摘要：介绍了一种新型二维超声磨削方法及其磨削系统的加工特性，并以磨削过程中单个磨粒磨削力的受力情况分析得出了超声振动磨削系统的优势，通过试验得出超声振动频率和超声波发生器功率的改变均能给磨削力产生影响。并且通过此种超声系统可以加工硬脆材料并能取得良好的效果。

　　关键词：二维超声磨削; 磨削力; 硬脆材料; 频率; 功率

　　1.引言

　　工程陶瓷由于具有高强度、耐腐蚀、耐磨、耐高温等优良特性，已被广泛应用于精密轴承、汽车零部件、仿生兼容植入体、密封元件、耐火材料、切削刀具和电子器件等航空航天和化工、机械、医疗领域。同时，由于陶瓷材料的低塑性，属于典型的高硬度脆性材料，传统的加工方法难以加工。这在很大程度上限制了陶瓷材料的推广应用【1】。

　　为此，本文提出了一种新型二维超声振动磨削系统，尤其适合陶瓷等硬脆材料的加工。这为陶瓷等硬脆材料的加工开辟了新的领域。同时也为新型难加工材料的应用推广提供了新的途径。

　　2.二维超声振动磨削系统

　　超声振动磨削系统由超声波发生器、换能器、变幅杆及磨削工装四部分组成。超声波发生器的作用是将普通交流电源转换成高频振荡的超声频电信号，是整个超声振动系统的能量源;换能器的作用是将超声频振荡的电信号转换成超声频机械振动;由于换能器直接输出的振幅较小，不能直接用于工业应用，变幅杆的作用就是将换能器发出的小振动振幅进行放大。由于超声振动加工技术的日益完善，其逐渐向模块化发展，发生器、换能器可以根据需要进行购买，由于用户对超声系统的装夹、尺寸及振幅的要求各有不同，所以变幅杆通常要自行设计本实验选用实验室现有发器，型号为H66MC，频率18000-22000HZ可调;换能器谐振频率为20000H。通过预设的工装，使工件实现超声振动。该声学系统与普通磨削相结合，在平面磨床上可实现二维超声磨削。对变幅杆和二维超声磨削工装进行设计。如图1所示：

　　图1 二维超声振动磨削系统原理图 图2 试验设备

　　Fig.1 Principle diagram of acoustic system Fig.2 Experimental instruments

　　为了满足加工要求，在设计制作变幅杆时，要保证变幅杆有足够的放大系数，使超声振动的振幅从换能器输出端的0.004mm～0.005mm放大到0.01～0.03mm，变幅杆的类型，以及所用材料的选择是两个必须首先考虑的问题，而节点位置的确定，变幅杆的固定方式，以及材料的热处理方式则是设计中的关键问题。变幅杆大端的尺寸取决于换能器辐射面积。一般来说，其截面尺寸应等于或略大于换能器辐射面的尺寸，但其横向尺寸在没有采取特殊措施(例如开槽)的情况下，应小于波长的四分之一，以减少横向振动所带来的影响。小端(即输出端)尺寸应根据传振元件或工具的尺寸来选择【2】。

　　3.二维超声振动磨削时单个磨粒承受载荷情况分析

　　工程陶瓷磨削过程中的法向磨削力、切向磨削力及磨削力比对于考查磨削工程陶瓷材料使用的机床刚度和动态性能有着重要作用。砂轮磨削过程实际是许多磨粒共同作用的结果。每个磨粒就像一把锋利的车刀，单独对工件表面进行切削。因此，为了深入理解超声磨削过程中磨粒与工件间的相互作用机制，我们来分析单个磨粒在超声振动作用时的受力情况【3】。单颗磨粒切削轨迹如图3所示。

　　图3 超声磨削时单颗磨粒切削轨迹

　　Fig.3 single diamond grain cutting trajectory models of Ultrasonic grinding

　　当工件振动方向与砂轮线速度方向垂直时，工件的振动方程为：

　　(3-1)

　　振动速度方程为：

　　(3-2)

