的潜在的危害。该加工过程对许多零件（通常是航空航天零件）的复杂几何形状是非常有效的，可以在最小的工时下完成工艺规程。由于所有部分的加工过程是相同的，振动光饰可以形成残余压应力，以及为整个零件提供应力平衡。产生的压应力将抵消由裂纹引起的拉伸应力，并有助于遏制裂纹的产生。许多机械加工和磨削过程往往会在零件表面产生残余拉应力。当承受周期性压力时，这些残余拉应力容易使零件发生过早断裂和失效。振动光饰会产生残余压应力。然而，振动光饰需要与此过程相结合的长周期加工过程。由于缺乏科学的认知，所以对振动光饰加工能力的理解存在障碍。 在航空航天工业中，有一个长度为1200毫米，宽度为500毫米的典型的风扇叶片,用槽式振动光饰机来加工这些叶片。小型旋转的航空航天零件如涡轮叶片、整体叶盘、压气机盘是在碗式振动机光饰来加工。加工光整过程中，夹具是用来装夹这些工件，以防止划伤或对易损边缘的碰撞所带来的损伤。夹具的作用将在第4.2和6.4节中详细阐述。飞机机身的结构部件和翼梁需要在大型槽式振动器中进行去毛刺和倒角。去毛刺的零件与锐利的边缘相对有光滑的半径和更高的抗疲劳裂能力。在零件边上的油漆附着性也有改善，这对下一步的生产工艺有很好的改善。 4振动光饰中的关键性过程变量 振动光饰是一个复杂的过程，每一个操作参数在加工中都对表面光洁度有着重要影响。振动加工机有碗式和槽式两种主要装置。这两种装置可以加工不同大小和体积的工件，从庞大的零件到像涡轮叶片、风扇叶片这样的小部件。这些关键性过程变量与机器的类型是相互对应的。每一个关键性过程变量是相互依存的，并且其中任何一个都是对于表面光洁度来说都是不可忽视的。在1节中提到的，光整加工中相互依存的四面体交织在一起来获得理想的产品。根据零件的类型、所需的输出、可能的应用，这些关键性过程变量都是可以改变的。虽然振动电机的频率是最重要的参数，因为磨料是光整加工过程中最重要的部分，磨料的振动频率是由振动电机的频率决定的，但是其他方面，如合适的润滑油复合配料，其它机器参数也至关重要。这些参数在图4中列出。机械特性的关键方面在文章的图5中做了总结。电机和偏心块的重量统称为“偏心驱动系统”，是振动加工过程的核心。4.1和4.2部分将详细阐述平衡驱动系统和夹具。图4 振动加工中的关键性过程变量图5 振动加工机械特性4.1电机和偏心块的重量振动加工过程的核心是带偏心块的振动电机，因此称为“偏心驱动系统”。它连接在碗式或槽式容器上，容器是由固定在地上的弹簧支承。偏心块连接在电机主轴的两端，它旋转时产生振动，从而带动整个设备产生振动。频率通常是通过控制电机的转速来调节的。通过改变偏心块的重量来改变振幅。除了磨剂和磨料的类型之外，这些都被作为加工过程输入参数。典型的频率和幅度的范围分别是2060赫兹和210毫米。电机高速运动，以减少周期。 设计的电机的速度高达40赫兹在达到所需的表面粗糙度，比工作在20至25赫兹之间的机器时间上减少了约40%。在这两个参考文献，有一个共识，在高速振动光饰机里，磨料旋转的更快速且均匀，但是磨料的振幅减小。在参考文献中，介质振幅大，接触时间长，短周期内表面不均匀。这引起对下表面的冲击，以及在短周期内工件获得更均匀的表面质量。罗林森认为更快的周期，可以磨料运动快速且一致和高振幅振动的精确控制。进一步的研究可以进行确定，振幅的大小决定在高频振动下进行光整加工的效果。在高频振动下理解高/低振幅的作用时，偏心块的变化对改变振幅有关键作用。对于碗式振动光饰机，装置中的工作负载做螺旋式运动。其运动形式有两类，翻滚运动介质在外壁处起落并向中心运动。进给运动工作负载沿研磨路径顺时针或逆时针运动，如图6所示。翻滚运动由下偏心块的质量确定，进给运动由上偏心块的质量确定。一般情况下，下偏心块也导致顶部重量沿驱动轴的方向旋转，介质与驱动轴的旋转方向相反，两偏心块之间的夹角控制翻滚运动和进给运动。