“反L形容器”尺寸對圓柱滾子豎直振動超精滾拋效果的影響

摘要：通過仿真及實驗探究了豎直振動超精滾拋工藝中容器尺寸對圓柱滾子加工效果的影響，以“反L形容器”的角度α、尺寸d作為變量，分析了尺寸參數與滾子運動特征及表面顆粒介質力學行為間的聯系。研究結果表明：隨著α的增大，滾子活躍區域高度逐漸降低，軸線與水平面的偏離程度先減小后增大，外徑面法向接觸力先增大后減小，而切向相對速度逐漸減?。欢嗣娣ㄏ蚪佑|力先減小后增大，而切向相對速度先增大后減?。浑S著d的增大，滾子活躍區域高度逐漸增大，軸線與水平面的偏離程度先減小后增大，外徑面法向接觸力先增大后減小，端面法向接觸力先減小后增大，外徑面及端面切向相對速度逐漸增大。實驗結果與仿真結果基本吻合。較優的容器尺寸為：α=10°，d=50 mm，加工后外徑面粗糙度由0.105 μm降至0.036 μm，端面粗糙度由0.150 μm降至0.057 μm，表面輪廓相對平整，劃痕基本去除。

關鍵詞：圓柱滾子；豎直振動；光整加工；容器尺寸；離散元法

中圖分類號：TH161

Influences of Size of “Reverse L-Container” on Effect of Vertical Vibration Superfinishing Rolling of Cylindrical Rollers

LIANG Zhenhua^1，3 LI Xiuhong^1，3* WANG Xingfu^1，3 LI Wenhui^2，3YANG Shengqiang^1，3 LIANG Zhiqiang^1，3

1.College of Mechanical and Vehicle Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，030024

2.College of Aeronautics and Astronautics，Taiyuan University of Technology，Jinzhong，Shanxi，030600

3.Shanxi Key Laboratory of Precision Machining，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，030024

Abstract： Through simulation and experiments， the influences of container sizes on the machining effectiveness of cylindrical rollers in vertical vibration superfinishing rolling processes were investigated. The relation among the dimensional parameters and the movement characteristics of rollers and the mechanical behavior of surface particles was analyzed with the angle α and size d of “reverse L-container” as variables. With the increase of α， the height of the roller active region decreased gradually， and the deviation degree between the axis and the horizontal plane decreases first and then increased. The normal contact force of the outer diameter surface increased first and then decreased， while the tangential relative velocity decreased gradually. The normal contact force decreased first and then increased， while the tangential relative velocity increased first and then decreased. With the increase of d， the height of the roller’s active region gradually increased， the deviation degree between the axis and the horizontal plane first decreased and then increased， the normal contact force of the outer diameter surface first increased and then decreased， the normal contact force of the end face first decreased and then increased， and the tangential relative velocity of the outer diameter surface and the end face increased gradually. The experimental results agree with the simulation results. The better container size：α=10°， d=50 mm， after processing， the outer diameter surface roughness value is reduced from 0.105 μm to 0.036 μm， the end surface roughness value is reduced from 0.150 μm to 0.057 μm， the surface profile is flat relatively， and the scratches are removed basically.

Key words： cylindrical roller; vertical vibration; finishing process; container size; discrete element method

0 引言

軸承是裝備制造業中應用廣泛的精密基礎件^［1］，對裝備的總體性能有著重大影響^［2-3］。圓柱滾子作為圓柱滾子軸承最關鍵、最薄弱的零部件^［1］，其表面質量嚴重影響到軸承的服役性能。目前，圓柱滾子外圓精密加工方法主要包括無心磨削^［4］、無心超精研^［5］、定心往復超精研^［6］、電化學機械復合光整加工^［7］、磁流體研磨^［8］和雙平面方式超精研拋^［9］等，中小型圓柱滾子端面多采用雙面磨床^［10］。軸承滾子精加工方法主要是磨削后再超精加工，表面質量受磨輪及導輪的影響較大，不易控制^［11］。隨著高端裝備的不斷發展，對圓柱滾子外徑面、端面及倒角進行大批量、全方位一致化加工已成為亟需解決的難題，除個別加工方法是環保因素及成本受限外，上述多數加工方法只能單一地對圓柱滾子外徑面、端面進行精加工。