　　在切削过程中，工件受脉冲力，平均冲击力为：

　　(3-3)

　　式中： ——金刚石砂轮的等效质量;

　　——磨粒与陶瓷工件的接触时间;

　　——振动频率;

　　——振幅。

　　有效磨粒数：

　　(3-4)

　　式中： ——工件与金刚石砂轮接触面积;

　　——切削刃密度。

　　和可由下式计算：

　　式中： ——金刚石砂轮半径;

　　——与磨粒形状、修整条件等有关的比例系数;

　　——磨粒平均直径;

　　——磨粒浓度。

　　则单颗磨粒接触脉冲力为：

　　(3-5)

　　单颗磨粒的最大冲击力：

　　普通磨削时的合力设为，则单颗磨粒的切削合力：

　　(3-6)

　　在超声振动磨削时，普通切削力与冲击力同时作用于工件上，合力为，磨粒受力矢量图见图4。

　　图4 超声振动磨削时单颗磨粒受力图

　　Fig. 4 the force of single diamond grain when the ultrasonic vibration grinding

　　根据矢量合成定理，在磨削过程中任意时刻磨削力为：

　　(3-7)

　　所以在超声振动磨削时，单颗磨粒所受合力大小为：

　　(3-8)

　　式中：——普通磨削合力;

　　——动态有效磨刃数;

　　——砂轮等效质量;

　　——频率;

　　——振幅。

　　(3-9)

　　3.2试验方法

　　在试验过程中把超声波振动施加在工件上，沿金刚石砂轮轴向方向。磨床工作台只能吸附金属材料，陶瓷试件不能直接吸附在磨床的工作台上，所以将陶瓷试件用AB胶粘结在设计好的托板上，试验后用电炉烘烤，可比较容易的取下，再用丙酮浸泡工件粘结面，用小刀轻轻刮除，即可恢复平整，以便后续测量粗糙度及用电子显微镜观测的顺利进行。托板按全谐振设计，变幅杆与托板采用双头螺栓连接，二者的连接表面需经过研磨，连接时先涂布硅油或蓖麻油，再拧紧螺栓。在进行磨削试验时需要加切削液润滑、冷却、清洗，为了保护换能器电源线接口，需要在换能器上加罩玻璃纸。试验参数见表1

　　表1 试验参数

　　Tab. 1 Test conditions

　　参数

　　试验条件

　　工件

　　纳米氧化锆陶瓷，尺寸：20mm×20mm×5mm

　　机床

　　冈本GTS-6016-AHD精密平面磨床

　　砂轮修整

　　#200SiC油石与铸铁配合修形，#400Al2O3油石修锐

　　金刚石砂轮

　　金刚石砂轮，树脂结合剂，浓度100%，规格：f270×35

　　超声振动

　　超声波发生器频率f1=24.8KHz，f2 =29.8Khz;振幅A1=21.36um，A2=23.64um;功率：40W、50W、65W、70W、80W

　　磨削参数

　　砂轮速度Vs：26.6 m/s，轴向进给Vf：2mm/行程，工作台速度Vw：0.26m/s，磨削深度ap：1，2，5，8，10，12，15(μm)，砂轮粒度270#

　　3.3超声振动频率对磨削力的影响

　　以往的超声磨削试验大多考察不同磨削深度、砂轮粒度、砂轮线速度及工作台进给速度等参数下磨削力的情况，而对不同超声振动频率对磨削力的影响规律则研究的很少。笔者认为超声磨削优于普通磨削是因为引入超声波振动，磨削过程与普通磨削不同，所以应该着力研究超声波本身参数改变而导致的磨削力等的改变。

