超声振动辅助磨削技术的现状与新进展

梁志强，王西彬，吴勇波，栗勇，赵文祥，庞思勤

(1.北京理工大学 先进加工技术国防重点学科实验室，北京100081;2.秋田県立大学 系统科学技术学部，秋田290014，日本)

随着科技的发展对硬脆性材料、难加工材料和新型先进材料的需求日益增多，对关键零件的加工效率、加工质量和加工精度提出了更高的要求。传统磨削方法因不可避免的产生较大的磨削力以及磨削热，引起工件表面/亚表面损伤以及砂轮寿命低等一系列问题。尤其在精密与超精密加工领域，这些加工缺陷的存在严重制约着零件加工精度及加工效率的提高。为解决这些问题，超声振动被引入到磨削加工中。国内外广泛研究证实超声振动磨削在提高材料去除率、提高加工表面质量与加工精度、降低工件表面损伤以及延长砂轮寿命等方面具有显著优势。

一维超声振动磨削技术较早应用到工业领域，近年在超精密加工领域，日本和中国的学者又相继提出了2 种不同类型二维超声振动磨削技术，研究证实它们具有比一维振动磨削技术更优越的加工性能。作为最新的研究成果，开发了一种新型垂直型椭圆振动磨削技术。综述3 种一维超声振动磨削技术以及2 种二维超声振动磨削技术的典型加工特点，在此基础上对新型垂直型椭圆超声振动磨削技术的基本原理以及加工特性进行初步介绍。

1 超声波辅助磨削技术研究现状

目前超声振动磨削技术各种类型如图1所示，其中一维超声辅助磨削技术可归结为3 类:砂轮轴向振动磨削;砂轮径向振动磨削;砂轮切向振动磨削。二维振动磨削技术有2 类:1)平行于工件平面的二维振动磨削，即对工件同时施加砂轮切向和砂轮轴向的超声振动;2)平行于砂轮端面的二维振动磨削，即对工件或砂轮施加砂轮切向和砂轮径向的超声振动。

图1 不同类型的超声振动辅助磨削技术Fig.1 Different types of UAG

1.1 一维轴向超声波辅助磨削技术

表面光洁度对产品的使用性能与寿命有重要影响。为了达到高生产率和高表面质量，通常采取同时增加工件进给速度以及砂轮磨削速度的方法。Wang 等证实工作台进给速度与砂轮转速对垂直于磨削方向的粗糙度影响较小，并且表面粗糙度主要由垂直方向粗糙度决定［1］，通过改变加工参数方法很难显著降低垂直方向表面粗糙度。轴向超声振动被应用到工件或者砂轮上，能够同时减小平行与垂直方向的粗糙度，从而有效提高表面质量。很多学者对轴向振动磨削的材料去除机制进行了深入的研究。Denkena 研究发现在轴向振动磨削过程中，砂轮轴向分布的不同磨粒对工件起重复研磨作用，从而能获得高质量加工表面。此外还指出使用普通磨粒粒径大小的砂轮进行超声波磨削时，超声波辅助作用对表面质量不会有积极影响［2］。

Tawakoli 开发了一种干式轴向超声振动磨削42CrMo4技术，试验证实表面粗糙度提高，法向磨削力和热损伤显著降低。其指出超声振动促使磨粒产生断续切削作用，而冲击载荷促使工件材料更容易卷积，在切削区生成较多的微观裂纹扩展，促使磨削力以及摩擦系数减小，导致材料塑性变形减小。材料的塑性变形主要发生在划擦和犁削作用阶段，由于垂直于切削方向的超声振动促使划擦和犁削比例相对减小，从而比磨削能减小，表面热损伤也显著降低［3］。

1.2 一维径向超声波辅助磨削技术

径向超声振动磨削在提高加工效率以及改善砂轮使用性能等方面具有显著优势。Mult 等对烧结氮化硅以及氧化铝陶瓷进行径向超声磨削试验，发现磨削力大幅度减小以及材料去除率显著增加，同时伴随着粗糙度的轻轻增加以及砂轮磨损加剧［4］。法向磨削力减小的主要原因归结为超声振动的工件与磨粒切削刃发生断续接触，减少了实际接触时间，有效降低了摩擦系数。砂轮磨损的增加是由于较低的摩擦力以及热载荷作用，磨粒整体脱落数量减少而单颗磨粒的微观脆性断裂增加所致。粗糙度的轻微增加可能是由于同时发生切削作用的有效磨粒切削刃数量增加以及工件表面塑性变形减小所致。磨粒与工件的有效接触路径增长促使材料去除率增加。图2表明单颗磨粒的运动轨迹，在磨粒一次切削周期内，磨粒切削刃比普通磨削更早的切入以及更晚地脱离工件表面，这增长了脉冲作用周期，增加了接触压力，由此产生了更多材料微观断裂，促使材料去除率增加［4］。

