旋轉(zhuǎn)超聲磨邊機床設(shè)計與實驗研究

黎志國，姚 震，張永俊，郭 剛

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2 廣州市非傳統(tǒng)制造技術(shù)及裝備重點實驗室，廣東 廣州 510006）

1 引言

在瓷磚生產(chǎn)中，磨邊倒角的加工目前分為干磨和濕磨兩種工藝方法。與濕磨相比，干磨工藝無需對瓷磚進行烘干處理，也省去后續(xù)對廢水處理，磨削余料可回收利用，達到節(jié)省成本綠色環(huán)保的效果。目前我國的瓷片及仿古磚產(chǎn)品生產(chǎn)中多運用干法磨邊工藝，而吸水率小于1%的瓷磚，仍采用濕法磨邊工藝。

旋轉(zhuǎn)超聲加工硬脆材料時，具有減小磨削力，提高工件表面質(zhì)量，提高加工效率等優(yōu)點。國內(nèi)外學(xué)者對旋轉(zhuǎn)超聲加工進行了研究，文獻[1-2]發(fā)現(xiàn)切削力隨磨料濃度、磨料顆粒半角和進給速度增加而增加，隨磨粒直徑、振幅和主軸增加而減小。文獻[3]發(fā)現(xiàn)超聲輔助振動能減小磨削熱，并且能同時減小磨削過程中的法向力和切向力。文獻[4]發(fā)現(xiàn)超聲輔助磨削能夠減小法向力和切向力以及改善表面加工質(zhì)量。文獻[5]建立恒速進給式旋轉(zhuǎn)超聲加工脆性材料的切削力模型，發(fā)現(xiàn)減少金剛石磨粒數(shù)量、磨粒半徑和進給速度以及提高超聲振幅和主軸轉(zhuǎn)速均能減小切削力。文獻[6]發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲加工具有降低切削力、減小出孔崩邊尺寸優(yōu)勢。文獻[7]通過建立磨削力數(shù)學(xué)模型，表明二維超聲磨削的法向磨削力小于普通磨削，但是切向磨削力和軸向磨削力均有所增大。文獻[8]建立了單科磨粒的切削變形力和摩擦力數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)超聲振動沖擊作用、工件材料軟化效應(yīng)與超聲振動潤滑效應(yīng)使磨削力降低。文獻[9-10]設(shè)計了微細(xì)超聲加工機床的關(guān)鍵零部件和運動控制系統(tǒng)，采用雙超聲振動系統(tǒng)，使閉環(huán)結(jié)構(gòu)滿足微超聲加工恒力進給。

目前旋轉(zhuǎn)超聲加工大部分的研究集中在工程陶瓷和高性能陶瓷中，關(guān)于瓷磚磨邊領(lǐng)域應(yīng)用的報道較少。因此設(shè)計了旋轉(zhuǎn)超聲磨邊機床，并研究旋轉(zhuǎn)超聲加工在瓷磚磨邊的軸向力情況。

2 超聲振子模態(tài)分析

旋轉(zhuǎn)超聲磨邊加工，是把超聲振動添加到旋轉(zhuǎn)磨邊工具頭上，使工具頭產(chǎn)生邊旋轉(zhuǎn)邊振動的加工方法。超聲換能器接收到超聲電源的正弦波驅(qū)動信號后，產(chǎn)生縱向超聲振動，階梯型變幅桿把振幅放大后傳遞至磨盤工具頭，磨盤工具頭把縱振分解為縱向和徑向振動作用于工件上。

