姚 強(qiáng)，Md Ahmed Sanuar Hossain，李秀紅，白小云

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原030024；2.精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030024）

1 引言

振動(dòng)式滾磨光整加工已廣泛應(yīng)用于中、小零件的去毛刺、倒圓和光整加工。加工時(shí)將一定配比的工件、磨塊和液體介質(zhì)，裝入一定形狀的容器中，當(dāng)容器在特定的振幅和頻率下振動(dòng)時(shí)，工件和磨塊便按一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，磨塊對(duì)工件產(chǎn)生碰撞、滾壓和微量磨削，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的光整加工[1-2]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)振動(dòng)滾磨光整加工都進(jìn)行了一定的研究。國外，文獻(xiàn)[3]在立式振動(dòng)光飾機(jī)中對(duì)鋁合金6063-T6潤濕條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試加工后工件表面粗糙度，結(jié)果表明：工件表面的粗糙度增加的順序是：干燥＞潤濕＞磨劑潤濕。文獻(xiàn)[4]在不同振幅，頻率條件下對(duì)鋁合金6061進(jìn)行了振動(dòng)光整加工試驗(yàn)研究，得出：工件在高頻率、高振幅組合下，表面粗糙度下降速率更快，能達(dá)到的極限表面粗糙度更低。文獻(xiàn)[5]發(fā)現(xiàn)試件在臥式振動(dòng)光飾機(jī)中固定的位置和方向?qū)ζ趬勖⒋植诙群蜌堄鄳?yīng)力有顯著影響。文獻(xiàn)[6]提出一種基于振動(dòng)光整加工中粗糙度輪廓幾何瞬時(shí)變化的模型，該模型可用于預(yù)測(cè)工件獲得所需粗糙度所需的加工時(shí)間。文獻(xiàn)[7]研究了磨塊的形狀，尺寸對(duì)熔融沉積成型的工件表面粗糙度的影響。

國內(nèi)，某大學(xué)表面光整加工技術(shù)研究所多年來一直從事振動(dòng)式滾磨光整加工技術(shù)的研究，在理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等方面進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[8]對(duì)振動(dòng)式滾磨光整加工技術(shù)研究現(xiàn)狀及再發(fā)展進(jìn)行了深入的分析。文獻(xiàn)[9]對(duì)立式振動(dòng)光整加工中磨塊運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了理論分析，得出磨塊的螺旋運(yùn)動(dòng)是由徑向運(yùn)動(dòng)與周向運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成。文獻(xiàn)[10]分析了瀑布式振動(dòng)光飾機(jī)中振動(dòng)裝置受力情況，推出激振力及振幅計(jì)算公式，研究了相關(guān)參數(shù)對(duì)振幅的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[11]在立式振動(dòng)光飾機(jī)中，研究了偏心塊夾角，工件埋入深度，工件裝夾角對(duì)作用力的影響。文獻(xiàn)[12]在立式振動(dòng)滾磨光飾機(jī)中對(duì)鈦合金，鋁合金，不銹鋼進(jìn)行貼壁實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)位置不同，試件加工后得到的表面粗糙度不同，容器底部效率最高，三種工件中鋁合金試件加工效率最快。文獻(xiàn)[13]采用EDEM對(duì)臥式振動(dòng)光整加工中的磨塊運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)槽底部的磨塊運(yùn)動(dòng)的最快，表層磨塊運(yùn)動(dòng)的最慢。另外還對(duì)鋼件試件不同埋入深度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，工件的金屬去除率隨埋入深度的增加先增加后減少。這些實(shí)驗(yàn)對(duì)于振動(dòng)滾磨光整加工中零件固定方式均未進(jìn)行深入的研究。

零件的固定方式對(duì)其加工效果有一定影響，針對(duì)臥式振動(dòng)滾磨光整加工，對(duì)工件的不同固定方式及固定位置進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，探索其中的加工規(guī)律，找出工件的最優(yōu)加工位置。

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用研究所購買的ZLC100臥式振動(dòng)滾磨光飾機(jī)，簡(jiǎn)圖，如圖1所示。

圖1 臥式振動(dòng)滾磨光飾機(jī)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of Horizontal Vibratory Finishing