滾磨光整加工可以突破上述加工方法的局限性，實現滾子表面全方位加工。滾磨光整加工將待加工工件置于盛有加工介質的容器中，容器受到外力作用產生一定的運動形式，顆粒介質以一定的作用力和相對速度對工件表面進行碰撞、滾壓、滑擦等以改善工件表面完整性^［12-13］，具有成本低、效率高、可引入殘余壓應力、綜合改善表面完整性等優點^［14］。韓銳等^［15］通過研究發現，水平強制振動光整加工TC4鈦合金試件不僅可以大幅降低試件表面粗糙度值，還可以引入更大的殘余壓應力，提高表面完整性。目前滾磨光整工藝已廣泛應用于圓柱滾子表面精密加工。WANG等^［16］對現有圓柱滾子表面拋光技術進行了全面評價，認為使用滾磨光整加工工藝，圓柱滾子自由放置在容器中，可以在不影響圓柱滾子工藝精度的情況下實現大批量、一致性加工。王曄等^［17］采用振動式滾磨光整加工圓柱滾子，外徑面粗糙度由0.038 μm降到0.028 μm，端面粗糙度從0.069～0.073 μm降到0.027～0.031 μm，對外徑面圓度基本無影響，可以實現倒角圓滑過渡。吳廣山等^［18］采用振動光飾加工圓柱滾子，加工前后對滾子形狀及幾何精度并不產生破壞，可大幅降低滾子表面粗糙度值，改善外觀。但由于將大批量滾子置于一個容器，故滾子之間難免發生磕碰，單件獨倉、多倉分布方法是解決這一問題的有效途徑，同時為保證多倉運動的一致性，本文提出了豎直振動多倉超精滾拋加工工藝，即將多個裝有顆粒介質、磨劑和工件的容器固定在振動平臺上，容器隨平臺振動，使得容器內顆粒介質對圓柱滾子表面產生獨特的力學行為，從而改善圓柱滾子表面質量，并采用離散元法（discrete element method， DEM）及加工實驗探究獨倉容器尺寸對滾拋效果的影響，優化工藝參數。

采用離散元法探究各工藝參數對滾拋效果的影響并指導加工已廣泛應用于滾磨光整加工之中^［19］，其基本原理是將散粒體分離成離散單元的集合，利用牛頓第二定律建立每個單元的運動方程，用動態松弛法迭代求解，該方法在分析離散特性的顆粒介質群體運動時具有明顯的優勢^［20］。WANG等^［21］采用離散元法探究水平振動下顆粒介質的運動行為，分析了不同頻率和振幅下顆粒介質流化的過程，結果表明增大振幅和頻率可以提高顆粒系統的流化程度。WANG等^［22］使用ADAMS和EDEM軟件耦合仿真方法對振動拋磨航空用盤類零件進行研究，將零件固定在容器內壁上，零件與內壁形成組合型腔影響顆粒流場特征，并在零件附近產生器壁效應，以提高加工效率。

混合顆粒物質在豎直振動過程中的分聚行為廣泛存在于生產和生活領域^［23］，采用豎直振動拋磨工藝對工件進行加工，若工件處于自由狀態，也可以視為一種“顆粒介質”，與加工選用的顆粒介質在質量、形狀及尺寸上存在較大差異，振動過程中，會出現大顆粒在上、小顆粒在下的“巴西果”現象，或者大顆粒在下、小顆粒在上的“反巴西果”現象^［24-25］。當出現“巴西果”現象時，圓柱滾子處于顆粒介質上部，此時顆粒介質排列疏松，能量耗散嚴重，加工效果較差；若出現“反巴西果”現象，圓柱滾子與下器壁碰撞，磕碰嚴重，影響加工效果。如何避免上述現象成為改善自由類零件豎直振動滾拋效果的關鍵。李睿等^［26］研究了混合顆粒材料中對流對顆粒分離行為的作用機制并發現：在受豎直振動的混合顆粒系統中，當發生對流時，重顆粒主要集中在對流圈的中心區域，輕顆粒主要集中在對流圈的外部。受到該現象啟示，本文的基本構形為基于矩形容器演變出的“反L形容器”，該容器以一定參數豎直振動時，迫使其內顆粒介質頻繁發生對流，進而調控圓柱滾子位置，避免出現“巴西果”及“反巴西果”現象，以改善加工效果。