模態(tài)分析是計算結(jié)構(gòu)振動特性的數(shù)值技術(shù)，其結(jié)果反映超聲振子在不同諧振頻率下的振動模式，形變云圖顏色分布情況反映超聲振子不同位置的形變程度。使用ANSYS 仿真軟件對超聲振子進行模態(tài)分析，超聲振子在縱向諧振時形變云圖的三個極限位置，如圖1 所示。超聲振子法蘭位置始終處于形變最小處，磨盤工具頭末端形變隨電壓變化。當(dāng)電壓為0 時，工具頭沒有伸縮運動，如圖1（a）所示；當(dāng)電壓為負(fù)最大值時，工具頭呈輕微收縮狀態(tài)，如圖1（b）所示；當(dāng)電壓為正最大值時，工具頭呈擴張狀態(tài)，如圖1（c）所示。在一個諧振周期內(nèi)，振型依次經(jīng)歷五個階段，順序依次為a，b，a，c，a，如圖2 所示。

圖1 超聲振子模態(tài)分析形變云圖Fig.1 Ultrasonic Vibrator Modal Analysis Deformation Cloud

圖2 超聲振子單周期振型次序示意圖Fig.2 Ultrasonic Vibrator Single-Cycle Mode Order

3 機床關(guān)鍵零部件設(shè)計

設(shè)計的旋轉(zhuǎn)超聲磨邊機床示意圖，如圖3 所示。機床包括旋轉(zhuǎn)超聲主軸系統(tǒng)、四軸運動測試系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、超聲電源系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)五大部分。其中，對旋轉(zhuǎn)超聲加工機床的關(guān)鍵零部件進行設(shè)計，包括旋轉(zhuǎn)超聲磨邊主軸和四軸運動測試平臺。

圖3 旋轉(zhuǎn)超聲磨邊加工機床示意圖Fig.3 Rotary Ultrasonic Edging Machine

3.1 旋轉(zhuǎn)超聲磨邊主軸設(shè)計

主軸采用臥式固定結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)需根據(jù)旋轉(zhuǎn)超聲振動特性和磨邊時的機械特性進行設(shè)計。設(shè)計的旋轉(zhuǎn)超聲磨邊主軸具有以下特點：（1）主軸轉(zhuǎn)速可調(diào)；（2）主軸旋轉(zhuǎn)時需把超聲電源能量傳遞到換能器上；（3）瓷磚磨邊時，由于磨削量大，主軸需有足夠的強度和剛度承受較大軸向力和徑向力；（4）主軸徑向跳動和同軸度誤差控制在10μm 以下；（5）換能器振動和工具頭的磨削熱傳遞，均會使振子溫度升高，影響振子諧振頻率和振幅。主軸需具有散熱結(jié)構(gòu)控制超聲振子溫升。

綜合以上所述，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)超聲主軸，如圖4 所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)超聲磨邊主軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Spindle Structure of Rotary Ultrasonic Edging

主要結(jié)構(gòu)如下：（1）主軸轉(zhuǎn)子設(shè)計為漏斗狀，大端為可放入超聲振子的空心腔，小端為實心軸，可連接聯(lián)軸器把變頻調(diào)速電機轉(zhuǎn)矩輸入；（2）目前實現(xiàn)電的靜動傳輸方式主要有滑環(huán)、碳刷與電磁感應(yīng)等，為簡化主軸結(jié)構(gòu)，采用電磁感應(yīng)供電；（3）主軸軸承選用圓錐滾子，可承受大的軸向力和徑向力；（4）超聲振子使用錐度加螺釘定位在轉(zhuǎn)子空心腔中。超聲振子設(shè)計為20kHz 全波長型，節(jié)面位置（即諧振時振幅為零的面）共有兩個。前節(jié)面在變幅桿上，使用錐度定位在空心轉(zhuǎn)子上。后節(jié)面在換能器前匹配塊上，在空心轉(zhuǎn)子外圓周旋入三顆均勻分布的無頭螺釘，固定振子后節(jié)面。在裝配階段，通過調(diào)節(jié)無頭螺釘，調(diào)節(jié)輸出軸與輸入軸的同軸度并減小徑向跳動。此外，由于換能器與變幅桿僅通過中部的雙頭螺桿連接，主軸加減速容易使雙頭螺桿松動，減小換能器前匹配塊與變幅桿的連接預(yù)緊力，進而影響超聲波傳遞。無頭螺釘固定后節(jié)面還可起到保持螺紋預(yù)緊力作用；（5）轉(zhuǎn)子空心腔外壁上設(shè)計有散熱孔，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，朝向不同的兩組散熱孔形成一進一出的空氣渦流，強制空心腔內(nèi)外空氣交換；（6）由于基體空腔位置外壁上的一對排氣扇使主軸內(nèi)部形成空氣負(fù)壓，新鮮空氣從后端蓋和基體下方流道吸入，冷卻鐵氧體原副邊和主軸基體，并促進轉(zhuǎn)子空心腔空氣流動。