其加工原理是：激振器3水平安裝，軸上裝有兩個(gè)可調(diào)整布置夾角和偏心量的偏心塊2、4，當(dāng)激振器水平軸高速回轉(zhuǎn)時(shí)，偏心塊產(chǎn)生離心激振力，使容器7產(chǎn)生周期運(yùn)動(dòng)，在離心激振力的作用下，容器中的磨塊和被加工工件沿容器壁定向翻滾[1]。該設(shè)備有兩個(gè)方向上的振動(dòng)，水平方向上振幅為3mm，豎直方向上振幅為2mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)夾具

將直徑20mm的軸插入內(nèi)徑20mm的圓盤中心孔，通過軸肩及圓螺母實(shí)現(xiàn)圓盤在軸上的軸向固定，通過軸及圓盤上的鍵槽插入鍵實(shí)現(xiàn)圓盤在軸上的周向固定，用兩個(gè)螺母把軸固定在內(nèi)徑20mm的‘L’型架槽口中，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將M12的螺栓擰入均勻分布的直徑12mm的螺紋孔中，將工件插在螺栓上，并用螺母固定以保證工件在加工時(shí)，工件在螺栓上的位置不會(huì)改變，如圖3所示。將圓盤埋入磨料中，通過改變螺栓在螺紋孔中的固定位置來研究工件在磨料中不同深度以及不同水平位置的加工效果。

圖3 圓盤簡(jiǎn)圖Fig.3 Sketch of a Disc

2.3 實(shí)驗(yàn)工件

實(shí)驗(yàn)工件，如圖4所示。料為鋁合金管6063，長(zhǎng)度為30mm，外徑16mm，內(nèi)徑12mm，按順時(shí)針方向?qū)⒐ぜ鈭A表面分為a、b、c、d四個(gè)區(qū)域，測(cè)試磨料對(duì)工件四個(gè)區(qū)域的加工效果。

圖4 工件Fig.4 Workpiece

2.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.4.1 外固定加工效果測(cè)試

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示。夾具固定在外部工作臺(tái)上。圓盤埋入磨料深度為10mm，以圓盤所在平面建立坐標(biāo)軸，用（X，Z）表示工件的加工位置，X表示工件到左桶壁的距離，Z表示設(shè)備靜止時(shí)工件到磨料表面的豎直距離，工件加工位置示意圖，如圖6所示。

圖5 外固定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 External Fixed Experimental Platform

圖6 工件加工位置示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Workpiece Processing Location

磨料選用直徑為3mm的棕剛玉球形顆粒，磨料填充量為容器體積的70%，加入適量的水和磨劑。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的儀器為：Per‐thometer M2表面粗糙度測(cè)試儀[14]，測(cè)試6個(gè)深度、6個(gè)水平位置，加工后工件表面各區(qū)域的粗糙度，每個(gè)區(qū)域測(cè)試五個(gè)不同地方的表面粗糙度值，取平均值。不同深度及水平加工位置坐標(biāo)，如表1、表2所示。

表1 不同深度加工位置的坐標(biāo)Tab.1 Coordinates of Processing Positions at Different Depths

表2 不同水平加工位置的坐標(biāo)Tab.2 Coordinates of Different Horizontal Processing Positions

2.4.2 內(nèi)固定加工效果測(cè)試

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖7所示。夾具固定在容器上，通過改變軸在槽口內(nèi)的固定位置，使內(nèi)固定各加工位置與外固定加工位置保持一致。內(nèi)固定方式下，工件會(huì)隨著容器一起振動(dòng)。

圖7 內(nèi)固定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Internal Fixed Experimental Platform

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)選用初始粗糙度值相差不大的鋁合金管（初始Ra值約為1.0μm），加工時(shí)間60min，每10min測(cè)試一次表面粗糙度值，繪制表面粗糙度下降曲線。H1位置下工件b區(qū)域粗糙度變化曲線，如圖8所示。

圖8 內(nèi)固定H1位置下b區(qū)域粗糙度變化曲線Fig.8 Roughness Change Curve of Area B at H1 Position in Internal Fixation

