祝錫晶,張小強(qiáng)

超聲振動(dòng)外圓珩磨油石條運(yùn)動(dòng)及磨粒切削作用分析*

祝錫晶,張小強(qiáng)

(中北大學(xué),機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,山西太原 030051)

磨削加工的本質(zhì)是利用砂輪上的磨粒對(duì)工件進(jìn)行的切削,超聲振動(dòng)外圓珩磨技術(shù)是利用油石條對(duì)圓柱體外表面進(jìn)行珩磨作用,油石條同時(shí)受到旋轉(zhuǎn)和往復(fù)的作用,使得固結(jié)在油石條上的磨粒發(fā)生特殊的運(yùn)動(dòng)形式,而由超聲波所引起的振動(dòng)作用加劇了磨粒對(duì)工件表面的作用,提高了效率和精度,為揭示該加工機(jī)理,文章研究了超聲振動(dòng)外圓珩磨加工過(guò)程中,油石條在圓柱體表面的運(yùn)動(dòng)路徑,進(jìn)一步討論了固結(jié)在油石條上的磨粒在該運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的切削作用。

超聲振動(dòng)外圓珩磨,金剛石油石,單顆磨粒

前 言

磨削加工是使用砂輪或油石條上的磨粒對(duì)工件進(jìn)行切削的過(guò)程,通常在機(jī)械加工中被安排在工藝的最后一道工序,以保證工件的表面質(zhì)量和精度[1]。磨削加工的本質(zhì)是利用砂輪表面隨機(jī)分布的磨粒對(duì)工件進(jìn)行切削的過(guò)程,由于磨粒在砂輪表面排列具有參差不齊、分布不規(guī)則、形狀各異的特點(diǎn),其磨削過(guò)程中所產(chǎn)生的切削作用力和磨粒的著力點(diǎn)有所不同,因此有必要針對(duì)不同的磨削過(guò)程建立磨粒切屑模型,分析其作用機(jī)理。

目前學(xué)者對(duì)單顆磨粒切削作用及仿真方向的研究,主要采用有限元分析[2]和分子動(dòng)力學(xué)法[3]對(duì)其過(guò)程進(jìn)行仿真研究。在各種新型材料不斷推出的同時(shí),針對(duì)其不同的加工技術(shù)也得到了更新。在研究過(guò)程中,首先對(duì)磨粒的形貌進(jìn)行了觀察[4],然后基于磨粒形狀不同,建立了單顆磨粒切削加工模型[5],分析了金剛石油石上固結(jié)的單顆磨粒的切削深度[6],為研究單顆磨粒切削的動(dòng)態(tài)過(guò)程,分別用SPH法[7]和FEM與SPH耦合法[8]進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。隨著復(fù)合加工的出現(xiàn),對(duì)單顆磨粒的研究也更加微觀,如分析微型超聲波機(jī)加工過(guò)程中單顆磨粒的去除模式[9],建立旋轉(zhuǎn)超聲鉆削下的磨粒切削力模型[10]。學(xué)者們對(duì)磨粒磨削作用的研究主要集中于常規(guī)磨削過(guò)程中磨粒的切削作用及對(duì)磨削過(guò)程的仿真研究。

超聲振動(dòng)珩磨是一種新型的復(fù)合加工技術(shù),傳統(tǒng)的超聲珩磨技術(shù)是針對(duì)圓柱體內(nèi)圓表面加工,本文主要研究對(duì)圓柱體外圓表面珩磨加工過(guò)程中,油石條上的磨粒受到超聲波而產(chǎn)生的徑向振動(dòng)作用下的變化。由于磨粒分布的隨機(jī)性和形狀的不規(guī)則性,在其珩磨過(guò)程中,磨粒切削作用比較獨(dú)特。本文選用六面體金剛石磨粒為研究對(duì)象,首先對(duì)珩磨過(guò)程中油石條的路徑進(jìn)行了理論分析和仿真模擬,然后根據(jù)油石運(yùn)動(dòng)對(duì)油石條上固結(jié)的磨粒的切削進(jìn)行了進(jìn)一步分析。

