裴天河，林　彬，張曉峰，楊美寧

（天津大學(xué)，先進(jìn)陶瓷與加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

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旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工裝置及其工藝研究

裴天河，林彬，張曉峰，楊美寧

（天津大學(xué)，先進(jìn)陶瓷與加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

摘要：基于傳統(tǒng)超聲振動(dòng)理論，提出了一種新型旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工裝置。該裝置將超聲振動(dòng)與負(fù)載匹配二者相結(jié)合，具備旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工硬脆材料的能力。利用該裝置對(duì)微波鐵氧體材料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲輔助鉆削加工試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)超聲輔助磨削可有效降低加工過(guò)程中的切削力。同時(shí)，在保證刀具和材料安全的前提下，探索了旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工裝置對(duì)加工效率的影響。

關(guān)鍵詞：超聲鉆削；硬脆材料；微波鐵氧體；切削力

隨著現(xiàn)代社會(huì)的飛速發(fā)展，具有獨(dú)特物理、化學(xué)特性的硬脆材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、光學(xué)及半導(dǎo)體、精密結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域，且前景十分廣闊[1-3]。然而，硬脆材料脆性大、硬度高、難加工的特性導(dǎo)致其在進(jìn)行精密加工時(shí)，采用傳統(tǒng)加工方式往往難以達(dá)到加工目標(biāo)要求，如精度、加工效率等；現(xiàn)實(shí)中往往會(huì)因?yàn)橛泊嗖牧系碾y加工特性而遷就零部件的精度和加工時(shí)間。上述情況制約了硬脆材料的推廣和應(yīng)用。因此，如何高效、高質(zhì)量地加工硬脆材料，成為現(xiàn)代機(jī)械加工領(lǐng)域的一個(gè)重要議題。

針對(duì)硬脆材料零部件高效精密加工的需求，開發(fā)相應(yīng)的技術(shù)裝備和手段，已成為主要方向之一[4]。目前，工業(yè)生產(chǎn)中主要采用磨削工藝加工硬脆材料，但材料的硬脆特性極易導(dǎo)致其在加工過(guò)程中產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而引起工件早期破損和突然性宏觀破壞，且金剛石刀具磨損和工件崩邊現(xiàn)象嚴(yán)重（圖1）。

超聲波加工是現(xiàn)代制造領(lǐng)域中的一種特種加工方法，廣泛適用于硬脆性材料的加工。較小的切削力、較高的排屑效率及較低的切削熱等優(yōu)勢(shì)，使超聲加工得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。許多學(xué)者對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，分析了其加工機(jī)理，提出了一些模型，探索了主軸轉(zhuǎn)速、刀具振幅、進(jìn)給率等對(duì)材料去除率、切削力等的影響[5-9]。

超聲加工能降低硬脆性材料加工時(shí)的切削力。然而，硬脆性材料經(jīng)燒制冷卻后，難以保證其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全一致與均布，且機(jī)械加工過(guò)程中難免出現(xiàn)局部應(yīng)力過(guò)大的情況，甚至導(dǎo)致加工型面出現(xiàn)較大面積材料崩潰的現(xiàn)象。因此，在硬脆性材料的加工中，切削力盡可能保持穩(wěn)定顯得尤為重要。為解決這一問(wèn)題，刀具負(fù)載匹配系統(tǒng)被應(yīng)用到加工過(guò)程中。通常，負(fù)載匹配系統(tǒng)由液壓、機(jī)械結(jié)構(gòu)等提供助力，還有一些研究人員采用氣體潤(rùn)滑技術(shù)進(jìn)行負(fù)載匹配系統(tǒng)的研制[10-11]。氣體潤(rùn)滑技術(shù)有許多優(yōu)勢(shì)，如摩擦阻力小、運(yùn)行平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)精度高、穩(wěn)定性高、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境等。本實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)積累了豐富的氣體潤(rùn)滑技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，研制了用于磨削硬脆材料的孔槽加工機(jī)的氣動(dòng)負(fù)載匹配系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)部分（動(dòng)導(dǎo)軌）與固定部分（靜導(dǎo)軌）通過(guò)4個(gè)滾動(dòng)軸承連接，沒有安裝內(nèi)置的測(cè)力傳感器，防沖擊結(jié)構(gòu)為一個(gè)大的螺旋彈簧；并對(duì)氣動(dòng)負(fù)載匹配系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，動(dòng)導(dǎo)軌采用內(nèi)、外導(dǎo)套過(guò)盈配合的形式，內(nèi)導(dǎo)套的每個(gè)面設(shè)置節(jié)流器，且與靜導(dǎo)軌之間存在安裝間隙（即氣體的容留空間），支撐臺(tái)的中部設(shè)置一個(gè)壓電力傳感器，防沖擊結(jié)構(gòu)為緩沖圈。