振動(dòng)光飾機(jī)對(duì)工件加工分三個(gè)階段：

（1）急劇滾磨階段，（0～20）min工件表面粗糙度急劇下降；

（2）均勻滾磨階段，（20～40）min工件表面粗糙度下降速率明顯降低；

（3）光飾滾磨階段，（40～60）min工件達(dá)到極限表面粗糙度，表面粗糙度基本趨于不變。

3.1 外固定方式下加工效果

3.1.1 不同深度位置下工件的加工效果

如圖9（a）所示，在a區(qū)域工件加工后表面粗糙度隨深度的增加先下降再上升后降低，6個(gè)深度中，2號(hào)深度加工效果最好，4號(hào)、5號(hào)深度加工效果最差。如圖9（b）所示，在b區(qū)域工件加工后表面粗糙度隨深度的增加先下降再上升后降低，6個(gè)深度中，6號(hào)深度加工效果最好，3號(hào)深度加工效果最差。如圖9（c）所示，在c區(qū)域工件加工后表面粗糙度隨深度的增加先下降再上升后降低，6個(gè)深度中，6號(hào)深度加工效果最好，1號(hào)深度加工效果最差。如圖9（d）所示，在d區(qū)域工件表面粗糙度先降低再上升后降低，6個(gè)深度1號(hào)、2號(hào)、6號(hào)加工效果好，4號(hào)加工效果最差。各區(qū)域表面粗糙度隨深度的增加都是先下降再上升后降低，所以隨著深度的增加，工件的加工效果先提高再降低后上升。四個(gè)區(qū)域中4號(hào)深度有三個(gè)區(qū)域加工最差，6號(hào)深度三個(gè)區(qū)域加工效果好，可以發(fā)現(xiàn)：在深度方向，磨料中間區(qū)域加工效果最差，底層加工效果最好。

圖9 不同深度位置各區(qū)域工件表面粗糙度變化曲線Fig.9 Surface Roughness Variation Curves of Area at Different Depth Positions

3.1.2 不同水平位置下工件的加工效果

在a區(qū)域隨著工件與左桶壁水平位置距離的增加，工件表面粗糙度先上升后降低，如圖10（a）所示。6個(gè)不同水平位置，1號(hào)加工效果最好，5號(hào)加工效果最差。在b區(qū)域隨著工件與左桶壁水平位置距離的增加，工件表面粗糙度先下降再上升后下降，6個(gè)不同水平位置，6號(hào)加工效果最好，3號(hào)加工效果最差，如圖10（b）所示。在c區(qū)域隨著工件與左桶壁水平位置距離的增加，工件表面粗糙度先下降再上升后下降，6個(gè)不同水平位置，6號(hào)加工效果最好，3號(hào)加工效果最差，如圖10（c）所示。在d區(qū)域隨著工件與左桶壁水平位置距離的增加，工件表面粗糙度先上升后降低，所以，隨著水平位置距離的增加，工件的加工效果先下降后提高，如圖10（d）所示。6個(gè)不同水平位置，1號(hào)加工效果最好，4號(hào)加工效果最差。隨著工件與左桶壁水平位置距離的增加，a區(qū)域，d區(qū)域表面粗糙度先上升后降低，b區(qū)域，c區(qū)域表面粗糙度先下降再上升后下降，在左桶壁附近b，c區(qū)域加工效果差，在右桶壁附近a區(qū)域加工效果較差。四個(gè)區(qū)域中，3號(hào)，4號(hào)區(qū)域加工效果較其他區(qū)域差，1號(hào)，6號(hào)區(qū)域加工效果較其他區(qū)域好，所以，在不同水平位置，磨料在中間區(qū)域加工效果最差，桶壁附近加工效果好。右桶壁附近較左桶壁附近加工效果更好（a1=0.541μm，a6=0.800μm；b1=0.853μm，b6=0.500μm；c1=0.868μm，c6=0.651μm；d1=0.651μm，d6=0.731μm）。工件在外固定方式下，結(jié)合深度、水平位置加工效果的對(duì)比，加工效果最優(yōu)的位置應(yīng)該在底層靠近右桶壁，磨料中間位置加工效果最差。

圖10 不同水平位置各區(qū)域工件表面粗糙度變化曲線Fig.10 Surface Roughness Variation Curves of Area at Different Horizontal Positions