Nebiolo详细阐述了这种观点，如图7所示。对于槽式振动光饰机，产生振动的方法与碗式振动光饰机相同。运动形式简单在槽中的交叉区域旋转，如图8所示。图6 振动碗中的滚动和进给运动 13 图7 振动碗中的偏心权重图8 振动槽横截面中的介质运动4.2固定装置的发展趋势由于对固定装置研究有限，在文献中对于工件的固定装置提供了另一种研究方法。对于像涡轮叶片这种贵重零件，固定工件并防止相互撞击非常重要。工件固定式加工方法的其他优点有：加工时间短、表面研磨精密、防止工件锋利的外缘划伤碗式容器壁。工件固定（通过适当的方法将工件夹持放入介质容器中）在振动光饰加工中是一个较新的概念。这种工件固定式的振动也被称为加强振动。这些固定装置可以静止（固定在振动设备上）也可以浮动。这两种形式都能加快光整过程，在短时间内达到想要的Ra。这是因为在加工过程中，介质撞击工件的力流、工件与介质之间的相对速度能够增大。在某种程度上，拖拽式光整加工、主轴式光整加工、流动式光整加工都是固定式光整加工的先进形式。在这些加工工艺中，都通过适当的方法固定工件，与传统振动光饰加工相比加工时间缩短接近33%。5专利分析为了确定是这些创新是属于振动光饰中的那种关键性过程变量，与振动光饰加工相关的全部专利搜索也在这项工作中开展。观察到普遍的趋势是大部分的专利在振动光饰加工过程中就生产周期和产品表面质量做了改善。在第4.1节中对减小高速振动电机的周期进行讨论，哈蒙德机械就带有可调偏心块以及把电机旋转轴的转速增加到2000rpm或者更高的高速光整系统获得了专利。创新的装夹方法也在专利数量上获得了公平的份额。Van Kleef and Sothorn在他们的专利中提到了主轴的装夹方法和混合磨料可通过板的上升或下降垂直通过研磨介质。Walther Trowal在2012年对铁磁性工件的装夹方式获得了专利。REM提出了磁性夹具方面的专利，MERMARK INC.获得了振动夹具方面的专利。德国劳斯莱斯公司的专利涉及强化磨料以及这些强化磨料的形状。REM还获得了通过化学方法加速光整加工过程的专利。除此之外，关于通过分频器使磨料与工件得到快速分离的方法也获得了专利。根据所进行的专利搜索，作者提出了专利地图，如图9所示。专利地图清楚表明了大多数的专利属于通过偏心驱动系统和特殊方式装夹工件以减少加工时间。相关专利的其它参数，如磨料，磨剂、磨料与工件的分离装置也在检索的专利中，振动光饰是一个涉及到多个参数，每个参数都不能忽略并且最终达到理想表面质量的加工过程。图9 专利图6振动整理研究工作迄今为止，振动加工的研究主要是基于确定最佳参数的试验和误差分析，以实现理想的表面质量。尽管已经进行了各种研究，振动光饰的机制仍不清楚。主要研究领域如图10所示。本节简要讨论了这些研究的主要结论。为了更好地分别的理解优化加工过程和实验，例如在航空工业和科学研究的过程中，这些可以通过人工来操控振动加工机械。6.1 实验研究这可能与在4.1节讨论的关于电动机和偏心块有关。通过增加电机转速、偏心块质量或改变结构，可以振动在光饰机里观察到振动特性的变化。通过提高振动机器控制面板上的电机速度来提高机器的振动频率。振幅可通过改变偏心块质量和偏心块之间的角度来调节。大多数传统的振动机械都带有振幅的标签，他们的振幅是确定的。在2mm到8mm的工作窗口中，振幅分辨率是0.5mm。因此需要设计一个更全面的位移传感器或振幅测力计，以提高测量的可靠性。介质振幅对振动抛光效果影响的研究是有限的。振幅的精确监测是必要的，用来研究不同振幅下光整加工的效果。王等设计了一个特殊的传感器，用来测量碗式振动光饰机中磨料和攻击的接触力。应力信号的傅里叶变换显示，大多数能量发生在相同的运行频率下，力传递也发生在设备的运行频率中。