振動滾拋工藝中，能量主要依靠容器器壁向內部顆粒介質群輸入^［27］，容器形狀及尺寸顯著影響顆粒介質流場特征。孔維姝等^［28］發現豎直振動中矩形容器寬度顯著影響對流強度。牛嘯等^［29］通過仿真及實驗探究矩形容器的尺寸參數對葉片滾拋效果的影響，確定較優的容器尺寸參數。KNIGHT^［30］通過實驗發現，豎直振動中增大矩形容器側壁傾斜角可以使對流反向。馮利東等^［31］探究了立式振動中容器結構對顆粒介質運動特性的影響，發現容器結構對顆粒介質流場特征的影響極大。

容器構形是實現宏觀流場創成和精準調控的重要手段之一^［32］。本文針對豎直振動超精滾拋工藝，采用工業上常用的激振參數（頻率25 Hz，振幅2 mm），基于離散元法探究“反L形容器”尺寸（下器壁角度α與上器壁高度d）改變后對圓柱滾子表面顆粒介質力學行為的影響，并結合圓柱滾子運動特征及顆粒介質流場特征加以分析，建立圓柱滾子表面顆粒介質力學行為與加工效果之間的聯系，選擇加工效果較優的容器尺寸，為圓柱滾子表面精密加工提供一種新的工藝方法。

1 豎直振動超精滾拋加工原理

豎直振動超精滾拋加工原理如圖1所示。加工裝置包括振動系統、控制器、功率放大器、容器、顆粒介質和圓柱滾子。圓柱滾子自由放置在容器中，容器在振動系統驅動下產生豎直方向的振動，使得顆粒介質對圓柱滾子表面產生獨特的力學行為，從而實現對圓柱滾子的光整加工。

2 EDEM-ADAMS仿真設置

2.1 三維仿真模型的建立及參數設置

采用豎直振動超精滾拋工藝加工圓柱滾子時，圓柱滾子在容器內自由放置，運動較為復雜，EDEM難以實現對其運動狀態的準確模擬。多體動力學軟件ADAMS具有良好的動力學分析優勢^［33］，故通過EDEM和ADAMS進行雙向耦合實現圓柱滾子運動的準確模擬。容器模型及尺寸如圖2所示，振動方向為Z向，即重力方向，定義容器沿Z向的尺寸為容器高度，沿X向的尺寸為容器寬度，沿Y向的尺寸為容器長度，并以容器尺寸α、d作為變量進行分析，容器尺寸變化見表1。

根據已有研究及加工案例，綜合考慮后選擇直徑3 mm的球形高鋁瓷作為加工介質^［34-35］。在EDEM中填充直徑為3 mm的球形高鋁瓷，圓柱滾子尺寸為12×14 mm，容器材料為尼龍，圓柱滾子材料為GCr15，容器、圓柱滾子及顆粒介質的本征參數和接觸參數見表2和表3^［36］。圓柱滾子初始放置于顆粒介質表面，軸線方向平行于X軸。在ADAMS中添加容器的運動，利用Co-simulation讀取配置文件并建立耦合關系，實現雙向耦合^［37］。EDEM模擬仿真中，采用Hertz-Mindlin（no slip）模型作為接觸模型。

2.2 EDEM仿真數據提取與處理

本文通過圓柱滾子運動特征及顆粒介質流場解釋滾子表面顆粒介質力學行為變化的原因，加工過程中，圓柱滾子埋入顆粒介質中，難以用有效手段測量其運動，故通過建立圓柱滾子表面顆粒介質力學行為與表面粗糙度、表面形貌之間的聯系來驗證理論模型。文獻［29，38］已經證明，工件拋磨效果由工件表面與顆粒介質間的接觸力及相對速度共同決定，接觸力及相對速度越大，顆粒介質與工件表面的相對作用就劇烈，粗糙度下降率越大，工件表面形貌越平整，而且接觸力占據主要因素。故本文在EDEM后處理模塊中提取滾子表面法向接觸力及與顆粒介質間切向相對速度，據此預測拋磨效果，為工藝參數優化提供支撐。

