微磨料汽霧超聲拋光加工技術及實驗研究*＊

汪幫富 李 華 殷 振 曹自洋 宋 娟

(①蘇州科技學院，江蘇 蘇州 215001;②江蘇大學，江蘇 鎮江 212013)

在對汽霧超聲的研究中，發現含有微磨料的漿體經超聲霧化后形成的汽霧具有沖蝕力，可用于對工件表面拋光加工處理。本文在此基礎上提出微磨料汽霧超聲拋光的加工方法，即用含有微磨料的漿體通過超聲振動形成的汽霧流來進行拋光加工，具體來說是用超聲振動將含微磨料的漿體霧化，形成汽霧，再用含有微磨料的汽霧進行拋光加工。該方法屬于一種“冷、柔”加工方式，具有無機械切削力、加工過程不產生熱損傷、加工沖蝕力較柔軟、加工表面粗糙度均勻和對工件無亞表面損傷等優點。

1 微磨料汽霧超聲拋光加工方法的原理及霧化器的設計

1.1 加工基本原理

微磨料汽霧超聲拋光加工方法的基本原理如圖l所示。在盛放拋光液的容器里配好含有微磨料顆粒的拋光漿體，通過微量泵吸入霧化器內腔，再隨著壓電陶瓷在超聲電源的作用下產生超聲振動，將霧化器內腔滲透到噴嘴振動表面的拋光漿體以霧狀形式噴出，從而形成含有微磨料的汽霧流。將具有一定速度的汽霧流連同微磨料粒子直接噴射到工件表面與工件進行碰撞，使得工件表面拋光區域內局部產生磨削、沖蝕以及剪切作用，從而達到材料去除的目的。由于拋光漿體在霧化器內腔中流動速度非常低，對噴嘴的磨損可以忽略不考慮，同時超聲振動具有防堵塞的作用，防止微磨粒在霧化器內部堵塞通道。

1.2 霧化器的設計

通過上述分析可知，在微磨料汽霧超聲拋光加工系統中，加工的沖蝕力來自汽霧流的速度，而這個速度是由超聲霧化器的噴嘴振動面的超聲振動產生的，而此面振動又來源于陶瓷片在超聲電源下的壓電效應，由此可以看出微磨料汽霧超聲拋光加工系統的沖蝕力是由超聲霧化器的壓電效應產生的，因此，超聲霧化器的振動性能對微磨料汽霧超聲拋光加工系統有著重要(主要指的是微磨料的運動速度)。汽霧流的速度是由噴嘴前端蓋振動產生的，故超聲霧化噴嘴前端蓋的振動對拋光加工影響很大。下面就超聲霧化噴嘴前端蓋的振動做一下分析。微磨料汽霧超聲拋光霧化振動系統是由1 個縱向振動桿和與其相連接的彎曲振動噴嘴前端蓋所構成的組合振動系統。系統振動時，在縱向振動換能器的軸向振動激勵作用下，噴嘴前端蓋產生軸對稱彎曲振動。此振動是將霧化器內腔滲透到噴嘴前端蓋表面的含微磨粒漿體霧化成汽霧流的關鍵動力，決定汽霧流的速度大小和沖擊力。其彎曲振動前端蓋的連接周邊既是振動激勵的作用點，又是前端蓋的固定點，所以其振動形式與固定端激勵時懸臂梁的振動響應相似。因此，系統的振動力學模型可以簡化為縱振動桿與周邊激勵的彎曲振動噴嘴前端蓋端面組成的縱彎轉換復合系統。當前端蓋端面受到周邊沿軸向的簡諧位移激勵時，如果簡諧激勵的頻率為ωn，則前端蓋端面處于共振狀態，設周邊簡諧激勵為

式中:A0為振幅。由振動理論［7］可知，在簡諧激勵下，前端蓋端面相對于其周邊的軸對稱彎曲振動響應為

設w(r)=AnJ0(knr)+BnI0(knr)為前端蓋軸對稱彎曲振動的振型。J0、I0分別為第一類貝塞爾函數和變形第一類貝塞爾函數;r 為前端蓋上點的半徑;kn4=ρphωn2/D，D=Eph3/12(1 -υ2);ρp、h、Ep、υ 分別為前端蓋的材料密度、厚度、彈性模量和泊松比;ωn為前端蓋的第n 階彎曲振動圓頻率。

在縱向振動桿振動的激勵下，前端蓋端面共振時的彎曲振動是周邊振動與周邊固定前端蓋彎曲振動的疊加。由于激勵頻率與固有頻率的相對關系不同和前端蓋端面彎曲振動階次的不同，引起兩種振動在疊加時存在同相和反相兩種情況:在前端蓋端面彎曲振動的偶數階振型下，當激勵頻率小于固有頻率時，周邊的振動位移與彎曲振動位移同相位，振幅相加，反之，兩者相位相反，振幅相減;在彎曲振動的奇數階振型下，縱向激勵頻率小于前端蓋端面彎曲振動固有頻率時，周邊的振動位移與彎曲振動位移反相，振幅相減，反之，兩者相位相同，振幅相加。所以在考慮以上影響后，后前端蓋端面的彎曲振動絕對位移wa為

式中:m 為相位指數，當周邊縱向激勵與彎曲振動反相時m=1，同相時m=0。前端蓋端面彎曲振動的絕對位移振型為

設前端蓋端面的半徑為r0。由邊界條件:

可得:

式中:A0為前端蓋端面中心相對于其周邊的振幅。

由式(5)可知，在相位相反時，中心的絕對振幅是其相對振幅與周邊振動振幅之差。在特殊情況下，如果中心的相對振幅與周邊的振幅相同，則中心的絕對振幅為零。在相位相同時，中心的絕對振幅是中心相對振幅與周邊振幅的疊加。由式(7)可知，含微磨粒的漿體以速度在時間上分布為余弦函數的形式被振出。汽霧流將獲得速度來沖蝕工件表面，這也可以得出噴嘴前端蓋的超聲振動是微磨粒的沖蝕工件的能量來源。

3 微磨料汽霧超聲拋光加工機理分析

在對微磨料汽霧超聲拋光加工機理分析和研究中，我們認為汽霧(專指不包含微磨料的汽霧)對工件沒有切割作用，只是起到沖刷和冷卻作用，真正起切割作用的是微磨料，微磨料對材料的去除包括沖擊作用和剪切作用。微磨料汽霧流的沖擊作用會在材料表面形成壓痕，繼而引起材料的脆性斷裂;剪切作用會引起材料的剪切變形和微切削。微磨料汽霧流加工時，碰撞剪切作用對材料的去除占主導，而磨料粒子的直接沖擊作用則居于次要地位(由于超聲振動所引起的汽霧流速度不是特別高，使得沖擊力不處于絕對強勢的地位，故稱為加工沖蝕力較柔軟的加工方法)。微磨料汽霧流在拋光加工的同時能消除工件表面殘余應力以提高工件表面的疲勞強度。在微磨料汽霧流拋光中，是通過磨料粒子對工件材料的塑性微切削作用來實現材料的微量去除，達到減小表面粗糙度值，提高表面質量的目的。最終拋光所獲得的表面粗糙度主要由材料去除過程、材料原有表面質量和材料本身的微觀結構所決定。

4 實驗研究

4.1 實驗平臺搭建

為了檢驗微磨料汽霧拋光加工的效果，本實驗首先設計出微磨料汽霧超聲拋光霧化器來產生實驗所需要的微磨料汽霧流，然后搭建所需要實驗系統。對于將含有微磨料顆粒的拋光漿體吸入霧化器內腔的微量泵選用日本NIKKISO 公司的NFH 電磁式計量泵，并配阻尼器和背向閥，這樣可以消除微量泵產生的95%以上的脈動，讓拋光霧化器得到平穩的微流量輸入。拋光霧化器在超聲電源的作用下超聲振動，將吸入霧化器內腔的通過噴嘴前端蓋上微孔滲透到前端蓋表面的拋光漿體霧化成微磨料汽霧流直接作用在工件表面。實驗實物如圖7 所示，霧化效果如8 圖所示。

將工件放置在一定的容器中，構成拋光加工系統的回收裝置，拋光漿體可通過此裝置返回盛有拋光漿體的容器中，實現拋光漿體的循環使用，最大限度節約了磨料加工成本。

4.2 實驗結果分析

為驗證微磨料汽霧流用于拋光加工的效果，用該方法對一經磨削后的45#碳素鋼平面進行單點拋光實驗，實驗條件如下:磨料為SiC、直徑為0.5 μm 的顆粒，磨料濃度70 g/L、工作距離5 mm，加工時間30 min。

加工前后，采用放大倍數為500 倍的數碼顯微鏡和BRUKER 公司的ContourGT-K0 3D 光學顯微鏡對加工樣件表面進行測量。通過對試件拋光加工前放大500 倍數碼顯微鏡下的照片，可以明顯看出磨削痕跡，表面粗糙不光滑，如圖9 所示。而由加工后的照片圖10 可以看出其表面磨削痕跡明顯變淺，表面更光潔(注:其中兩塊黑斑應是該工件材料本身缺陷)。

圖11、12 是ContourGT -K0 3D 光學顯微鏡測定照片，其中灰色為凸起部分，灰色越深說明凸起越高，黑色表示下凹部分，顏色越深說明下凹越嚴重，通過對加工前后的圖11、12 的對比可得到:經微磨料汽霧流拋光加工后樣件圖中灰色和黑色部分沒有未加工的那么深，說明工件表面凸凹程度已經減小了，工件的表面粗糙度值變小，經ContourGT-K0 3D 光學顯微鏡測定表面的粗糙度值由加工前的Rz=2.948 μm 降為加工后的Rz=1.951 μm，這表明表面粗糙度值明顯減小，表面變得更光潔。因此，兩種測量手段的測量結果都表明微磨料汽霧超聲拋光加工技術確實可以改善工件表面的粗糙度，達到對工件進行拋光的效果。

5 結語

本文對新型的精密拋光技術——微磨料汽霧超聲拋光加工技術進行振動分析和實驗研究，認為微磨料汽霧超聲拋光加工通過超聲振動來使微磨料獲得動能，并且驗證了具有一定動能的微磨料去沖蝕工件表面和改善工件表面質量的方法是可行的，實驗結果也表明這種技術能夠達到降低工件表面粗糙度的目的。因此，微磨料汽霧超聲拋光加工技術是對工件材料進行精密拋光加工的又一種新技術，特別是對需要加工沖蝕力較柔軟的工件進行精密拋光加工而言。

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