1 超聲振動(dòng)外圓珩磨技術(shù)

圖1 超聲振動(dòng)外圓珩磨原理Fig.1 The principle diagram of ultrasonic vibration cylindrical honing system

超聲振動(dòng)珩磨技術(shù),具有其獨(dú)特的加工特點(diǎn),如珩磨溫度低,珩磨力小,加工精度高等[11],因此得到了很好的研究和廣泛的應(yīng)用。超聲振動(dòng)外圓珩磨技術(shù)是建立在傳統(tǒng)超聲振動(dòng)珩磨的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,其基本原理如圖1所示。

從圖1可以看出,在外圓珩磨加工過(guò)程中,油石條包圍工件外表面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng),固結(jié)在油石上的磨粒也發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),由于磨粒的形狀不規(guī)則,因此在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,其發(fā)生切削作用的切削面并不能確定。

2 超聲振動(dòng)外圓珩磨中油石條運(yùn)動(dòng)路徑

根據(jù)圖1超聲振動(dòng)外圓珩磨加工原理可以看出,油石置于結(jié)構(gòu)內(nèi)部,其運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程其特性均難以觀察,因此為了便于分析和觀察油石的運(yùn)動(dòng),將工件展開成矩形,如圖2所示,對(duì)油石運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。珩磨加工中,珩磨頭同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng),因此其運(yùn)動(dòng)路徑為與徑向成一定角度的方向。

圖2 工件表面油石條運(yùn)動(dòng)路徑Fig.2 The moving path of oilstone on the workpiece surface

從圖2中可以看出,油石在工件表面呈現(xiàn)出一種三角波形的速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律,珩磨加工開始時(shí),油石條位于A1位置,半個(gè)周期后,油石條運(yùn)動(dòng)到位置B,根據(jù)圖中顯示,在半個(gè)周期時(shí),油石條所經(jīng)過(guò)的路徑已經(jīng)超過(guò)圓柱體表面的一半,因此當(dāng)油石條經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后,其運(yùn)動(dòng)路徑之間出現(xiàn)疊加部分,在經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)后,工件表面會(huì)形成交叉網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)。交叉網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)是珩磨加工的特有表面形貌,普通珩磨加工后,在表面會(huì)形成三角形溝槽狀的網(wǎng)紋結(jié)構(gòu),如圖3所示,而超聲振動(dòng)珩磨加工后,會(huì)形成平頂珩磨網(wǎng)紋結(jié)構(gòu),如圖4所示。

根據(jù)工件的應(yīng)用條件和使用場(chǎng)合,從潤(rùn)滑性能考慮,三角形溝槽狀網(wǎng)紋和平頂網(wǎng)紋都有利于工件與工件之間配合使用,溝槽內(nèi)可以存儲(chǔ)大量潤(rùn)滑液,這在提高工件之間相互潤(rùn)滑性能的同時(shí),也延長(zhǎng)了工件的使用壽命。

圖3 三角形溝槽狀網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of triangle groove

圖4 平頂網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)Fig.4 The flattop structure

3 油石條固結(jié)磨粒的切削作用分析

在珩磨油石條上,磨粒呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則的排列,在常規(guī)油石條上,使用的是120/140粒度的cBN磨粒,圖5為單顆磨粒的電鏡掃描圖。從圖中可以看出,各磨粒形狀不同,但磨粒均有一定的尖銳性,且尖銳形狀不同。在研究中,為了分析磨粒運(yùn)動(dòng)中的切削作用,通常將單顆磨粒簡(jiǎn)化成一種多棱錐體結(jié)構(gòu),如圖6所示。磨粒結(jié)構(gòu)確定,但在油石條上的分布及固結(jié)方向和角度不同,因此油石條上的磨粒在加工過(guò)程中,完成切削作用的磨粒切向和尖角不同。