3.2 內(nèi)固定方式下加工效果

3.2.1 不同深度位置下工件的加工效果

在a區(qū)域隨著深度增加，工件表面粗糙度先降低再上升后下降，6個(gè)深度1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、6號(hào)深度加工效果趨于一致，4號(hào)深度加工效果最差，如圖11（a）所示。在b區(qū)域隨著深度增加，工件表面粗糙度先降低再上升后下降，6個(gè)深度2號(hào)深度加工效果最好，4號(hào)深度加工效果最差，如圖11（b）所示。在c區(qū)域隨著深度增加，工件表面粗糙度先上升后下降，6個(gè)深度6號(hào)加工效果最好，3號(hào)加工效果最差，如圖11（c）所示。在d區(qū)域隨著深度增加，工件表面粗糙度先上升后下降，6個(gè)深度1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)、6號(hào)深度加工效果趨于一致，4號(hào)深度加工效果最差，如圖11（d）所示。

圖11 不同深度位置各區(qū)域工件表面粗糙度變化曲線Fig.11 Surface Roughness Variation Curves of Area at Different Depth Positions

隨著深度的增加，a區(qū)域、b區(qū)域表面粗糙度先降低后上升再下降，c區(qū)域、d區(qū)域表面粗糙度先上升后降低。a區(qū)域、d區(qū)域，1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)、6號(hào)深度加工效果趨于一致；b區(qū)域中，2號(hào)深度加工最好；c區(qū)域中，6號(hào)深度加工效果最好。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，在深度方向，6號(hào)加工效果最好，4號(hào)加工效果最差。

3.2.2 不同水平位置下工件的加工效果

在a區(qū)域隨著工件與左桶壁水平位置距離的變化，工件表面粗糙度先上升后降低，如圖12（a）所示。6個(gè)水平位置1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)、6號(hào)加工效果趨于一致，4號(hào)加工效果最差。在b區(qū)域隨著工件與左桶壁水平位置距離的變化，工件表面粗糙度先上升后降低，如圖12（b）所示。6個(gè)水平位置6號(hào)加工效果最好，4號(hào)加工效果最差。在c區(qū)域隨著工件與左桶壁水平位置距離的變化，工件表面粗糙度先上升后降低，如圖12（c）所示。6個(gè)水平位置6號(hào)加工效果最好，4號(hào)加工效果最差。在d區(qū)域隨著工件與左桶壁水平位置距離的變化，工件表面粗糙度先上升后降低，如圖12（d）所示。

圖12 不同水平位置各區(qū)域工件表面粗糙度變化曲線Fig.12 Surface Roughness Variation Curves of Area at Different Horizontal Positions

6個(gè)水平位置1號(hào)加工效果最好，4號(hào)加工效果最差。隨著工件與左桶壁的水平位置距離的增加，四個(gè)區(qū)域的表面粗糙度都是先上升后降低。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，在水平位置，6號(hào)加工效果最好，4號(hào)加工效果最差。

工件在內(nèi)固定方式下，結(jié)合深度、水平位置加工效果的對(duì)比，加工效果最優(yōu)的位置應(yīng)該在底層靠近右桶壁，磨料中間位置加工效果最差。

3.3 內(nèi)、外固定方式下加工效果的對(duì)比

兩種固定方式下的相似點(diǎn)：在深度方向上，四個(gè)區(qū)域表面粗糙度變化趨勢(shì)趨于一致，加工效果都是底部加工效果最好，磨料中間區(qū)域加工效果最差。在水平方向上，四個(gè)區(qū)域表面粗糙度變化趨勢(shì)也趨于一致，加工效果都是靠近右桶壁加工效果最好，磨料中間區(qū)域加工效果最差。

兩種固定方式下的不同點(diǎn)：由表3、表4可知，通過對(duì)不同深度、水平位置多組測(cè)試，發(fā)現(xiàn)內(nèi)固定方式下工件表面粗糙度下降速率明顯快于外固定方式下，工件達(dá)到的極限表面粗糙度值明顯小于外固定方式下，內(nèi)固定方式下工件達(dá)到的極限表面粗糙度是外固定方式下極限表面粗糙度的（0.4～0.5）倍。不同深度、水平位置平均值的均方差，內(nèi)固定方式下小于外固定方式下，所以內(nèi)固定方式下工件表面的加工不均勻性弱于外固定方式下。

表3 不同深度位置表面粗糙度均值及均方差Tab.3 Mean Values and Mean Square Deviations of Surface Roughness at Different Depth Positions