本文基于傳統(tǒng)的超聲波振動(dòng)理論，結(jié)合氣體潤(rùn)滑技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提出了一種新型旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工裝置。該裝置采用氣體潤(rùn)滑動(dòng)力技術(shù)，具備旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工硬脆材料的能力。以石榴石微波鐵氧體作為試件材料，進(jìn)行鉆削制孔實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工有助于降低切削力，并在保證刀具和材料安全的條件下，探索了該裝置對(duì)加工效率的影響。

1　旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工裝置的設(shè)計(jì)

超聲加工是將超聲振動(dòng)同傳統(tǒng)加工相復(fù)合的一種機(jī)械加工方式，其基本原理見圖2。超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲頻電能信號(hào)，將電信號(hào)傳輸至換能器后，換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)即超聲波。經(jīng)過(guò)變幅桿將超聲頻振動(dòng)傳遞給刀具并放大振幅，工具隨機(jī)床主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并沿軸向做超聲頻振動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)相復(fù)合，刀具磨粒高速?zèng)_擊工件表面，使工件表面受到很大的壓強(qiáng)而產(chǎn)生裂紋，最終將材料去除。

圖2　超聲波加工原理

基于超聲加工機(jī)理，結(jié)合自行研制組裝的旋轉(zhuǎn)超聲波加工裝置并加入了氣體潤(rùn)滑負(fù)載匹配系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工裝置主要由超聲振動(dòng)系統(tǒng)、負(fù)載匹配系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)及電氣控制柜等組成。其中，負(fù)載匹配系統(tǒng)、超聲振動(dòng)系統(tǒng)均由安裝在電氣控制柜上的軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

超聲振動(dòng)系統(tǒng)由超聲波加工頭、超聲波發(fā)生器、超聲軟件控制系統(tǒng)組成。圖3a是超聲波加工頭，基于機(jī)床附件化設(shè)計(jì)而出，極大地方便了拆卸操作，在半功率條件下能實(shí)現(xiàn)15 μm的最大振幅。負(fù)載匹配系統(tǒng)由氣浮工作臺(tái)、氣動(dòng)元器件、氣泵及負(fù)載控制軟件組成，能方便地置于普通立式機(jī)床工作臺(tái)上工作，具備切削力監(jiān)測(cè)功能。圖3b是氣浮工作臺(tái)，它是負(fù)載匹配系統(tǒng)的終端執(zhí)行元件，其垂直浮動(dòng)范圍為0～20 mm，力的控制范圍為0.1～600 N。圖3c是電氣控制柜，軟件控制系統(tǒng)安裝于工控機(jī)中，工控機(jī)同多個(gè)電氣元件、超聲波發(fā)生器元件、部分氣動(dòng)元件集成于該電氣控制柜內(nèi)部，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞、采集和控制，以及對(duì)氣浮工作臺(tái)和超聲振動(dòng)系統(tǒng)的控制，且能隨時(shí)監(jiān)測(cè)超聲波和負(fù)載力狀態(tài)。圖4是旋轉(zhuǎn)超聲加工裝配示意圖。

圖3　旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工裝置

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1切削力驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

切削力是反映切削過(guò)程基本特征的重要參數(shù)，與材料的去除率、可加工性、成形質(zhì)量等有著密切的關(guān)系。為了驗(yàn)證超聲輔助加工可有效降低加工中的切削力，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)超聲輔助鉆削石榴石鐵氧體材料的切削力實(shí)驗(yàn)，并在普通四軸數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí)，需將機(jī)床主軸上的刀具更換為自行設(shè)計(jì)的超聲波加工頭，利用軟件控制系統(tǒng)和電氣控制柜內(nèi)部元器件激發(fā)超聲波加工頭進(jìn)行超聲頻振動(dòng)。采用測(cè)力儀全程監(jiān)測(cè)切削過(guò)程中的切削力變化。