传感器被正向和背向放置在工件上，当工件绕碗式机螺旋运动时，获得相似的结果。得出的结论是对所有的工件表面而言，冲击磨损条件相对恒定。通过试验得出了，固定工件受力比自由工件受力大。这与4.2节中讨论的夹具概念串联。由于周期时间大大减少，所以夹具在振动光饰中变得越来越重要。不加磨液的情况下，随着介质尺寸的增大，力也增大，加磨液时则不明显。王等也提出了随着润滑液的增加（从干状态到只加水再到加清洗剂），工件的绝对速度和介质相对与工件的相对速度都增加，因此，润滑剂对介质的相对速度的影响大于对工件的速度的影响。表面硬度和粗糙度主要受润滑液、介质尺寸和介质表面粗糙度的影响。这是因为塑性变形受介质和工件之间相互作用力的影响25。为了使工件达到所需的表面质量时，决定因素是不可忽略的，如添加的润滑剂（类型和数量），从而加强相互依存的四面体。Yabuki 等人设计了一种新的力传感器来测量碗式振动机中磨料的法向和切向接触力。他们记录磨料的接触方式。三次接触方式（自由受力，单个介质的滚动，相邻介质绕静止介质的滚动）的原理如图11所示。扫描电子显微镜和力传感器的测量表明，一次自由的冲击（图11A）产生一个相对较小的坑和应力信号；单体磨料的滚动（图11B）产生划痕和力学信号，通过完全卸载产生多个明显的峰值以及临近磨料在固定磨料上滚动（图11c）所产生的最大单坑和在一个较大的平均接触力和非完全卸载下产生力的突变。一个关键的发现是，工件应该被安装固定在磨料流方向，磨料流方向冲击力大，表面光整速度快。还观察到在干燥的条件下，最大冲击力和冲击频率远高于在湿润条件下。下面这些因素作为上述观察结果的原因.(i) 添加水的湿式情况下，摩擦系数降低，因此从容器壁传递到磨料的能量就减少；(ii) 介质表面的水膜产生附着力，造成冲击能量消失；(iii) 增加润滑剂减少了磨料和工件的相对速度。由此可以得出结论，虽然润滑剂有助于振动抛光，但是过量的润滑剂可降低磨料的冲击速度，增加表面光整加工时间。图10 振动加工研究领域图11 振动研磨介质的接触方式a 自由冲击b单体介质滚动c相邻介质在一个固定的介质上d 滚动Baghbanan等人用Yabuki等人开发的力传感器在一个振动加工槽中进行了实验。观察到正常的模式下，切向力和表面性质的变化情况，与Wang 等人和Yabuki 等人在碗式振动光饰机中观察到的相似。低能量的小型碗式光饰机和高能量的大型槽式光饰机在硬度和加工时间之间的关系相似。然而，在槽式光饰机中工件的不同的安装方法是结果的变化很小。并对润滑条件进行了试验，发现其对工件的硬度和表面粗糙度有明显的影响，与Wang 等人和 Yabuki 等人观察到的相似。因此，得出的结论遵循振动光整的一般模式，与机器的类型，振动频率和幅度无关。在不同类型的振动设备中（槽式或碗式），可以看到类似的振动加工条件。在两种设备上使用固定装置，固定装置的设计取决于所光整的工件。碗式和槽式的一个显着差异是容器内磨料冲击能量的高低。这可由机器在不同频率工作得出碗式光饰机工作频率30Hz，槽式光饰机工作频率47Hz。随着频率增加获得更高的冲击能量，解释了在4.1节讨论的高速电机工作周期的减少。 Domblesky等人进行了碗式光饰机的实验，研究了不同加速度，加工时间下，铝、黄铜、钢作为工件材料的材料去除率和表面质量的变化。从材料去除的角度来看，磨粒磨损与光整加工中材料去率除息息相关。这是因为在加工过程中，粗糙的磨料对工件表面进行刻划。根据其各自的力学性能，domblesky等人猜测铝将有最大的材料去除率和钢材料去除率的最低。在实验中观察到，黄铜具有最高的材料去除率（材料去除率）和铝的材料去除率最低。这一观察结果归因于磨料和铝有类似密度，这将导致二者之间较低的相对运动。进一步调查是为了解决黄铜的材料去除率是钢的材料去除率的两倍的问题。