3.2 四軸運動測試平臺設(shè)計

旋轉(zhuǎn)超聲磨邊機床加工原理，如圖5 所示。設(shè)計的四軸運動平臺需具有以下特點：（1）工件夾具需控制工件磨削量、磨削速度、磨削角和磨削高度；（2）平臺可同時支持大磨削量和微細(xì)旋轉(zhuǎn)超聲磨邊實驗；（3）測試平臺可外接測力儀，檢測并采集加工時的磨削力。

圖5 旋轉(zhuǎn)超聲磨邊機床加工原理圖Fig.5 Processing Principle of Rotary Ultrasonic Edging Machine

設(shè)計的運動平臺呈垂直堆疊式分布，考慮量程和減小測量誤差，測力儀安裝在夾具正下方。測力儀正下方依次安裝軸向直線模塊、轉(zhuǎn)臺模塊、進給直線模塊和升降運動模塊。各模塊的最小分辨率與最大行程，如表1 所示。

表1 各模塊最小分辨率與最大行程Tab.1 Minimum Resolution and Maximum Stroke of Each Module

當(dāng)工件平行于磨盤端面磨邊時，磨盤磨粒僅在工件進入時產(chǎn)生磨削。根據(jù)磨削量，調(diào)節(jié)工件磨削角，工件進入和離開磨盤時均與磨粒接觸，提升工具頭效率，減小主軸徑向不平衡力。

調(diào)節(jié)磨削高度，相當(dāng)于調(diào)節(jié)工件進入和離開磨盤的距離。當(dāng)工件在磨盤中心處磨削時，進入與離開距離等于磨盤直徑，此時磨盤磨粒與工件總接觸面積最小；當(dāng)工件在磨盤邊緣處磨削時，與磨盤磨粒接觸面積最大。

4 軸向磨削力影響規(guī)律探究

在瓷磚磨邊加工過程中，軸向力越大，瓷磚越容易產(chǎn)生崩邊和斷裂，且電機耗能越大。本實驗將探究超聲磨邊在有無超聲的情況下，主軸轉(zhuǎn)速與進給速度對軸向磨削力的影響規(guī)律，實驗時的現(xiàn)場加工圖，如圖6 所示。其中工件磨削角為0°，高度為磨盤中心處，超聲電流為1A，實驗瓷磚材料特性，如表2 所示。實驗因素變量，如表3 所示。

圖6 實驗現(xiàn)場加工圖Fig.6 Experimental Site Processing

表2 實驗瓷磚材料特性Tab.2 Material Properties of Experimental Tile

表3 實驗因素變量Tab.3 Experimental Factor Variable

本實驗采用Kistler 測力模塊采集力的數(shù)據(jù)，包括9129AA動態(tài)測力儀、多通道電荷放大器、5697A1 數(shù)據(jù)采集器、以及DynoWare 數(shù)據(jù)采集處理軟件，如圖7 所示。測量時，由于超聲振子諧振頻率為20kHz，為提高數(shù)據(jù)精確度，設(shè)定采集頻率為100kHz，即諧振頻率的5 倍，采集的軸向力，如圖8 所示。采集到的圖線分為三個階段，分別為瓷磚進入磨盤區(qū)域前的未加工階段、磨邊加工階段和瓷磚磨削完畢后完全離開磨盤的完成階段。數(shù)據(jù)處理時，把磨邊加工階段等分成三段，中間三分之二區(qū)間作為數(shù)據(jù)提取段。重復(fù)5 次實驗，統(tǒng)計時，把數(shù)據(jù)提取段的力取均值。