為保證仿真的準確性，仿真共進行10 s，圓柱滾子外徑面劃分4×6個，端面劃分2×12個與圓柱滾子表面接觸區域面積一致的數據塊，如圖3所示，提取圓柱滾子表面各區域2～10 s內的相關數據。

圖4為圓柱滾子表面接觸力及與顆粒介質間相對速度示意圖，圖中C為顆粒介質與滾子表面的碰撞位置。滾拋過程中，顆粒介質以一定的相對速度vr撞擊到滾子表面，產生一個碰撞力f，使得滾子表面產生彈性及塑性變形，改變滾子表面的微觀幾何形狀和物理性能^［12］，隨后在反作用力下以相對速度v′r遠離滾子表面。圖中fn為法向接觸力，vrt及v′rt為顆粒介質與圓柱滾子間切向相對速度，仿真提取的是上述參數的平均值。

2.3 圓柱滾子運動的表征參數

2.3.1 圓柱滾子高度

在豎直振動超精滾拋工藝中，能量主要從容器底部輸入，向上傳遞，并逐漸衰弱。容器構形不變，輸入能量一定時，圓柱滾子越靠近容器底部，其與顆粒介質間的相互作用越劇烈，且圓柱滾子主要沿著高度方向運動，故有必要對圓柱滾子在容器內高度hm變化進行研究。圖5展示了圓柱滾子及容器各點位置，點O為坐標原點，即固定點，點N為容器內部最低點，點m及點1分別為圓柱滾子質心及端面圓心。圓柱滾子高度hm計算公式為

hm（t）=Zm（t）-ZN（t）（1）

式中：hm（t）為圓柱滾子質心在t時刻的高度，mm；Zm（t）、ZN（t）分別為點m、N在t時刻相對于原點O沿Z軸坐標，mm。

2.3.2 圓柱滾子軸線與水平面偏離程度

在豎直振動超精滾拋工藝中，顆粒介質沿著豎直方向速度遠大于水平方向速度，圓柱滾子主要受到顆粒介質豎直方向的沖擊。當滾子處于圖5所示位置時，圓柱滾子軸線與水平面夾角為θ，計算公式為

θ（t）=180πarcsin（Zm（t）-Z1（t）7）（2）

式中：θ（t）為t時刻圓柱滾子軸線與水平面的夾角，°；Z1（t）為點1在t時刻相對于原點O沿Z軸坐標，mm。

此時外徑面受到豎直方向沖擊的面積S1=DL|cos θ|（D為圓柱滾子直徑，L為圓柱滾子長度），端面受到豎直方向沖擊的面積S2=πD2|sin θ|/4，θ絕對值越大，外徑面受到豎直向沖擊面積越小，法向接觸力越小，切向相對速度增大；端面受到豎直向沖擊面積越大，法向接觸力增大，切向相對速度減小。為衡量軸線與水平面的偏離情況，定義軸線與水平面偏離程度l（單位為（°）·s）進行定量化描述， l的計算公式為

l=∫^t2t1|θ（t）|dt（3）

式中：t1、t2分別為起始時刻與終止時刻，為與上文中提到的法向接觸力及切向相對速度對應，t1=2 s，t2=10 s。

3 仿真結果分析

3.1 流場分析

圖6為容器尺寸α=10°、d=50 mm時，顆粒介質一個運動周期的速度矢量圖，圓柱滾子及顆粒介質的運動可以描述如下：圓柱滾子在高度hm=50 mm左右及靠近容器左側壁區域活動；容器內顆粒介質群豎直方向速度遠大于水平方向速度；顆粒介質在上下器壁及回流顆粒群的作用下頻繁發生對流運動，容器內絕大部分顆粒介質參與了對流運動。