圖7顯示的是單個(gè)油石條在超聲振動(dòng)外圓珩磨過(guò)程中的作用,油石條受到珩磨壓力的作用,沿著工件進(jìn)行加工作用,從圖中可以看出在油石條上固結(jié)的磨粒呈現(xiàn)不同角度。由于外圓加工過(guò)程中,油石條在工件表面有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而單顆磨粒在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,磨粒上發(fā)生切削作用的尖角是不同的,因此在完成一個(gè)周期的珩磨過(guò)程中,磨粒進(jìn)行切削作用的角度也不同。

圖5 單顆磨粒電鏡掃描圖Fig.5 The SEM of single abrasive particle

圖6 多棱錐體磨粒幾何形狀Fig.6 The geometry of pramid abrasive particle

圖7超聲振動(dòng)外圓珩磨油石條作用及油石條表面磨粒顆粒

Fig.7 The function of oilstone and its abrasive grains during ultrasonic vibration cylindrical honing

4 結(jié) 論

超聲振動(dòng)珩磨技術(shù)的研究為小型圓柱體內(nèi)表面質(zhì)量的提高提供了重要的基礎(chǔ),基于此提出了外圓珩磨技術(shù),在促進(jìn)工件間相互配合的同時(shí),也延長(zhǎng)了工件的使用壽命。本文從珩磨油石條的角度,分析了超聲振動(dòng)外圓珩磨過(guò)程中,油石條在工件表面的運(yùn)動(dòng)路徑,并從微觀上對(duì)固結(jié)在油石條上的磨粒的形狀和加工時(shí)的切削作用進(jìn)行了分析,這都對(duì)進(jìn)一步完善超聲振動(dòng)外圓珩磨加工機(jī)理做了一定的工作。

[1] 李伯民,趙波.現(xiàn)代磨削技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[2] 言蘭,姜峰,融亦鳴.基于數(shù)值仿真技術(shù)的單顆磨粒切削機(jī)理[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(11):172-182.

[3] Zhang P,Zhao H,Shi C,et al.Influence of double-tip scratch and single-tip scratch on nano-scratching process via molecular dynamics simulation[J].Applied Surface Science,2013,280: 751-756.

[4] 袁成清,嚴(yán)新平,彭中笑.磨粒三維表面形貌獲取技術(shù)的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(7):88-90.

[5] D.Anderson,A.Warkentin,R.Bauer.Comparison of spherical and truncated cone geometries for single abrasive-grain cutting [J].Journal of Materials Processing Technology,2012,212(9): 1946-1953.

[6] Chunhui Chung,Van-Nhat Le.Depth of cut per abrasive in fixed diamond wire sawing[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology.2015,80(5-8):1-10.

[7] 宿崇,許立,劉元偉,等.基于SPH法的cBN磨粒切削過(guò)程數(shù)值模擬[J].中國(guó)機(jī)械工程,2013,24(5):667-671.

[8] 段念,王文珊,于怡青,等.基于FEM和SPH耦合算法的單顆磨粒切削玻璃的動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真[J].中國(guó)機(jī)械工程,2013,24 (20):2716-2721.

[9] H.Zarepour,S.H.Yeo.Single abrasive particle impingements as a benchmark to determine material removal modes in micro ultrasonic machining[J].Wear.2012,288(3):1-8.

[10] 張承龍,馮平法,吳志軍,等.旋轉(zhuǎn)超聲鉆削的切削力數(shù)學(xué)模型及試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(15):149-155.

[11] 王愛玲,祝錫晶,吳秀玲,等.功率超聲振動(dòng)加工技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2007.