图2 径向超声振动磨削单颗磨削轨迹［4］Fig.2 Single grain path in vertical UAG［4］

Uhlmann 通过单颗磨粒划擦试验，分析了先进陶瓷径向振动磨削的表面形成机制。图3证实超声辅助改变了磨粒加工运动轨迹，导致磨粒与工件的断续接触，得到断续切削沟槽［5］。Qu 指出径向振动磨削的最大未变形切屑厚度远大于普通磨削的切屑厚度，从而比磨削能会大幅度降低［6］。Qu 等还证实当磨削速度与振动频率的比值较小时，超声振动对表面裂纹扩展的阻碍作用显著［7］。

图3 有无超声振动的陶瓷材料划擦沟槽显微照片［5］Fig.3 Micrographs of scratches on different ceramics with and without vertical ultrasonic［5］

1.3 一维切向超声波辅助磨削技术

尽管对刀具施加平行于切削方向的超声振动切削技术已被广泛应用，但是对于振动方向平行于砂轮切向的一维切向振动磨削，其应用具有一定的局限性，一般仅适合在较大的振动振幅以及较小的砂轮速度的条件下应用。原因在于其材料的去除主要是利用切削刃与工件材料的周期分离作用，而在较高的砂轮速度下工件振动的最大速度小于砂轮线速度则不会发生切削刃与工件的分离，此时超声振动对加工作用的影响将不显著。研究者对切向振动低速磨削与其他振动磨削加工进行了对比试验研究。

田中行雄等研究了砂轮轴向、径向、切向3 种方向超声振动对不锈钢工件材料去除率的影响，证实无论哪种方向的超声振动，材料去除率都增加;在振动速度与砂轮速度比值较大的场合，适宜用轴向超声振动磨削;在速度比较小的场合，用径向振动磨削更有利;对于切向振动磨削材料去除率的增加不显著［8］。田中行雄等进一步研究了超声振动方向以及振动速度与砂轮线速度之间比值大小对磨削加工表面形貌的影响。图4为不同振动方向下单颗磨粒的运动轨迹以及对应的磨削加工表面形貌。当超声振动与砂轮的速度比增大时，轴向振动磨削的磨粒左右摆动的最大几何倾斜角增加，从而导致表面粗糙度增加;对于切向振动磨削，砂轮旋转一周时单颗磨粒对工件上同一点的重复切削次数增加，也将导致表面粗糙度的增加。对于径向振动磨削，当振动振幅以及砂轮线速度增大时表面粗糙度增大。对比不同振动加工条件下的加工表面形貌，轴向超声振动的截面轮廓曲线较光滑并且表面粗糙度较［9］。

张洪丽从几何运动学角度建立了单颗磨粒的切削模型，证实切向超声振动辅助磨削可以得到更短的切屑，更长的切削路径［10］。任升峰等对Nd-Fe-B永磁材料进行研究表明径向超声振动使法向磨削力降低最明显，材料去除率最高而表面质量较差;切向超声振动磨削使法向磨削力有所降低，表面质量较高，但会使切向磨削力急剧升高，导致磨削力比达到了磨削加工塑性金属材料的程度［11］。

图4 超声振动磨粒运动轨迹与加工表面形貌［8-9］Fig.4 Single grain paths and micrographs of ground surface［8-9］

1.4 二维超声波辅助磨削技术

日本的铃木清等(1998)开发了一种超声波椭圆振动磨削技术，将金刚石磨粒电镀在椭圆振动超声波马达的定子表面制成椭圆振动砂轮，结构如图5所示。

图5 超声波椭圆振动砂轮结构图［12］Fig.5 Structure of ultrasonic elliptical grinding wheel［12］

砂轮椭圆振动的工作原理如图6所示，当具有一定相位差的两交流电压信号输入到压电陶瓷的两个电极上时磨粒产生椭圆振动。磨削加工时砂轮作旋转运动以及垂直进给运动，工件在工作台水平面作平移运动，此加工方法在本质上是砂轮切向振动与径向振动复合的磨削方法［12-13］，与图1(e)类似。

图6 椭圆振动砂轮工作原理［12］Fig.6 Working principle of elliptic ultrasonic grinding wheel［12］

图7表明不同振动条件下磨粒相对工件的运动轨迹。当磨削线速度方向与椭圆振动旋转方向相反时定义为增速磨削方向;当磨削线速度方向与椭圆振动旋转方向相同时为减速磨削方向。铃木清等对单晶硅材料进行磨削试验，研究结果表明:椭圆振动磨削的磨削力大幅度降低;对于法向磨削力，增速磨削的减少率比减速磨削大，而对于切向磨削力，减速方向的减少率更大;材料去除率显著增加，并且随着砂轮转速的降低而增加;与普通磨削相比，粗糙度没有明显改变，加工表面龟裂较少，形成比较均一的微观断裂表面。由于该方法主要利用在较低磨削速度下磨粒切削刃加速度反转以及摩擦力反转的加工原理，因此限制了其在较大的砂轮线速度条件下的应用。