3.2 圓柱滾子高度

圖7為2～10 s內圓柱滾子高度分布圖，其高度服從正態分布，由圖7a可知，隨著α的增大，圓柱滾子活動區域逐漸縮小，且活躍區域高度逐漸降低。這是由于當α增大時，下器壁面積增大，輸入到顆粒介質群的能量更多，容器內顆粒介質更為活躍，顆粒介質排列愈發疏松，而在顆粒排列緊密的情況下，當大顆粒向上移動產生孔隙時，其周圍小顆粒能夠在下部通過重新組合形成一個新的穩定結構而阻止大顆?；芈?sup>［^40］，故圓柱滾子活躍區域高度逐漸降低。圓柱滾子活動區域越大，代表它其受顆粒介質的作用就越激烈，同時為避免圓柱滾子與上器壁過度碰撞，其活動區域應靠近容器上部（高于50 mm），據此α在0～10°時可在實現圓柱滾子高效加工的同時，避免過度碰撞。圖7b顯示圓柱滾子活躍區域高度隨著d的增大逐漸增大，這是由于容器內顆粒介質對流中心的位置隨著d改變，而圓柱滾子位置隨著對流中心位置變化而改變，與李睿等^［26］在混合顆粒材料中對流對顆粒對流對顆粒分離行為的作用機制研究中發現的現象一致：在受豎直振動的混合顆粒系統中，當發生對流時，重顆粒主要集中在對流圈的中心區域，輕顆粒主要集中在對流圈的外部。

3.3 軸線與水平面偏離程度

圖8a所示為α改變時圓柱滾子軸線與水平面的偏離程度，當圓柱滾子位置出現在容器下方位置（hm為34～50 mm）次數較多且越靠近顆粒介質群表面時，圓柱滾子軸線與水平面的偏離程度越大，故α=30°時偏離程度最低。圖8b所示為尺寸d變化時軸線與水平面的偏離程度，當d增大時，圓柱滾子位置越靠上，距離容器下器壁越遠，

受到顆粒介質的沖擊越小，滾子運動的劇烈程度降低，軸線與水平面偏離程度降低，d=50 mm時，軸線與水平面偏離程度達到最低，隨著d繼續增大，圓柱滾子位置愈發靠上，而上層顆粒介質群排列疏松，對圓柱滾子運動的限制較少，圓柱滾子運動更為劇烈，故軸線與水平面的偏離程度增大。

3.4 圓柱滾子表面顆粒介質力學行為

圖9a所示為α改變后圓柱滾子表面法向接觸力及與顆粒介質相對切向速度的變化情況，隨著α的增大，外徑面法向接觸力先增大后減小，在α=10°時達到最大。α=0°時，軸線與水平面的偏離程度較大，故外徑面與顆粒介質的法向接觸力較小，隨著α的增大，容器下部體積減小，顆粒之間的碰撞愈發頻繁，增大了能量損耗，α=10°之后，隨著α的增大，外徑面接觸力減小。圓柱滾子端面法向接觸力和軸線與水平面的偏離程度變化趨勢高度一致，雖然α=40°時，軸線與水平面的偏離程度最大，但是由于能量損耗嚴重，故其端面法向接觸力相對較小。α=30°及α=40°時，容器下部體積小，顆粒之間的碰撞較為頻繁，故顆粒介質與圓柱滾子間的切向相對速度較低，α為10°～30°時，外徑面與顆粒介質切向相對速度變化趨勢和軸線與水平面的偏離程度一致，端面與顆粒介質切向相對速度的變化趨勢與之相反，主要受圓柱滾子在顆粒介質群中姿態的影響。

圖9b所示為d改變后圓柱滾子表面法向接觸力及與顆粒介質相對切向速度的變化情況，當圓柱滾子在容器內愈發靠近上部或下部時，軸線與水平面的偏離程度越大，故當d增大時，外徑面法向接觸力先增大后減小，在d=50 mm時達到最大；端面法向接觸力先減小后增大，在d=50 mm時最小。由圖7b可以看到，隨著d的增大，圓柱滾子越靠近容器上部，容器上部顆粒介質疏松，運動幅度較大，則端面及外徑面與顆粒介質的相對切向速度越大。由于d=50 mm時，軸線與水平面的偏離程度較小，其外徑面切向相對速度相對于d=40 mm時有小幅減小。