实验中指出，碗式光饰机的加速度高度受底部偏心块的重量和上偏心块重量差值的影响。如4.1节所讨论，这一观察建立在偏心块重量和料箱重量这一基础上。因此建议进行去毛刺和倒角，使用偏心块来控制和优化切削和材料去除率。这一建议适用于通过振动光饰来给航空航天部件进行去毛刺、倒圆角。作者在本文所述的一个潜在限制是由于不同的机器配置有不同的偏心块，由Domblesky 等人提出的建议是否能在其他的碗式振动光饰机中实施。材料去除率随材料的不同而不同，对于给定材料，则与加工时间有关，工件硬度也与材料去除率有关，硬度低，则材料去除率高。 Kumar等人设计了一个简单的模拟一维振动的加工过程。在2个不同的方法下对钛工件的材料的去除率、表面粗糙度和接触力进行了测试。通过实验研究，发现它被放在更深的磨料中并垂直振动，表现出了较高的材料去除率。磨料流可以形象化为一层一层的，容器中的深层磨料会沿上面磨料层的重量而移动，因此相比表面的磨料层要以不同的力撞击，引起大的材料去除率。利用多体动力学仿真模型对磨料和工件的接触力进行建模。尽管它被证明是一个合适的方法，Kumar et al.声明它必须会进一步优化，以用于预测模型。为了使模拟结果对工件材料的去除的预测有作用，更精确的接触力峰值的预测和其他相对较小的力需要被测试。6.2振动光饰的进程模型的发展自1979起，Sofronas 等人是为振动光饰过程制定综合模型的最早研究者之一。他们使用反应曲面分类研究法统计工具来研究硬度、加工时间、磨料尺寸，和振动频率对边缘倒角、提高表面质量的影响。这三个变量在图12中有很好的说明。也有人声称，与倒角和提高表面质量类似的机制和磨料去除机理相反。从实验中得出结论，振动频率是最重要的过程变量，随着频率的增加相关变量的响应如图12所示，其次是磨料的大小和加工时间。在4.1节进行高速电机可以实现加工周期减少的讨论与sofronas研究结果一致。图12 projection height reduction，提高表面光洁度，边缘倒角Hashimoto 做了跟进并建立了振动加工过程的基本原理，提出了用微分方程数学模型预测的表面粗糙度和材料去除率。基于振动光整加工过程实验结果，提出了三条规则。首先，经过振动抛光工件的表面粗糙度将成倍下降到一个恒定的值被称为“粗糙度的限制值”，这是取决于工件的固有表面纹理。其次，两者之间的差异越大工件表面粗糙度的变化越快。最后，Hashimoto提出，在稳定状态下，振动加工过程中具有恒定的材料去除率。他用了两个不同容量的碗式振动光饰机，频率是21 Hz，振幅是5 mm。Hashimoto的实验结果与他数学模型的预测相一致。提出的规则可以在振动光饰装置和被振动光饰机操作者普遍观察到的，也通过模型提出了优化的工作周期。该规则可以扩展到机器的高速马达，类似于观察饱和曲线。 Domblesky 等仍在做碗式振动加工的实验，同时提出了一种以切削力为模型开发的材料去除模型。模型被实验证实并且证明了材料去除率与时间无关，充实了Hashimoto的第三条规则。虽然结果似乎支持了材料去除率模型，但是需要肯定不同磨料和工件数量对材料去除率的影响。作者认为domblesky等人对他们模型的发展做出了一定的简化假设。首先，这sofronas等人提出的强化机制被忽视，因为它声称这将不影响材料去除率。观察到材料去除率与碗式容器的加速度成正比，表明高速度下的刻划作用加快。进一步表明高加速下应减少边缘倒角的时间，该情况下高层次的材料去除是必要的。sofronas等人就边缘倒角过程中强化和塑性变形机制的矛盾做了解释。其次，磨料被认为随着时间的推移，锐化和切割作用是微不足道的。然而，在实际的过程中，随着时间的推移磨料是有作用的，对于磨料变化的合理假设已经被实施了。对振动光饰的进一步研究可以对这些意见和矛盾进行纠正和实施。