二維超聲無磨料拋光機理研究

蔣建軍 鄭建新 劉傳紹

(①煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州 450007;②河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南焦作 454000)

金屬工件的表面光整加工，無論是傳統(tǒng)的研磨、拋光還是非傳統(tǒng)的光整加工方法，如超聲研磨、磁力研磨拋光、電火花超聲復(fù)合拋光等，都是去除材料式的加工方法，只能減小金屬表面粗糙度值，不能提高表面硬度［1－3］。無磨料拋光是一種非去除材料式的加工方法，加工后材料表面粗糙度值減小、硬度提高，但是工件易出現(xiàn)刮花、起皮等表面損傷［4－5］。二維超聲加工是近年出現(xiàn)的新加工技術(shù)［6－8］，已被試驗證明能取得較好的加工質(zhì)量。為此，研究將二維超聲振動引入無磨料拋光中，以期獲得更優(yōu)的加工質(zhì)量。

二維超聲無磨料拋光金屬工件表面是利用金屬在常態(tài)下的冷塑性特點，采用專門的超硬工具頭，對工件表層金屬施加一定的壓力，使其產(chǎn)生塑性流動，從而使工件表面原有的微觀波峰填入波谷，達到工件表面質(zhì)量提高的目的［9－10］。

1 二維超聲振動無磨料拋光特性

1.1 二維超聲振動無磨料拋光過程

二維超聲振動由同頻率、一定相位差的X、Y方向的2個簡諧運動合成。X、Y方向的運動方程為

式中:f為振動頻率;A為工件在X方向的振動幅值;B為工件在Y方向的振動幅值;φ為相位差。

則二者合成運動方程為

由式(2)可得，給定不同的參數(shù)即相位差φ值，可以得到不同的橢圓運動軌跡。

當(dāng)2個互相垂直且同頻率的振動相位差φ為0或180°時，式(2)變?yōu)閥=±Bx/A，質(zhì)點軌跡為一條直線;當(dāng)2個互相垂直且同頻率的振動相位差φ為90°時，式(2)變?yōu)閤2/A2+y2/B2=1，質(zhì)點軌跡為以X為長軸、Y為短軸的正橢圓;當(dāng)相位差為其他角度時，振動軌跡為傾斜的橢圓。

二維超聲振動無磨料拋光如圖1所示，拋光工具頭的運動軌跡為橢圓，擠壓深度時刻變化。材料加工時，拋光工具頭在周期性超聲頻信號的作用下，工具頭擠入和退出金屬工件表面時都能夠?qū)⑦吘壍奈⒂^波峰壓入波谷，這種效果可使單次擠壓面積增加和摩擦力減小，從而使擠壓力減小，提高了擠壓過程中的潤滑和冷卻效率，降低了擠壓溫度，使工具頭的磨損減緩，延長其壽命。

圖1也顯示了在振動拋光過程中，工件表層金屬的變形情況。拋光工具頭對工件施加一定的壓力，以一定的進給速度通過旋轉(zhuǎn)著的工件表面，使表層金屬產(chǎn)生彈、塑性變形。從圖1可以看出，已經(jīng)拋光過的表面比工具頭與工件接觸區(qū)稍高。由于工具頭的擠壓作用，接觸區(qū)前段金屬層有堆積凸起的趨勢。常規(guī)無磨料拋光時工具頭始終與工件接觸，擠壓表層金屬。當(dāng)時間稍長時，工具頭與工件接觸區(qū)金屬層會逐漸堆積并越來越高，當(dāng)?shù)竭_一定高度時，工具頭不再只起光整作用，也會象帶有負(fù)前角車刀一樣切刮金屬層，此段時間由光整強化轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠值呢?fù)前角切削，易出現(xiàn)刮花起皮現(xiàn)象如圖2所示，致使工件表面質(zhì)量大幅度下降。

超聲拋光時由于工具頭的高頻振動，工具頭均勻有規(guī)律地敲打工件表面，使得工具頭與接觸區(qū)前面一段金屬層，不會堆積凸起過高。即使有凸起的趨勢，也會被下次或下幾次工具頭的振動燙平，大大減少了加工過程中產(chǎn)生切刮現(xiàn)象的可能性。

1.2 二維超聲振動無磨料拋光速度特性

傳統(tǒng)的縱向振動是在振動方向上改變擠壓速度，但是二維超聲振動是在2個方向上改變擠壓速度。拋光過程的每個周期中工具頭與工件分離，即工具頭從t0時刻壓入工件表面，t1時刻退出，因此工具頭的實際敲擊工件的速度是分段連續(xù)的周期性函數(shù)。設(shè)工具頭的位移函數(shù)為

則有

式中:A、B為2個方向上的振幅，T為橢圓振動周期，T=1/f。則工具頭瞬時運動方向與工件運動方向的夾角為

在每一個拋光周期剛開始后，橢圓振動刀具前刀面進行拋光，當(dāng)一個拋光周期結(jié)束之后下一周期開始之前，橢圓振動刀具拋光過程出現(xiàn)暫時的“反轉(zhuǎn)”，拋光工具頭后刀面對已加工表面進行二次加工，可進一步減小表面粗糙度值。

