超声振动辅助磨削技术的现状与新进展

第31卷第11期2010年11月兵工学报ACTA ARMAMENTARIIVol．31No．11Nov．2010超声振动辅助磨削技术的现状与新进展梁志强1，2，王西彬1，吴勇波2，栗勇1，赵文祥1，庞思勤1（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）摘要：如何实现硬脆性材料的高效率、高质量、高精度加工是现代精密制造领域的技术难题，为解决这一难题超声波振动磨削技术被引入到硬脆性材料的加工中。

综述了超声振动磨削技术的现状，基于现有的一维振动磨削与二维振动磨削技术，着重分析了不同超声振动施加方式对磨削力、加工表面完整性、砂轮磨损等加工特性的影响。

作为二维振动磨削技术的最新进展，对垂直型椭圆振动磨削技术的加工原理以及加工特性进行初步介绍。

关键词：机械制造工艺与设备；超声辅助磨削；椭圆振动；硬脆材料；磨削力；粗糙度中图分类号：TG156文献标志码：A 文章编号：1000-1093（2010）11-1530-06Status and Progress of Ultrasonic Assisted Grinding TechniqueLIANG Zhi-qiang 1，2，WANG Xi-bin 1，WU Yong-bo 2，LI Yong 1，ZHAO Wen-xiang 1，PANG Si-qin 1（1．Key Laboratory of Fundamental Science for Advanced Machining ，Beijing Institute of Technology ，Beijing 100081，China ；2．Faculty of Systems Science and Technology ，Akita Prefectural University ，Akita 290014，Japan ）Abstract ：In current precision machining field ，there is a critical problem to achieve high efficiency ，high-quality and high-precision machining for hard brittle material．Based on this background ，the ultra-sonic assisted grinding machining is widely introduced as a promising processing technology．In this pa-per ，the machining characteristics ，especially grinding forces ，ground surface integrality and wheel wear ，of both one-dimensional and two-dimensional ultrasonic assisted grinding techniques are analyzed．As a new progress ，the principle and fundamental characteristics of vertical elliptical ultrasonic assisted grind-ing method are introduced．Key words ：machinofacturing technique and equipment ；ultrasonic assisted grinding ；elliptical vibra-tion ；hard brittle material ；grinding force ；surface roughness 收稿日期：2009－11－13基金项目：国家自然科学基金资助项目（50935001）；国防科研资助项目（62301090103）作者简介：梁志强（1984—），男，博士研究生。

E-mail ：liangdjx@yahoo．com ；王西彬（1958—），男，教授，博士生导师。

E-mail ：cutting0@bit．edu．cn 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第11期超声振动辅助磨削技术的现状与新进展相继提出了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。

Uhlmann通过单颗磨粒划擦试验，分析了先进兵工学报第31卷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．3Micrographs 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］。

第11期超声振动辅助磨削技术的现状与新进展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。

兵工学报第31卷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。

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