Naeinietal把之前的设想带到了下一步的研究中，并开发了离散元模型（DEM），用以模拟二维振动流化床系统的球形钢磨料流。DEM被用来模拟碰撞和碰撞之后的磨料、容器、工件的速度。它强调的是，预测模型的进一步改进可以通过探讨法向和切向刚度和阻尼系数，而不是与Naeini et al.所做的相同。工件表面的塑性变形和冲蚀程度受磨料冲击力的影响。DEM预测接触速度的法向分量大于切向分量，约七到九倍。在实验中发现，磨料和传感器之间的法向接触力比切向力高十倍。本文结合了Domblesky 等提出的研磨材料去除机制 26 和Sofronaset 等提出的法向的冲击力和速度，磨料的喷丸属性。在工艺研究的现状上，作者同意Naeiniet 等的观点。在这种振动抛光具有双重的机制，需要给予必要的表面条件：磨料与工件相对运动对磨料的影响和材料去除的塑性变形。Naeinietal.使用二维离散元法模拟了2种不同磨料在振动光饰机的循环运动。球形颗粒被建模为单一的层次，即所有的碰撞和运动发生在X-y平面。这项研究与该作者参与的另一项实验的最大不同是，玻璃隔板用于在振动槽间来盛放磨料。在以前的实验中，玻璃板设置在与单一的粒子层间距100毫米的距离处，从而会导致磨料流中放置更多的工件。Naeinietal.希望确定在一定种程度上二维DEM可以代表实际的二维流动。容器壁和磨料之间的合剪切力与系统的运动有关。模型预测被实验结果所证实。发现容器中的磨料深度越深，其磨料流速越大，因此工件放在较深磨料中所受的冲击力会比放在磨料表面附近所受的冲击力大。这个设想在2012年被Kumar et 等人证实了。Naeini 等人的建模通过考虑光整面上的剪切力在小颗粒和大颗粒之间转移，从而能够被推进。从Naeini等人的结果可知，作为技术研究已经有所提高，同时正在向更先进的振动光饰技术迈进。实验将有助于确定在光饰机中放置工件的最佳位置。 Uhlmann等人研究和开发了一种基于几何模型的振动表面粗糙度变化曲线的预测模型，并对其进行了测试。根据Hashimoto法则过渡期的定义，初始时糙度值随时间呈指数级下降，达到“粗糙度限制”值。Uhlmann 等人是通过制定过程模型的定量方法，来预测表面粗糙度的。该模型是基于假设的过渡期间，材料去除率与表面粗糙度的改善成例。对该模型的预测进行了验证性的测量，通过测量仪测量不同加工时间下的结果，结果表明，该模型的预测似乎相当符合测量的结果，平均残差在0.7 + 2.1%之间变化。对于给定的工艺参数，它被提出的模型也可以应用到另一个具有不同形貌特征的工件上。模型中的系统预测误差被发现，以增加加工时间。有人认为，这些错误是由于在过渡期间材料去除机理的变化造成的。基于研究振动光整加工的材料去除机理下进一步研究，开发出通用模型，对不同的工件形状、初始粗糙度、材料和磨料都适用。Uhlmann 等人着重观察了第三节提到的振动光饰的缺点加工过程中对材料去除机理缺乏明确的认识。现有的研究已经发现了一些知识，但是这些知识不能形成一个完整的知识体系。 乌尔曼等人也对振动光饰进行了研究，并结合参考文献开发的几何模型、离散元分析和实验结果等建立了一个过程模型。进行了振动光饰和拖曳式光整的实验研究，并建立了振动光饰加工过程和过程参数（加工时间、工件速度、激振频率、研磨介质和工件初始表面粗糙度）之间的关系。实验结果被用于模型开发。瞬时材料去除率强烈依赖于初始表面粗糙度。造成不同的材料去除机理的原因如下：磨损和微切削机理、工件与磨料之间的相对速度是控制材料去除率的主要因素。磨料的冲击强度是控制材料去除率的主要因素。拖曳式光整实验是固定振动抛光的一种高级形式，通过球形磨料的加工，工件也表现了表面粗糙度的稳定改善。观测提供了相关的实验证据，第4.1和4.2节所述讨论的高速电机和固定装置对加工周期的改善，通过对实验的观测得到了相关的证据。