實(shí)驗(yàn)分別在使用和不使用超聲頻振動(dòng)的情況下加工直徑0.65 mm的孔，氣浮工作臺(tái)在此階段不工作。工件材料為石榴石微波鐵氧體，工件尺寸為35 mm×25 mm×4 mm。加工過(guò)程中，以去離子水作為冷卻液，其他加工參數(shù)設(shè)置如下：進(jìn)給速度分別為1.0、1.5、2.0 mm/min，刀具轉(zhuǎn)速分別為2300、2800、3300 r/min，超聲電壓分別為300、500、700 V。設(shè)計(jì)表1所示的實(shí)驗(yàn)方案，每組參數(shù)更換一把刀具。

圖4　旋轉(zhuǎn)超聲加工示意圖

表1　實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.2加工效率影響實(shí)驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工裝置對(duì)加工效率的影響需對(duì)比“不用超聲不用氣浮”、“用超聲不用氣浮”、“不用超聲用氣浮”、“用超聲用氣浮”4種情況。根據(jù)前期經(jīng)驗(yàn)積累，隨機(jī)選取3組加工參數(shù)，見表2。加工過(guò)程中，負(fù)載力隨機(jī)選取為16 N（石榴石鐵氧體波動(dòng)切削力范圍為10～35 N），冷卻液采用去離子水，刀具為0.6±0.01 mm電鍍金剛石刀具。每組實(shí)驗(yàn)用2把刀具，分別在“用氣浮工作臺(tái)”和“不用氣浮工作臺(tái)”2種情況下進(jìn)行加工。加工效率的計(jì)算方法為：自氣浮工作臺(tái)與刀具接觸開始計(jì)時(shí)，至軟件控制系統(tǒng)處顯示刀具與工件的負(fù)載力為0 N左右結(jié)束。

表2　3組隨機(jī)加工參數(shù)

3　結(jié)果與分析

3.1切削力驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

任意選取相同條件下的一組加工參數(shù)（進(jìn)給速度為1.5 mm/min、刀具轉(zhuǎn)速為2300 r/min、超聲電壓為500V），監(jiān)測(cè)使用超聲和不使用超聲時(shí)的切削力信號(hào)。由圖5、圖6分析可知，加工石榴石微波鐵氧體的切削力信號(hào)具有一定的波動(dòng)性，這是由機(jī)械加工和測(cè)力儀監(jiān)測(cè)性能決定的。對(duì)比圖5和圖6可知，F(xiàn)x和Fy均在一定值附近波動(dòng)，這是因?yàn)閄、Y方向的受力由裝配預(yù)緊力決定，不受加工的影響，所以二者的Fx和Fy平均值差別不大；而Fz方向的數(shù)值差別很大，且切削力在有效的范圍內(nèi)波動(dòng)，因此，研究石榴石鐵氧體切削力信號(hào)時(shí)，主要考慮法向切削力Fz的影響。

分別采集表1所示9組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下使用和不使用超聲振動(dòng)的動(dòng)態(tài)切削力，并以整個(gè)過(guò)程中的切削力最大值作為不同技術(shù)手段加工石榴石鐵氧體的切削力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提取和整理結(jié)果見圖7?？煽闯觯诓煌募庸?shù)下，使用超聲振動(dòng)的切削力明顯小于不使用超聲振動(dòng)的切削力，即利用超聲波裝置可有效減小加工過(guò)程中的切削力。這是因?yàn)槌曊駝?dòng)加工是一種脈沖式的往復(fù)變速斷續(xù)切削過(guò)程，磨粒不再保持同工件的持續(xù)接觸，降低了切削溫度；刀具的振動(dòng)提高了切屑排出的效率，有效抑制了積屑瘤的產(chǎn)生，使加工過(guò)程更順暢。