1.3 占空率

橢圓振動無磨料拋光過程中擠壓區(qū)示意圖如圖3所示，工具頭的重疊擠壓長度l0為

一個周期無磨料拋光加工中，工具頭與工件接觸長度為 θ1和 θ2對應(yīng)的弧長，即

根據(jù)曲率半徑ρ近似橢圓半徑r其定義為

則接觸弧長為

占空率［11］定義為接觸弧長與橢圓周長之比。橢圓振動無磨料拋光的占空率為

由此知橢圓超聲振動無磨料拋光加工中工具頭與上一周期無磨料拋光表面的分離，切削液可完全進入，進行充分冷卻與潤滑，從而延長工具頭的壽命。

1.4 能量集中效應(yīng)

超聲無磨料拋光時，工具頭在每個振動周期內(nèi)的純接觸時間tc/T是較短的，大約只有25 μm左右［12］，因此在工件表面與拋光工具頭的接觸區(qū)，就形成了能量集中的現(xiàn)象。可見，超聲無磨料拋光是一個在極短時間內(nèi)完成的能量強化過程。在單位拋光周期過程中，工具頭在很小位移上得到很大的瞬時速度和加速度，在局部產(chǎn)生很高的能量，這時被振動無磨料拋光的材料局部微小體積內(nèi)的物理機械性能必將發(fā)生重大變化。這種能量集中效應(yīng)使得振動拋光以較小的作用力，可以達到與常規(guī)無磨料光整相同或更好的效果。

2 改善工藝系統(tǒng)的抗振性

機械加工過程中產(chǎn)生的振動，會使加工表面產(chǎn)生波紋，影響零件的使用性能。同時刀具相對于工件振動、切削截面、切削角度等將隨之發(fā)生周期性變化，工藝系統(tǒng)將承受動態(tài)載荷的作用，刀具易于磨損(有時甚至崩刃)，機床的連接特性會受到破壞，嚴(yán)重時甚至使切削加工無法進行，因此須采取措施控制振動。一般控制機械加工振動的途徑有［13］:(1)合理選擇切削參數(shù);(2)提高工藝系統(tǒng)剛度;(3)采用減振裝置。

在超聲振動加工過程中，由于工具頭以20 kHz頻率高頻振動，而工藝系統(tǒng)的自激振動頻率與之相比卻很低，使得不可能發(fā)生工藝系統(tǒng)與工具頭的共振現(xiàn)象。從這個意義上說，把超聲振動引入無磨料拋光過程，有抑制工藝系統(tǒng)振動的作用。

另外，由振動理論分析［12］可知:超聲振動拋光過程中，工件的變形僅為常規(guī)無磨料拋光的tc/T(T為超聲振動周期，tc為每一振動周期內(nèi)工具頭與工件接觸的時間)甚至更少。這就相當(dāng)于提高了工藝系統(tǒng)的剛度，從而使得系統(tǒng)的抗振性增加。

3 超聲振動改變加工過程中摩擦狀態(tài)

常規(guī)無磨料拋光時，工具頭始終壓在工件上。由于工具頭與工件間的摩擦力比較大，摩擦系數(shù)又隨擠壓速度變化，使得工藝系統(tǒng)時常出現(xiàn)自激振動現(xiàn)象。由于摩擦的影響，預(yù)壓力較大或擠壓時間較長時，還易出現(xiàn)工具頭與工件表層金屬的粘結(jié)現(xiàn)象，使工件的表面質(zhì)量下降。

超聲振動拋光由于工具頭的高頻振動，在加工過程中工具頭與工件處于非完全接觸狀態(tài)，改善了拋光過程的摩擦特性。因此超聲振動改善了拋光過程中工具與工件間的摩擦性質(zhì)，拋光過程中的顫振現(xiàn)象以及工具與工件的粘結(jié)現(xiàn)象得到了有效的抑制。

同時，對于常規(guī)無磨料拋光來說工具頭始終緊挨工件，而在超聲無磨料拋光過程中，由于橢圓振動的占空特性，工具頭與工件的瞬間分離，當(dāng)?shù)毒吲c工件分離時，使得冷卻液進入拋光區(qū)，進行充分的冷卻和潤滑。同時在工具頭壓入時，由于其極高的加速度，形成瞬時高壓，使冷卻液均勻乳化，減少了摩擦，減小了摩擦系數(shù)，從而延長了工具頭的使用壽命。

4 結(jié)語

本文首先描述了二維超聲拋光的拋光過程，得出了二維超聲振動無磨料拋光過程中變速特性和占空率，工件表層金屬的規(guī)則變形，能量集中效應(yīng);其次是超聲振動拋光改善工藝系統(tǒng)的抗振性，即工藝系統(tǒng)變形減小，有“剛化”工藝系統(tǒng)的作用;最后二維超聲振動使得工具頭在加工過程中能夠充分潤滑，減小摩擦系數(shù)，降低摩擦溫度，改善拋光過程中工具頭與工件之間的摩擦狀態(tài)，從而揭示二維超聲無磨料拋光加工機理，完善和發(fā)展金屬工件的表面光整加工新技術(shù)，進而推動超聲無磨料拋光技術(shù)的工程應(yīng)用。

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