振动研磨材料去除机理研究

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中国机械工程第 20 卷第 5 期 2009 年 3 月上半月
用的砂纸研磨装置如图 1 所示。工件安装在加工 中心主轴上, 并由机床主轴驱动。由加载装置施 加恒定压力, 而砂纸则固定在工作台上。
( a) 单一方向模式
图 1 试验装置外观图
工件可实现单一方向或垂直交叉方向进给。 试验条件见表 1。
幅下 M 、 L 、 之间的关系。 从图 13 中可知, 振 幅的提高 , 对应的材料去除率增加率 和材料去 除量增加率 M 也随之提高, 并且相对于加工长 度增加率 L 来说 , 对 M 的影响占主导地位, 也就是说材料去除率的增加是材料去除量增加的 主要因素。 为了进一步分析材料去除率增加的原 因, 我们对磨粒运动轨迹的影响进行了探讨。
2
材料去除率
1
=
2
=
=
1
1
加工长度
L1 =
L 2 的求解同 式 ( 4) 中的 L
L =
L2- L1 L1wk.baidu.com
( a) f = 0, a= 0
图 6 所示为采用 120 号砂带时, 各种振动参 数对材料去除量 M 、 材料去除率 的影响。当振 动频率和幅度增大时, M 和 的值都得到相应增 大。如在频率 f = 15H z 和振幅 a = 2m m 的情况 下, 加工 83s 后 , 材料去除量、 材料去除率分别是 无振动情况下的 1 5 倍和 1 4 倍。图 7 所示为采 用 240 号砂带时 M 、 和 f 的关系试验曲线。被 加工表面的光学微观照片如图 8 所示 , 同样地也 能观察到交叉切削痕迹。
表1
工件材料 砂纸材料 进给速度 ( mm / min) 加工长度 ( m m)
平面交叉研磨试验条件
A 2017B 铝合金 W A 40 300 80, 120, 160
( b) 垂直交叉方向模式 图 3 工件表面微观 图
加工长度对材料去除量的影响如图 2 所示。 垂直交叉方向模式下的材料去除量明显大于单一 方向模式下的材料去除量。但不管是垂直交叉方 向模式还是单一方向模式 , 材料去除量都随着加 工长度的增大而增大。被加工表面的光学微观照 片见图 3, 从图 3 中能够很清楚地观察到垂直交 叉方向模式下被加工表面的交叉切削痕迹。
艺被广泛引入到各种磨粒加工中, 如振动磁力研 磨加工 、 振动磨削 加工
[ 4] [ 1] [ 2]
、 振动砂带研磨 、 超声波
[ 5 7]
[ 3]
等。迄今为止的研究结果
表明, 振动研
磨工艺能提高材料去除率和降低表面粗糙度, 并 且在游离磨粒加工过程中 , 振动还有利于增加磨 粒相对之间的滚动、 滑动以及磨粒搅拌效果。而 以往大部分的研究都没有探讨振动研磨的加工机 理。文献 [ 8 9] 证实了振动研磨可增大单位长度 内材料去除量( 即材料去除率 ) 和磨粒切削轨迹的 长度 , 并且材料去除量提高的主要因素是材料去 除率的增大。但是对于材料去除率的增加机理还 没有进行深入探讨。 在振动研磨 过程中, 由于振动 频率、 切削速 度、 加工轨迹以及工件与磨粒之间的相对运动等 参数受到工件振动的影响而呈现周期性的变化,
外圆砂带振动研磨试验条件
材料 C360 黄铜 27 35
1. 2
外圆砂带振动研磨 图 4 和图 5 分别为外圆砂带振动研磨装置的
原理图和外观图。砂带通过马达驱动装置实现低 速进给。试验 采用 的圆柱 形工 件 ( 材 料为 黄铜 C3601) 可高速转动, 并同时振动。振动装置采用 电磁激振器, 通过连接轴带动工件实现与砂带进 给方向相垂 直的低 频振动。试验 分别使 用 120 号、 240 号砂带。试验条件见表 2。 为了验证辅助振动的影响, 我们着重研究了 材料去除率
图 4 外圆砂带振动研磨装 置原理图
图 5 外圆砂带振动研磨装 置外观图 图 2 两种加工模式对材料去除量 的影响 表2
工件 尺寸 ( mm 材料 砂带 尺寸 ( m m) 工件角速度 ( rad/ min) 加工时间 ( s) 砂带拉力 ( N ) 工件 振动参数 振幅 ( m m) 频率 ( Hz ) mm)
0
式中 , v Rx 为单颗磨粒的切削速度 x 方向的大小 ; t 为时间 ;
0
为初始相位角 ; D 为工件直径 ; v f 为砂带进给速度 ;
为
工件角速度 ; v w 为工件线速度。
2
振动研磨加工机理的讨论
上述试验结果证明了振动研磨确实能够提高
单颗磨粒的切削速度 v R 为
vR = v 2Rx + v 2 Ry ( 3)
