負載對超聲內圓磨削系統性能參數的影響特性研究*

謝 鷗 任 坤 朱淑梅 韓朝明

(蘇州科技大學機械工程學院，江蘇 蘇州 215009)

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負載對超聲內圓磨削系統性能參數的影響特性研究*

謝 鷗 任 坤 朱淑梅 韓朝明

(蘇州科技大學機械工程學院，江蘇 蘇州 215009)

研究了超聲內圓磨削系統性能參數受負載影響的變化特性。通過力-電類比分析，給出了超聲內圓磨削系統諧振頻率附近的等效電路模型。在實際安裝工況下，對比測試分析了不同負載狀態時的等效電路參數，重點研究了超聲內圓磨削系統性能參數隨負載磨削力變化的關系曲線。研究結果對超聲內圓磨削系統參數匹配及磨削工藝設計具有指導意義。

超聲內圓磨削；負載；性能參數；影響特性

內圓磨削是實現工程陶瓷、石英玻璃等材料中/小孔精密加工的有效工藝之一，傳統的內圓磨削方法因不可避免地產生較大的磨削力和磨削熱，將引起砂輪堵塞和工件表面/亞表面燒傷，嚴重制約了新型硬脆材料的應用。為解決這些問題，輔助超聲振動被引入到磨削加工中，有效降低了磨削力、磨削熱和砂輪磨損，能顯著提高磨削質量和磨削效率。為了使超聲內圓磨削系統工作在最佳磨削狀態，需要對換能系統進行動態參數匹配。研究表明，壓電換能器性能參數(包括諧振頻率、靜態電容、動態電阻、動態電容和機械品質因素等)不僅與換能器的結構、材料和尺寸有關，而且受負載的影響變化顯著[1-3]。目前，對超聲振動系統的研究大都基于空載靜止狀態下的獨立換能器，而實際負載工況下的超聲換能系統整體性能參數變化特性的研究則較少。文獻[4]研究了預應力與換能器性能參數的關系，結果表明換能器的大部分性能參數受預應力的影響而變化；文獻[5]研究了點、線、面3種負載加載方式對超聲加工聲學系統特性參數的影響，獲得了不同加載方式下換能器性能參數的變化規律，然而這些實驗都是靜態加載實驗，與實際加工過程存在較大的誤差。本文通過實驗測試，研究了實際工況安裝下，不同負載類型和不同磨削力對超聲內圓磨削系統性能參數的影響，為系統參數匹配和優化磨削工藝提供了依據。

1 超聲內圓磨削系統的等效電路

從振動角度分析，超聲內圓磨削是將交變電場加在換能器的壓電陶瓷上，通過壓電陶瓷的逆壓電效應產生厚度方向變形振動，振動經變幅桿放大后作用于磨具，從而使固結在磨具表面的磨粒受迫產生縱向振動，最后對工件表面產生高頻的沖擊作用，實現對工件表面材料的去除。變幅桿和磨具的整體可等效為質量-彈簧-阻尼振動系統，在磨削過程中服從受迫振動方程[6]：

(1)

式中：m、k、c分別表示變幅桿和磨具整體系統的質量、阻尼系數和彈性系數；F1表示負載對磨具產生的反作用力；Fn表示壓電振子諧振時的n階模態力。

由于負載的不確定性和超聲振動系統的非線性，很難對其力學模型的參數進行測試和分析。因此力學和電學之間的等效電路法被廣泛應用于壓電換能器的聲學特性研究，它利用力學與電學現象存在的規律及微分方程數學表述上的相似性，將力學系統轉換成電路系統，分析該等效電路的參數變化可推測出力學系統對應參數的變化趨勢。與等效質量-彈簧-阻尼振動系統類比，LRC電路系統在結構參數、描述方程、能量存儲等方面非常相似，其電路方程為：

(2)

由以上方程(1)(2)類比可知：m?L，k?R，c?C。式中L、R、C分別為電感、電阻和電容。對于單一縱向振動磨削換能器，在諧振頻率附近的集中參量等效電路可表示為如圖1所示結構[7]。

C0、R0為換能器的靜態電容和靜態電阻，其主要與壓電陶瓷的結構及裝配預應力有關；L1、R1、C1分別表示換能器的動態電感、動態電阻和動態電容，它們與換能器結構、材料有關，同時還受外界因素影響而動態變化；Z1為負載的等效阻抗，與負載大小有關。

2 超聲內圓磨削系統性能參數測試實驗

2.1 實驗平臺

如圖2所示，磨削材料為碳化硅陶瓷，實驗前已修平。超聲內圓磨削系統由壓電換能器、指數形變幅桿、接長桿和金剛石砂輪組成，并通過安裝環與內圓磨床主軸裝配在一起。測力儀的型號為Kistler5697A，阻抗分析儀的型號為PV70A。實驗時，超聲內圓磨削系統在主軸電動機的驅動下高速旋轉，磨削試件固定在測力儀上，并由位移控制平臺驅動做往復運動。

2.2 實驗方案

(1)在無負載的情況下用阻抗分析儀測試超聲內圓磨削系統靜止和旋轉時的性能參數，并做記錄。

(2)以切削液澆注方式給超聲內圓磨削系統加載，并測試記錄其性能參數。

(3)以恒定的進給速度進行試件磨削，當進給至恒定磨削狀態時，測試超聲內圓磨削系統的性能參數。以0.01 mm為增量，測試不同磨削深度下超聲內圓磨削系統的性能參數，并做記錄。