表4 不同水平位置表面粗糙度均值及均方差Tab.4 Mean Values and Mean Square Deviations of Surface Roughness at Different Horizontal Positions

4 最優(yōu)加工位置

由于內(nèi)固定優(yōu)于外固定，故只對(duì)內(nèi)固定進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為找出最優(yōu)的加工位置，對(duì)各個(gè)區(qū)域不同深度，水平位置進(jìn)行曲線擬合，由決定系數(shù)R2判定擬合好壞。深度方向上，在a、d區(qū)域，表層和底層四個(gè)深度加工效果趨于一致，所以在表層和底層，深度對(duì)加工效果影響很小，故這兩個(gè)區(qū)域不做曲線擬合；水平方向上，在a區(qū)域四個(gè)水平位置加工效果也一致，所以也不做曲線擬合。

表5 各區(qū)域深度位置對(duì)加工效果影響的擬合方程Tab.5 Fitting Equation of Influence of Depth Position of Each Area on Processing Effect

表6 各區(qū)域水平位置對(duì)加工效果影響的擬合方程Tab.6 Fitting Equation of Influence of Horizontal Position of Each Area on Processing Effect

各區(qū)域深度、水平對(duì)加工效果影響的曲線擬合，如圖13、圖14所示。

圖13 各區(qū)域深度曲線擬合Fig.13 Depth Curve Fitting of Each Area

圖14 各區(qū)域水平曲線擬合Fig.14 Horizontal Curve Fitting of Each Area

由圖13可知，b區(qū)域最優(yōu)的加工深度為49mm，c區(qū)域最優(yōu)加工深度為220mm，但c區(qū)域在49mm加工很差，所以最優(yōu)的加工深度為220mm，其各區(qū)域預(yù)測(cè)值：b區(qū)域：0.314μm，c區(qū)域：0.200μm。由圖14可知，b區(qū)域最優(yōu)水平加工位置為275mm，c區(qū)域最優(yōu)水平加工位置為295mm，d區(qū)域最優(yōu)水平加工位置為90mm，綜合對(duì)比各水平位置不同區(qū)域的加工效果，最優(yōu)的水平位置為據(jù)左桶壁275mm處，其各區(qū)域預(yù)測(cè)值，b區(qū)域：0.180μm；c區(qū)域：0.220μm；d區(qū)域：0.327μm。將工件埋入最優(yōu)加工位置，加工60min，各區(qū)域加工效果如下，a區(qū)域：0.241μm；b區(qū)域：0.178μm；c區(qū)域：0.209μm；d區(qū)域：0.248μm，實(shí)驗(yàn)值跟各區(qū)域預(yù)測(cè)的最優(yōu)值相差并不大，誤差在5%以內(nèi)，證明了曲線擬合的可行性，即臥式振動(dòng)光飾機(jī)的最優(yōu)加工位置為：埋入深度220mm，距離左桶壁275mm處。

5 結(jié)論

（1）對(duì)比工件表面粗糙度下降速率，臥式振動(dòng)光飾機(jī)對(duì)工件加工分三個(gè)階段：急劇滾磨階段、均勻滾磨階段、光飾滾磨階段。振動(dòng)式滾磨光整加工使工件達(dá)到極限表面粗糙度值所需時(shí)間為：（30～40）min，因此工件加工（30～40）min為宜。

（2）兩種固定方式下，各區(qū)域表面粗糙度隨深度、水平位置的增加變化趨勢(shì)趨于一致，加工最優(yōu)位置都是在底層右桶壁附近，磨料中間區(qū)域加工效果最差。

（3）比較工件在不同深度、不同水平位置加工后粗糙度的平均值及均方差，內(nèi)固定方式下表面粗糙度是外固定方式下的

（0.4～0.5）倍，且其均方差小于外固定方式下，所以工件在內(nèi)固定方式下表面加工的不均勻性弱于外固定，在內(nèi)固定方式下更有利于工件的加工。

（4）通過對(duì)內(nèi)固定方式下不同深度、水平位置加工后表面粗糙度曲線擬合，得出了工件的最優(yōu)加工位置：深度220mm，距左壁275mm。經(jīng)過最優(yōu)位置處實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，工件加工后表面粗糙度實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值誤差在5%以內(nèi)。