6.3磨料的体积和颗粒的撞击速度 Ciampini 等人通过压电撞击力传感器测得表面的法向撞击速度分布，撞击的频率和单位面积的撞击功率。这个项目是对Wang等人和Yabuki等人的从撞击力信号中提取法向撞击速度方法的延伸。一个显着差异是，早期的研究，传感器是固定的，而不是随磨料自由流动的。这种固定点提供的撞击速度数据与工件的大小，形状和材料无关。瓷制球体和钢球从已知的高度下落到传感器上该是用来确定撞击速度和力信号之间的关系。在磨料和传感器之间进行观察短时间内影响直接接触和较长的时间则影响非接触。影响模式如图13所示，这表明周期时间内所谓的“爆发”，爆发时间的长短与光饰机的驱动频率相对应。在振动光饰机理中，少见的高速撞击可能比常见的低速撞击，这是由于前者是影响塑性变形和硬化的主要原因。振动光饰机的一个应用是涉及到接触光线，因此相对于抛光来说，在高能接触能创建需要的塑性变形，而低速对加工而言只能起到相反的作用。通过改变磨料的数量发现，磨料数量的增加使振幅减小，而不影响振动频率。该现象是由于光饰机的振动是由带有偏心块主轴旋转产生的，支承主轴的球轴承连接在容器体上。由由传感器测量结果表明，随着工件越接近容器壁和减少磨料的重量可以使光整加工变得更加强烈。Ciampini 等人从振动光饰装置的监测速度和发现的细节得到了磨料的撞击速度如何对材料的去除机理起作用。在振动光饰机上，通过改变电机的转速（频率）可以改变速度。结合Kumar等人的研究结果，通过大量的实验来确定振动光整加工中工件的装夹最佳位置，从而适应更多加工条件光整、烘干、抛光等等。Ciampini只强调对塑性变形振动加工机理。进一步的研究可以通过测量样品重量用来识别是高速撞击的影响对材料去除率有影响。图13媒体的影响模式：持续时间较长的非接触性接触和短时间的直接影响 35 Hashemnia 等人致力于测量磨料的撞击速度，并研制了一种新型激光位移探头。值得注意的是，在一个振动光饰机机中的磨料有两种速度大规模的颗粒流速度，和小规模的撞击速度。工件重复浸入磨料中会受到周边磨料的高频撞击的影响。影响工件耐磨性和塑性变形的主要因素有：磨料颗粒速度，频率，冲击力方向。极端速度的缺点：过高会造成破坏，过低会降低工艺速率。测量振动颗粒在振动加工机之间撞击速度的作用在设计探头时，小规模的运动可以测量速度并且在不影响的磨料运动。Hashemnia 等人的研究目标是开发高速激光位移传感器探头，测定振动光整表面的法向撞击速度。图形化方法被Naeini 等人和Wang 等人用来测量有限空间流动特性的分辨率，并因此阻碍了撞击速度的测量。通过MATLAB对激光位移传感器图形信号进行了分析并确定了撞击速度。Hashemnia等人对实验的研究与Ciampini等人的研究是相一致的，他们对所用传感器在槽上固定的安装位置进行了比较。Ciampini 等人用冲击力传感器来测量撞击速度，然而目前的研究是通过激光位移传感器来确定撞击速度。Hashemnia等人研究的速度范围是50100mm/s和先前Ciampini 等人研究的速度范围是020mm/s。这种差异背后最重要的原因是在Ciampiniet 等人在研究中测得了撞击力和撞击速度之间的线性相关。差异的其他原因是两个研究所用的探针的大小不同和激光位移传感器的非接触法在目前的研究中得到了应用。由观察得到在磨料流的深度影响磨料颗粒的冲击速度，深处磨料颗粒的冲击速度远高于表面颗粒的冲击速度。这可以与Kumar等人关于磨料中较深的位置下材料去除率越高的结果相联系。在目前的实验中，磨料都使用球状的。它强调的是，由于激光传感器的平均位移信号的变化，测量的体积不规则形状的磨料的流速将是具有挑战性的。 Hashemnia等人延续了他们早期就冲撞速度的研究，并利用高速激光位移传感器研制了一款通过有限元分析来预测振动槽中磨料的撞击速度和流速的仪器。