同時(shí)，石榴石鐵氧體由于制造工藝的限制，其內(nèi)部往往會(huì)有材料分布不均的情況，從而造成加工過(guò)程中切削力偶然急劇上升。從圖7可看出，超聲振動(dòng)的加工穩(wěn)定性比不使用超聲振動(dòng)時(shí)更好，不會(huì)產(chǎn)生很高的切削力。這是由于超聲振動(dòng)在加工過(guò)程中，通過(guò)交變瞬時(shí)沖擊材料達(dá)到去除材料的目的，凈切削力時(shí)間較小，平均下來(lái)的切削力則會(huì)降低。同時(shí)，高頻振動(dòng)增加了刀具與已加工面的接觸次數(shù)，進(jìn)一步促進(jìn)了切削力平均值趨于平緩。

圖5　不使用超聲振動(dòng)的動(dòng)態(tài)切削力

圖6　使用超聲振動(dòng)的動(dòng)態(tài)切削力

3.2加工效率影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在表2所示3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下，對(duì)“不用超聲不用氣浮”、“用超聲不用氣浮”、“不用超聲用氣浮”、“用超聲用氣浮”4種情況分別進(jìn)行加工，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8?？煽闯?，使用負(fù)載匹配系統(tǒng)后，制孔效率明顯提高，且3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果均十分顯著。在“無(wú)超聲無(wú)氣浮”狀態(tài)下，通常機(jī)床會(huì)執(zhí)行循環(huán)進(jìn)給模式，這樣就大大增加了加工時(shí)間。當(dāng)施加氣浮工作臺(tái)后，由于已知工件最大破壞應(yīng)力，所以氣浮工作臺(tái)對(duì)工件施加16 N的切削力能保證刀具和工件的安全；同時(shí)，氣浮工作臺(tái)會(huì)隨著刀具的頂部上下浮動(dòng)，增加工件與刀具的接觸時(shí)間，有助于提高加工效率。此外，沒有用負(fù)載匹配系統(tǒng)加工鐵氧體材料時(shí)，超聲振動(dòng)加工也會(huì)在一定程度上提高加工效率，同樣驗(yàn)證了超聲振動(dòng)可提高加工效率的結(jié)論。而施加負(fù)載匹配系統(tǒng)后，由于負(fù)載匹配系統(tǒng)對(duì)加工效率占主導(dǎo)作用，超聲振動(dòng)對(duì)加工效率的影響則不再明顯，甚至偶而會(huì)出現(xiàn)與沒有負(fù)載匹配系統(tǒng)相反的情況。

圖7　超聲振動(dòng)對(duì)切削力的影響

圖8　加工效率影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于條件限制，后續(xù)工作中會(huì)逐步探索不同程度負(fù)載力對(duì)加工質(zhì)量的影響，并努力優(yōu)化負(fù)載匹配系統(tǒng)，進(jìn)一步提高位移和力的控制精度。

4　結(jié)論

（1）自行設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工裝置能獨(dú)立完成硬脆材料石榴石微波鐵氧體制孔實(shí)驗(yàn)。

（2）旋轉(zhuǎn)超聲輔助磨削石榴石鐵氧體材料，可有效地大幅降低加工過(guò)程中的切削力。

（3）將旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)同負(fù)載匹配加工技術(shù)結(jié)合，在保證刀具安全和材料加工質(zhì)量的前提下，可大幅提高石榴石鐵氧體的材料去除效率。

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Investigation on Rotary Ultrasonic Assisted Machining Equipment and Its Process

Pei Tianhe，Lin Bin，Zhang Xiaofeng，Yang Meining
（Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology，Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：Based on traditional ultrasonic vibration theory，a new rotary ultrasonic assisted machining equipment has been designed. It consists of ultrasonic vibration and loading-force matching system，and has the ability to machine hard-brittle material. Drilling microholes on microwave ferrite by ultrasonic assisted machining and loading-force matching system were firstly attempted，and it has been proved that ultrasonic vibration can reduce the cutting force during machining. Moreover，the influence of rotary ultrasonic assisted machining equipment on the processing efficiency has been explored，under the premise of ensuring the safety of cutting tools and materials.

Key words：ultrasonic drilling；hard-brittle material；microwave ferrite；cutting force

第一作者簡(jiǎn)介：裴天河，男，1990年生，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2013AA040103）

收稿日期：2015-10-30

中圖分類號(hào)：TG663

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－279X（2016）01－0062-05