據仿真結果，容器尺寸α=10°時圓柱滾子外徑面加工效率最高，α=20°時端面加工效率最高；d=50 mm時外徑面加工效率最高，d=70 mm時端面加工效率最高。但是外徑面作為圓柱滾子主要工作面，故以外徑面加工效果作為主要評價指標，確定采用豎直振動超精滾拋工藝加工圓柱滾子的較優容器尺寸為：α=10°，d=50 mm。

4 實驗驗證

4.1 實驗條件

為了選出對圓柱滾子加工效果較優的容器尺寸參數并對離散元仿真結果進行驗證，在蘇試DC-5000-50振動臺上進行加工實驗，測試激振參數為25 Hz、2 mm時不同容器尺寸下圓柱滾子的加工效果。實驗測試系統及加工組件如圖10所示，容器采用白色尼龍3D打印制作，蓋板及底板的材料為亞克力，容器與蓋板、底板及底板與振動臺之間通過螺栓連接。顆粒介質選用直徑3 mm的高鋁瓷球，填充高度70 mm，磨劑為HYF，并加入適量研磨粉，對顆粒介質潤濕處理，每隔90 min潤濕磨料一次。實驗所使用的圓柱滾子尺寸為12 mm×14 mm，材料為GCr15，外徑面經過油石超精研加工，初始粗糙度Ra為（0.096±0.08）μm；端面經過磨削加工，初始粗糙度Ra為（0.16±0.025）μm。

4.2 測試方法

采用馬爾M300粗糙度儀測量加工前后圓柱滾子表面粗糙度值，上下端面各取4個測試位置作為測試點，外徑面沿著素線均勻選取3個點，繞著圓周位置每隔90°選4條素線，共計12個點作為測試點，每隔90 min進行測試，并取平均值作為圓柱滾子表面的粗糙度值。為了減小圓柱滾子表面初始粗糙度值不同所造成的影響，使用粗糙度下降率ΔRa來表征加工效果，計算公式為

ΔRa=Ra0-RatRa0（4）

式中：Ra0為加工前圓柱滾子表面粗糙度，μm；Rat為加工時間t（單位min）后圓柱滾子表面粗糙度，μm。

采用OLYMPUS超景深三維顯微鏡測試并對比加工前后圓柱滾子表面形貌。

4.3 實驗結果與分析

在不同容器尺寸下分別加工圓柱滾子9 h，記錄圓柱滾子外徑面及端面粗糙度值變化。圖11所示為不同尺寸容器內圓柱滾子表面粗糙度下降率隨時間的變化，圓柱滾子外徑面粗糙度下降速率隨著α的增大先增大后降低，在α=10°時達到最大，端面粗糙度下降速率在α=20°時達到最大；與仿真結果進行對比后發現，粗糙度變化與圓柱滾子表面法向接觸力變化趨勢一致，滾子表面法向接觸力越大，顆粒介質對滾子表面的作用就愈發劇烈，波峰波谷去除明顯，滾子表面粗糙度下降速率越快。隨著d的增大，外徑面粗糙度下降速率先升高后降低，d=50 mm時最大，對比圖9，粗糙度變化與外徑面法向接觸力的變化趨勢一致；隨著d的增大，端面粗糙度下降速率逐漸增大，與仿真中端面顆粒介質力學行為比對，雖然在d較小時，端面法向接觸力較大，但是它與顆粒介質間切向相對速度較小，難以造成表面材料的去除，因此其表面粗糙度下降速率相對較低，d=50 mm之后，端面法向接觸力及與顆粒介質間的切向相對速度隨著d的增大而增大，顆粒介質對端面的加工能力增強，粗糙度下降速率增大。