圖7 Kistler 測力模塊Fig.7 Kistler Test Force Module

圖8 瓷磚加工軸向力采集圖Fig.8 Tile Processing Axial Force Acquisition Diagram

4.1 主軸轉(zhuǎn)速對軸向磨削力影響規(guī)律

主軸轉(zhuǎn)速對軸向磨削力影響，如圖9 所示。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速小于1500r/min 時，隨著主軸轉(zhuǎn)速提高，傳統(tǒng)磨邊與超聲磨邊的軸向磨削力變化不大，且傳統(tǒng)磨邊比超聲磨邊軸向磨削力大15%左右。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提升至1800r/min 以上時，傳統(tǒng)磨邊與超聲磨邊的軸向磨削力均降低，且兩曲線幾乎重疊。工具頭的縱向和徑向超聲振動，相當(dāng)于增加磨盤磨粒的線速度，單顆磨粒的磨削效率提高。隨著主軸轉(zhuǎn)速提高，磨盤線速度增大，同樣使軸向磨削力減小，超聲效果減弱。因此，旋轉(zhuǎn)超聲磨邊在加工瓷磚時，應(yīng)用在低轉(zhuǎn)速范圍，可減小軸向磨削力。

圖9 主軸轉(zhuǎn)速對軸向磨削力影響Fig.9 Influence of Spindle Speed on Axial Grinding Force

4.2 進給速度對軸向磨削力影響規(guī)律

進給速度對軸向磨削力大小也有重要影響作用，進給速度對軸向磨削力影響，如圖10 所示。

圖10 進給速度對軸向磨削力影響Fig.10 Influence of Feed Rate on Axial Grinding Force

當(dāng)進給速度小于10mm/s 時，隨著進給速度的增加軸向磨削力變化不大。當(dāng)進給速度大于10mm/s 時，軸向磨削力與進給速度呈正比增大。進給速度增加，單位時間內(nèi)單顆磨盤磨粒作用于工件上的面積增大，磨粒所受阻力增大，使軸向磨削力增大。進給速度變化時，傳統(tǒng)磨邊法的軸向磨削力始終在超聲磨邊法上方，因為磨盤的縱向和徑向超聲振動在磨削過程中始終使磨粒的線速度增加，單位時間內(nèi)單顆磨粒磨削效率提高；且工具頭對瓷磚表面的高頻沖擊作用，使瓷磚顆粒更容易脫落。

5 結(jié)論

（1）使用模態(tài)分析方法，仿真磨邊工具頭振型，發(fā)現(xiàn)工具頭把縱振分解為徑向和縱向振動。（2）設(shè)計的旋轉(zhuǎn)超聲磨邊主軸能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，承受大的軸向力與徑向力，使用電磁感應(yīng)形式供電，具有裝配調(diào)節(jié)對中和強制冷卻功能。（3）設(shè)計的四軸運動測試平臺，支持大磨削量和微細(xì)旋轉(zhuǎn)超聲磨邊實驗，能調(diào)節(jié)磨削時的磨削量、磨削速度、磨削角和磨削高度。（4）旋轉(zhuǎn)超聲磨邊技術(shù)應(yīng)用于瓷磚加工時，主軸轉(zhuǎn)速小于1500r/mm 時可減小軸向磨削力15%左右。當(dāng)進給速度大于10mm/s 時，進給速度與軸向磨削力呈正比。在不同進給速度下，旋轉(zhuǎn)超聲磨邊的軸向磨削力比傳統(tǒng)磨邊小。