Hashemnia等人提到粒子撞击速度的灵敏度与DEM的接触系数的不确定性之间的关系是未知的。因此，在有限元分析中恢复系数和摩擦系数与颗粒和颗粒，颗粒和容器壁之间的相对运动有关。观察发现撞击速度和流体速度对摩擦系数和恢复系数中的不确定因素相当不敏感。越深的位置磨料的撞击速度越大的原因目前还不清楚，这个过程如3节所强调的，突出了内在变异性和不可预测性。得出的结论是，DEM是相对准确的预测，在振动机上磨料的局部及整体的速度的最大误差分别是20%和30%。 6.4振动强化 Sangid 等人就振动强化进行了两次实验一个是关于装夹工件的实验研究，二是可视化建模。振动强化是振动加工的一个新型加工方法，它的主要目的是形成残余应力，同时提高表面光洁度。该过程可以被认为是一个替代喷丸处理的工序。在这一过程中，工件是固定的，磨料的作用已在4.2节中进行了讨论。这将导致在工件表面上快速的机械加工。据观察，振动强化会引起明显提高工件表面的疲劳强度。由于磨料作用所产生的塑形变形在亚表面形成了残余压应力，伴随有表面光洁度的改善，抗疲劳强度的提高。如第3节所强调的，这种疲劳强化对航空部件非常有益。此外还观察到，在测试的频率范围内，机器的频率和幅度越高，抗疲劳寿命越高。磨料运动变化的深层理解由Kumaretal.得出了。一方面，磨料在槽顶部是以单个粒子的形式运动的，另一方面，由于底部的磨料受上方磨料质量的作用，底部磨料的密集程度更大，因此他们以模块的形式运动。这将导致磨料对工件的影响加大，并增加工件材料的机械加工负荷。尽管测试加工条件如磨料和磨剂对加工过程的影响，然而磨剂量的精确控制是至关重要的，需要足够的加工时间来加工样品并确保润滑油从系统中排出和磨料的烘干。进一步的实验方法是需要润滑剂的引入，控制和去除以获得“振动磨料的磨损率和加工的有效性之间的平衡” 。如第4节所讨论的，这些实验强调了没有关键性过程参数的振动光整过程是不完备的。Sangid等人的第二个研究开发高速摄影和计算模型来预测疲劳寿命，这是为了更好地了解振动强化的过程。安装在槽边的，用于观察粒子运动的有机玻璃夹具作为实验装置。观察到的磨料运动有2个组成部分：完成了槽的每个振动周期的高频振荡轨迹和改变振荡轨迹的较慢移动轨迹。Sangid等人指出振荡轨迹负责的加工过程的运动结果，移动运动负责磨料的重新分配，并排出润滑剂和工件残余料。还观察到的振动频率的增加导致磨料速度的增加，从而导致了介质强烈运动工件的相互作用，有益的高残余应力和疲劳寿命增加。高速摄像机的记录帮助计算有效的影响介质粒子与工件之间的作用力。被认为的有效力是5.3N，按照Baghbanan等人以前的计算约4N至6.5N。在实验研究领域内，这个力被发现有足够能力形成残余应力并导致塑性变形。计算模型的开发是基于实验测得的残余应力分布和表面特征的来预测工件的疲劳寿命。这个是用于喷丸处理的应用程序。Sangid等人的研究突出了振动光整过程的多功能性和潜在特性，该研究已经超出了他们最初的设想。6.5 Almen strip特征Ciampini等人使用Almen系统描述了振动加工的工艺参数。Almen 系统是一个完善的过程，是用于表征喷丸强化处理过程。金属制成的标准化形式被固定在刚性支撑下并用喷丸强化处理。从夹具下释放工件，可测得塑性变形引起的残余应力的条状曲线。这个曲率的程度和它的变化率是与喷丸处理工艺参数有关。铝的Almen条在与Ciampini等人所用的振动槽和磨料下进行光整。在槽中使用一个真空保持器以确保带材料保持平坦和提供一个恒定的边界条件。两接触条件下的Almen饱和曲线的特点是使用撞击速度得到的。还观察到，较大的塑性变形和较大的Almen条偏转是由大的撞击速度造成，因此，喷丸加工在振动加工中有着重要的地位。