綜上，仿真與實驗結果一致性較好，采用EDEM-ADAMS耦合仿真可以較好地預測滾子拋磨效果，為工藝參數優化提供支撐。最終確定豎直振動超精滾拋加工中較優的容器尺寸為：α=10°，d=50 mm，加工用顆粒介質為直徑3 mm的高鋁瓷球，填充高度70 mm，外徑面粗糙度由0.105 μm降至0.036 μm，下降率為65.7%；端面粗糙度由0.150 μm降至0.057 μm，下降率為62.0%。

圖12及圖13所示分別為加工效果較優的容器（α=10°，d=50mm）滾拋前后圓柱滾子表面微觀形貌和三維形貌，滾拋前，外徑面三維形貌呈現溝壑狀且存在著大量粗大的劃痕；滾拋后，外徑面粗大的劃痕數量顯著減少，表面形貌得到明顯改善，取而代之的是一些細小的劃痕，表面形貌呈現出各向同性；滾拋前端面存在一些粗大的劃痕及凹坑，滾拋后粗大的劃痕基本消失，只遺留部分較深的凹坑，且凹坑深度明顯降低，端面表面形貌得到了極大改善。

5 結論

本文提出了一種振動式多倉超精滾拋加工方法，實現了圓柱滾子大批量、全方位加工。以豎直振動超精滾拋加工中“反L形容器”的尺寸作為變量進行單因素仿真實驗，研究了不同水平組合下圓柱滾子的運動特征，圓柱滾子表面法向接觸力及與顆粒介質的切向相對速度，并通過加工實驗進行驗證。得出的結論如下：

1）圓柱滾子在容器內的運動受容器尺寸的影響：隨著角度α的增大，圓柱滾子活躍區域高度逐漸降低，軸線與水平面的偏離程度在α=30°時最??；隨著角度d的增大，圓柱滾子活躍區域高度逐漸增大，軸線與水平面的偏離程度先降低后增大。

2）振動過程中顆粒介質對圓柱滾子表面的力學行為受容器尺寸的影響：外徑面法向接觸力及端面切向相對速度隨著α的增大先增大后減小，端面法向接觸力在α=30°時最小，α=0°時最大；隨著d的增大，外徑面法向接觸力先增大后減小，d=50 mm時最大，端面法向接觸力先減小后增大，d=50 mm時最小，外徑面及端面切向相對速度隨著d的增大而增大。

3）通過仿真及加工實驗最終確定容器較優尺寸參數：α=10°，d=50 mm。在該參數下，圓柱滾子在加工9 h后，外徑面粗糙度由0.105 μm降至0.036 μm，端面粗糙度由0.150 μm降至0.057 μm，表面輪廓相對平整，劃痕基本去除。

4）采用振動式超精滾拋加工方法加工圓柱滾子可以同時加工到外徑面、端面及倒角，實現圓柱滾子全方位加工，簡化圓柱滾子光整加工的工藝流程；采用多倉分布可以實現圓柱滾子大批量加工，進而實現圓柱滾子高效滾拋。

5）豎直振動超精滾拋工藝通過具有離散性質的顆粒介質與工件的相互作用實現材料去除，可用于超精加工復雜曲面零件，特別適用于具有凸度的曲面，以及球面、對數曲線型等特殊形狀的圓柱滾子及球形滾珠的超精加工。

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（編輯 陳 勇）

基金項目：國家自然科學基金（51975399，51875389）；中央引導地方科技發展基金（YDZJSX2022A020，YDZJSX2022B004）

作者簡介：

梁振華，男，1997年生，碩士研究生。研究方向為精密零件表面光整加工。

李秀紅*（通信作者），女，1972年生，教授、博士研究生導師。研究方向為精密零件表面光整加工。E-mail：xhli7489@sina.com。

本文引用格式：

梁振華，李秀紅，王興富，等.“反L形容器”尺寸對圓柱滾子豎直振動超精滾拋效果的影響［J］. 中國機械工程，2025，36（3）：444-454.

LIANG Zhenhua， LI Xiuhong， WANG Xingfu， et al. Influences of Size of “Reverse L-Container” on Effect of Vertical Vibration Superfinishing Rolling of Cylindrical Rollers［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（3）：444-454.