考慮到測試過程中機床和負載的不穩定因素將導致測試結果的漂移，本實驗采用多次測量，并對結果取平均值。

3 實驗結果分析

3.1 不同狀態下的性能參數測試對比

表1給出了在不同狀態下測試的超聲內圓磨削系統性能參數。其中旋轉時的主軸轉速為2 870 r/min，切削液以澆注方式加載到砂輪上，流量為20 L/min，固體負載的磨削深度為0.06 mm。由表1可知，在給定條件下，不同狀態下超聲內圓磨削系統的諧振頻率基本不變。空載靜止狀態下的動態電阻和動態電感要明顯比空載旋轉狀態高，而動態電容卻要低于旋轉狀態。這主要是因為旋轉時，系統結構存在的不平衡將引起系統的振動，從而以負載的形式作用于系統，導致性能參數的變化。加載時，液體負載比固體負載下的動態電容要大，而固體負載下的動態電感明顯大于液體負載下的動態電感。

表1 不同狀態下的性能參數

狀態諧振頻率/kHz動態電阻/Ω動態電容/nF動態電感/mH空載靜止24.3729.030.7556.60空載旋轉24.373.921.6221.16液體負載24.3515.432.4517.38固體負載24.4239.140.041442.12

3.2 磨削力對性能參數的影響特性

為測試磨削力對超聲內圓磨削系統性能參數的影響，通過改變磨削深度從而獲得不同的磨削力。如圖3所示，以0.01 mm為增量，測試了0.02～0.12 mm磨削深度下的磨削力。磨削力隨磨削深度的增加整體呈增大趨勢，且在磨削深度大于0.08 mm后，磨削力的增大速度明顯增加。

圖4為超聲內圓磨削系統性能參數隨磨削力變化的曲線。由圖4a、b可知，諧振頻率隨磨削力的增大呈下降趨勢，而動態電阻隨磨削力的增大呈上升趨勢，最終趨于穩定值。由圖4c、d、f可看出，動態電容、動態電感和機械品質因素隨磨削力的變化只在某一個力值段出現脈沖突變，而在其它力值下基本保持不變，即動態電容值在磨削力為42 N左右出現一個下降脈沖突變，動態電感和機械品質因素在42 N左右出現一個上升脈沖突變。圖4e表明，隨著磨削力的變化，靜態電容始終在一個穩定值上下波動，整個過程基本保持常數。

4 結語

本文通過實驗測試，對比分析了超聲內圓磨削系

統性能參數在不同狀態下的特性，研究了性能參數受磨削力的影響變化關系。結果表明：空載時，旋轉運動所產生的振動將影響系統的動態電感、動態電容和動態電阻值；液體負載和固體負載對系統的性能參數影響表現不同；隨著磨削力增大，諧振頻率呈下降趨勢，而動態電阻呈上升趨勢并最終趨于穩定值；動態電感、動態電容和機械品質因素都在42 N左右出現一個脈沖突變，而靜態電容基本保持常數。

[1]楊日福，閔志玲，張凡.負載對超聲換能器共振頻率影響及其匹配分析[J].計算機與應用化學，2015,32(2):179-181.

[2]章剛華，陳穎.超聲骨科換能器等效電路模型研究[J].壓電與聲光，2011,33(4)：573-577.

[3]隆志力，吳運新，韓雷,等.熱超聲鍵合換能系統阻抗/導納模型[J].2007,43(10):14-19.

[4]李軍，賀西平，丁少虎.壓電換能器性能參數與預應力關系的實驗研究[J].壓電與聲光，2008,30(1)：100-101.

[5]劉折，靳宇輝，卞平艷，等.負載對超聲加工聲學系統特性的影響[J].航空精密制造技術，2012,48(1):10-13.

[6]馬雪花，蔣鑫元.壓電換能器導納圓的測定[J].天津科技大學學報，2004,19(4):41-43.

[7]Mason W.Physical acoustics[M].Harcourt Brace Jovanovich: Academic Press,1964

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Study on the effect between the load and performance parameters of ultrasonic internal grinding system

XIE Ou, REN Kun, ZHU Shumei, HAN Chaoming

(School of Mechanical Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, CHN)

The variation characteristics of the performance parameters of ultrasonic internal grinding system under the load are studied.By mechanic-electric analogous analysis, the equivalent circuit model near resonant frequency of ultrasonic internal grinding system is proposed.In the actual installation conditions，the equivalent circuit parameters under different load states are tested and compare analyzed.The relationship between the performance parameters of the ultrasonic internal grinding system and the load grinding force is detail studied.The research results have guidance for the parameters matching and grinding process design of the ultrasonic internal grinding system.

ultrasonic internal grinding; load; performance parameters; influencing characteristic

* 江蘇省高校自然科學研究面上項目資助( 15KJB460015) ; 2015 年國家級大學生創新實踐訓練計劃項目資助( 611311401)

TB552

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.014

謝鷗，男，1983年生，博士，講師，研究方向為精密與超精密加工技術、數控技術。

(編輯 李 靜)

2016-04-19)

161121