图7 单颗磨粒的运动轨迹［13］Fig.7 Single grain path［13］

赵波等(2006)开发了能显著提高加工表面质量的二维超声振动辅助磨削技术。该技术利用2 个互相垂直放置的压电陶瓷换能器，对工件同时施加砂轮切向及轴向的超声振动，其原理与图1(d)类似。磨粒相对于工件的运动轨迹为椭圆回转形状，如图8所示。对纳米氧化锆陶瓷的磨削试验结果证实，超声振动磨削的表面质量明显提高，粗糙度可减小30%～40%，磨削力减小20%～30%，砂轮的使用寿命提高，材料去除率提高并且二维超声振动磨削能够增加延性域切削深度，能够实现陶瓷材料的精密加工［14］。

图8 磨粒与工件的相对运动轨［14］Fig.8 Grain path relative to workpiece［14］

2 最新进展

综合考虑不同类型超声波辅助磨削技术加工特点可知，一维轴向超声振动磨削关注的焦点在于加工表面质量的显著提高;一维径向超声辅助磨削关注的焦点在于加工效率的大幅度提高。二维振动磨削技术充分利用了一维振动磨削的特点，具有优越的综合加工性能，但是其仍存在一定的应用局限和使用要求。平行于砂轮端面的二维振动磨削，材料加工效率显著提高但是表面粗糙度没有明显变化，加工过程中使用磨削速度较低，这在一定程度上限制了该技术的广泛应用。平行于工件平面的二维超声辅助磨削技术，在加工效率以及加工质量等诸多方面表现了优异的性能，但是该技术要求满足一定的条件才能充分发挥超声波振动磨削的优点，即需综合调整加工参数使磨粒一个振动周期所用的时间小于磨粒切入切出工件所用的时间，从而保证磨粒在磨削过程中与工件材料发生分离［15］。

为进一步发挥超声振动磨削技术的优势，开发了一种垂直型椭圆振动磨削技术，即砂轮径向与砂轮轴向超声振动复合磨削加工技术［16-19］。其显著特点为磨削过程中单颗磨粒相对工件的加工运动轨迹为空间螺旋线。在与磨削方向垂直的平面内磨粒存在正交的2 个方向的超声振动，其原理如图9所示。径向振动的作用，使磨粒的切削深度呈周期性改变，磨粒的最大磨削深度增加，并且伴随发生磨粒与工件的周期分离现象，磨削刃作用时间变短，摩擦系数大幅度降低，从而促使磨削力大幅度减小，材料去除率显著增大。由于轴向振动的作用，不同磨削刃的切削轨迹互相干涉而产生重复研磨作用，使磨削沟槽的尺寸变宽变浅，同时由于磨粒巨大的加速度冲击作用，减少了材料的加工塑性变形，比磨削能降低，表面热损伤以及变质层厚度减小，从而能够显著提高表面质量。

图9 垂直型椭圆振动磨削原理示意Fig.9 Sketch of vertical elliptical UAG

该技术由图10所示的装置实现，椭圆振子经测力计被固定在平面磨床工作台的电磁吸盘上。椭圆超声振子由压电陶瓷块与金属弹性体(SUS304)粘合制成。在保证振子一阶伸缩模态以及二阶弯曲模态的频率一致或接近同时满足振子刚度要求的条件下，利用有限元分析以及压电陶瓷分析软件，确定了超声振子的结构与尺寸［18］。由波函数发生器输出2 个相位差为ψ 的交流电压信号，经功率放大器放大后，施加到压电陶瓷的2 个电极(A，B)上。当输入的电压频率接近或等于振子2 个振动模态的频率时，振子将产生弯曲和伸缩振动，其运动的合成即为椭圆运动。当工件粘贴在振子顶端面时，工件随着椭圆振子作椭圆超声振动。采用主要由激光多普勒振动计(精度为0.01 μm)(LV-1610 by Ono Sokki Co，Ltd)以及速度矢量合成转化器(Ono Sokki Co，Ltd)组成的系统测量椭圆振动的振幅［18］。

当输入电压频率为21.95 kHz，相位差ψ 为90°时，弯曲振动振幅Ab为0.22 μm 和伸缩振动振幅Al为0.25 μm.分别用单晶硅(晶面为100)以及超硬材料蓝宝石晶体作为加工工件，采用粒度为400 的树脂结合剂金刚石砂轮(SDC400N 180 ×15 ×75)进行磨削试验，获得试验结果证实磨削力降低可达30%，表面粗糙度降低达到20%，并且加工表面较为光滑，表面光洁度显著提高［18-19］。这表明椭圆振动磨削技术在提高加工效率和表面质量方面具有更好的综合加工性能。

图10 超声椭圆振动磨削系统工作原理Fig.10 Principle of vertical elliptical UAG

3 结论

详细分析3 种不同振动方向的一维振动磨削技术以及2 种二维超声振动磨削技术的加工特性;阐述不同类型超声振动对磨削力、表面形貌、砂轮性能等方面的影响。对最新提出一种垂直型椭圆振动磨削技术的加工原理以及基本加工特性进行了初步介绍。该技术为硬脆性材料的高效率高质量加工提供了一种新的技术途径。

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