第11屆中國(guó)金剛石相關(guān)材料及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議在廣西北海市勝利召開

2017年8月28日至31日,由中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)超硬材料及制品專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院、國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心、華僑大學(xué)脆性材料加工技術(shù)教育部工程研究中心、吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合主辦的第11屆中國(guó)金剛石相關(guān)材料及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議在廣西北海順利舉行。本次會(huì)議得到了國(guó)內(nèi)外超硬行業(yè)人士的熱烈響應(yīng)和支持,來(lái)自全國(guó)各地的代表共200余人參加了此次盛會(huì)。為了辦好這次會(huì)議,在短短的幾個(gè)月內(nèi),大會(huì)組委會(huì)從超硬材料及制品的不同領(lǐng)域征集到80余篇稿件,有近50個(gè)單位的近百人執(zhí)筆、數(shù)百人參與了論文撰寫。在大會(huì)上安排了14篇特邀報(bào)告及27篇普通報(bào)告,來(lái)自國(guó)內(nèi)各知名高校的教授專家、生產(chǎn)一線的技術(shù)工程師親自做學(xué)術(shù)報(bào)告,展示國(guó)內(nèi)科研領(lǐng)域的最新科研成果。本次盛會(huì)為參會(huì)人員安排了一場(chǎng)高質(zhì)量的學(xué)術(shù)盛宴,提供了理想的互動(dòng)學(xué)習(xí)和交流平臺(tái)。

會(huì)議得到了地方各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的充分肯定和重視,廣西科協(xié)、北海市領(lǐng)導(dǎo)蒞臨會(huì)場(chǎng)并致辭,在關(guān)切之中也帶來(lái)了對(duì)超硬行業(yè)發(fā)展的美好祝福。

會(huì)議期間,組委會(huì)專門為行業(yè)多名80高齡的老專家安排集體生日晚宴,還安排了老專家座談會(huì),這些活動(dòng)得到了行業(yè)前輩們的充分認(rèn)同,集體表達(dá)了對(duì)大會(huì)組委會(huì)的謝意,對(duì)會(huì)務(wù)組的細(xì)心工作和熱情服務(wù)"點(diǎn)贊",也祝愿未來(lái)的會(huì)議能辦出質(zhì)量、辦出特色,更相信在材料研究學(xué)會(huì)超硬材料及制品專業(yè)委員會(huì)的努力下會(huì)議將越來(lái)越好!

本次會(huì)議流程緊湊有序,氣氛熱烈,在會(huì)務(wù)組及參會(huì)人員的共同努力下取得了圓滿成功,為以后行業(yè)同仁交流及開展合作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 (工程中心供稿)

The Study of The Oilstone Moving and Abrasive Cutting During Ultrasonic Vibration Cylindrical Honing

ZHU Xi-jing,ZHANG Xiao-qiang
(School of Mechanical Engineering&Automation,North University of China,Taiyuan,Shanxi 030051,China)

The nature of grinding process is cutting workpiece by abrasive grains on the grinding wheel.The ultrasonic vibration cylindrical honing technique uses oilstone to hone the outside surface of cylinder.Meanwhile,the rotation and reciprocation of the oilstone causes a special form of movement of the abrasives on it,while the vibration caused by ultrasonic wave promotes the honing of abrasive grains to the surface of workpieces,as a result,the efficiency and precision has been improved.In order to reveal its machining mechanism,the moving path of oilstone on cylinder surface during the ultrasonic vibration cylindrical honing process has been studied in this article to give a further discussion of the cutting action of abrasives on the oilstone during the movement process.

ultrasonic vibration cylindrical honing;diamond oilstone;single abrasive particle

TB559;O311.1;TQ164

A

1673-1433(2017)04-0040-04

2016-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(51275490)

祝錫晶(1969-),男,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向:精密與特種加工。E-mail:zxj161501@nuc.edu.cn。

祝錫晶,張小強(qiáng).超聲振動(dòng)外圓珩磨油石條運(yùn)動(dòng)及磨粒切削作用分析[J].超硬材料工程,2017,29(4):40-43.