　　为了研究频率对磨削力的影响规律，在试验中考察了相同磨削参数下，施加不同频率超声振动磨削加工试件的磨削力值。

　　磨削纳米氧化锆陶瓷试验所测的磨削力、磨削力比的情况如图5及图6所示。

　　图5 超声频率对磨削力的影响

　　Fig. 5 Ultrasonic frequency effects on the grinding force

　　由图5可知，在相同磨削参数下，超声振动法向磨削力比普通磨削时显著降低(约为普通时65%—85%)，且随着施加超声频率的增大，这种趋势更加明显。而超声磨削切向力也小于普通磨削切向力。普通磨削试验中，当磨削深度时，磨削力呈线性增长，当时法向磨削力达到试验中的最大值，之后磨削力呈跳动分布，工件呈脆性磨削状态，用手触摸表面温度很高。而在施加频率为24.8khz超声振动时，磨削深度时，磨削力呈线性增长，当达到10时，法向磨削力达到试验中的最大值，之后磨削力下降。通过29.8khz超声磨削试验，可以得出时，磨削力呈线性增大，当时，磨削力达到最大值，之后出现脆性破坏，磨削力下降。通过试验得出随着施加超声振动频率的增大，临界磨削深度值增大。在磨削模式由塑性成形去除向脆性断裂去除转变时，法向与切向磨削力都呈下降趋势。

　　图6超声频率对磨削力比的影响

　　Fig.6 Ultrasonic frequency effects on the grinding force ratio

　　由图6可以看出，磨削力比随着施加超声频率的增大而减小。施加频率增大时，磨削力比减小趋势更明显。在出现延性—脆性磨削转变时，磨削力比减小，之后呈稳定缓慢增大趋势。

　　3.4超声波发生器功率对磨削力的影响

　　以往的超声磨削试验仅限于考察不同磨削深度、砂轮粒度、砂轮线速度及工作台进给速度等参数下磨削力的情况，而对不同功率的超声波对磨削力的影响规律则罕有研究。超声磨削优于普通磨削是因为引入超声波振动，磨削过程与普通磨削不同，所以应该着力研究超声波本身参数改变而导致的磨削力等的改变。以上试验已经考察了不同频率下的磨削力变化情况，为了研究功率对磨削力的影响规律，在试验中考察了相同磨削参数下，施加不同功率超声振动磨削加工试件的磨削力值。

　　通过试验得出相同磨削深度时，超声波频率时，不同功率下超声磨削纳米氧化锆陶瓷试件法向磨削力Fn及切向磨削力Ft值。试验结果如图7所示。

　　(，)

　　图7 超声功率对磨削力的影响

　　Fig. 7 the effects of Ultrasonic Power on grinding force

　　由图7可知，随着功率增大，法向及切向磨削力均减小。由前面推导的单颗磨粒受力模型可知，超声振动功率增大时，工件加速度增大，振幅增大对应的超声振动内应力也增大，发生碰撞时很小，从而使得工件很快发生疲劳破坏，增大的脉冲力可能引起纳米氧化锆陶瓷晶界结合力减弱，这就将引起磨削力减小。

　　4.结论

　　(1)在二维超声振动的影响下,磨削力大大减小,仅为普通磨削力的1/10-1/3。

　　(2)相同参数下，超声磨削临界磨削深度大约是普通时的2倍;即超声磨削有更大的塑性磨削区域。根据实验分析可知,纳米氧化锆陶瓷二维超声磨削的塑性域是磨削深度小于5μm,而普通磨削的塑性域是磨削深度小于2μm。随着频率的增大，磨削力及临界切深的变化趋势都更加明显。

　　(3)考察了磨削深度、超声频率对磨削力的影响规律，发现同样的切削深度下，超声磨削力约为普通磨削力的60%—80%，当磨削深度增加时，两者磨削力都增大.

　　(4)通过试验还考察了超声波功率对磨削力的影响规律：磨削力随着功率的增大而减小。

　　参考文献

　　[1] 李伯民，赵波. 现代磨削技术[M]. 北京：机械工业出版社，2003.

　　[2] 赵明利，赵波.基于新型二维超声磨削方式的工装设计及其振动特性实验[J] 机械制造，2007.6.45

　　[3] 向道辉. 纳米氧化锆陶瓷的超声磨削机理研究[D].硕士学位论文，焦作：河南理工大学，2004.