基于作者提出的一种新的正常的影响模拟器装置，他们提供的证据进一步表明了，由其他研究人员观察到了法向撞击是振动光饰的主导机制。Ciampini等人同时也开发出一种受振动抛光的Almen条塑性变形模型和加强Almen条作用来表征振动抛光工艺。7结论 尽管在光整加工行业已经取得了进步，振动光饰仍被证明是一种特别有效的光整加工形式。在当今社会，振动光饰在许多行业的生产线中占有举足轻重的地位，被认为是一种高效且可重复的加工过程，它可以最少的使用人力和其它资源。对于振动光饰，仍然困扰着许多研究者的关键问题是解决包含在整个过程的the black box问题。这就需要清楚地建立材料去除机制和获得工艺参数和表面光洁度之间的关系。由于材料去除机理的复杂性和振动加工过程的不可控性，导致了过程的输入输出参数之间的关系是不清楚的。例如，对于改变一个输入参数，如介质和化合物，对工件的表面光洁度或材料去除率会产生正面或负面影响不得而知。因此，设计新工件的加工过程仍然建立在一个试验和误差的基础上，并在很大程度上取决于供应商和实验人员的专业知识。 关于振动整理过程已经开发了数值的分析，经验和数值模型。对振动光饰相关文献的回顾，得出的主要研究结果如下：1 振动频率是振动光饰过程中的最重要参数，振动光饰是在高频振动下进行的，且高频振动会缩短加工周期。2. 在振动整理过程中，存在2种主要的加工机制：磨料冲击下的塑性变形机制和工件和磨料的相对运动产生的材料去除机制。3. 通过增加磨料流速和磨料与工件的相对速度来光整被夹紧的工件，从而缩短加工时间。这便是固定式振动光饰取得进步的原因。4. 磨料的选择和磨剂的添加量在获得较高表面质量中起着关键的作用。5. 随着时间的推移，特定材料的材料去除率保持不变，被称为是更高的组件时，当工件垂直放置于较深的磨料里，材料去除率会较高。6. 在振动光整加工过程中，磨料的法向力和高速冲击是产生塑性变形的主要原因。7. 在振动光饰过程中，磨料的三种主要接触方式是：自由撞击，个别磨料的滚动，相邻磨料之间的相互滚动。 然而，量化振动频率的范围对于一个给定的组件来说是很必要的。合适的频率与适当的幅度是实现理想表面光洁度的关键。在航空业有严格规定，工件质量的高标准和客户的满意度是必要的。虽然工件的夹紧可以大大地减少加工周期，但是存在损害工件的风险并且修复时间将超过减少的时间。一一种新的夹紧方式大大地减少了加工周期，摆脱对工件的冲击还有待研究。研究人员也在寻找一种“智能”磨料，可以在减少材料的去除情况下同时减小表面粗糙度。对于给定的工件，容器中磨料的最佳高度和适当的磨剂量也需要被量化。现有加工方式大多数应用了对称形状的球形磨料。然而，这并不是实际过程的代表。对各种形状磨料组合效应的进一步研究是很有必要的。从电机振动到磨料振动的频率和能量的损失的研究与磨料流量测量与监控系统的研究存在误差。目前的系统中只包含了幅度表。振动频率的计算方法，磨料的撞击速度和磨料对工件的撞击力仍在研究当中。现有的工作报告了可以进一步进行研究，用以对这些参数进行研究和改善理解。一旦深入研究这些参数，下一个伟大的发明的对象将是下一代的振动系统，可以在振动光饰机中加入监测系统，根据光整的条件让行业运营商实时地更新和改变参数是有必要。步骤的变化是将各种工件和加工要求列成目录，来实现振动光整过程中加工参数的实时反馈。感谢：本文是在Corp LabUniversity Scheme下的国家研究基金会（NRF）新加坡支持的Rolls-RoyceNTU Corporate Lab的协助下完成的。同时作者还要感谢Rolls-Royce的Thomas Haubold, Anna Tai,和 Yebing Tian。参考文献：1. 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