Material Removal Mechanism in Vibration- assisted Finishing Wang Yu1 Yin Shaohui1 Shinm ura T akeo 2 Chen Yue 1 1. National Engineering Research Cent er for H igh Ef f iciency Grinding , H unan U niv er sit y, Changsha, 410082 2. U tsunom iy a Universit y, Ut sunomiya, Japan Abstract : T his paper proposed a view point to ex plain w hy vibr at ion assist ance may incr ease m at e r ial removal rat e ( MRR) in vibrat ion- assist ed finishing pro cess. On t he basis of a series o f experi m ent s on vibrat io n- assisted f inishing process, t he finishing characterist ics w ere represented sum ma r ily and the relat ive mat hem at ic models were built up. T hro ug h t he analysis, it is show n t hat t he vi brat ion assist ance method m ay increase cut t ing l engt h and cut t ing speed of t he abrasives, mat erial re m oval in per unit finishing dist ance w hich is aff ect ed by vibratio n f requency and amplit ude, in pro cess abrasives behav ior. And t he increase in material remo val rat e is m ainly due to increase in ma t erial remo val per unit f inishing distance w hich is af fect ed by t he ef f ect of abrasives cro ss- cut t ing . Key words: vibrat ion- assist ed f inishing; f inishing paper; mat er ial removal; finishing leng t h
加工长度 L 为
( v f + v w ) 2 + [ 2 f a cos ( 2 f t +
0
) ] 2 dt
( 4)
自转方向 , y 方向为工件的振动方向, 如图 9 所示, 则
2. 2 2. 2. 1
振动幅度和频率对材料去除量的影响 对加工长度的影响 根据图 6 的试验数据 , 可以计算出不同频率
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下工件旋转一周时磨粒的运动轨迹 ( 图 10) 。 从图 10 可发现, 随着频率和振幅的提高 , 加工长度 L 也会随之提高。 同时 , 不同频率和振幅下加工长度 L 和对应的长度增加率 L 的关系如图 11 所示。 加工长度的增大是导 致材料去除量 增大的原因 之一。
0
材料去除率, 并且在两组试验中的被加工工件表 面的微观图中都能观察到明显的交叉切削痕迹。 为了探讨和研究其机理 , 我们首先进行单颗磨粒 的运动学分析。 2. 1 加工模型的建立 在加工表面上建立坐标轴, x 方向为工件的
L =
t 0
v R x = dx = v w + v f dt vRy = dy = 2 f a co s( 2 f t + dt )
振动研磨材料去除机理研究
王
宇
尹韶辉
进村武男等
振动研磨材料去除机理研究
王 宇1 尹韶辉1 进村武男2 陈 越1
1. 湖南大学国家高效磨削技术研究中心, 长沙, 410082 2. 宇都宫大学, 宇都宫市, 日本
摘要 : 讨论振动研磨加工过程中通过辅助振动提高材料去除率的原因 。 在试验研究的基础上总结 了振动研磨的加工特性, 并建立了相关数学模型。 通过分析和讨论, 结果表明: 受振动频率、 振幅和磨粒 运动规律的影响 , 辅助振动能够增大磨粒切削轨迹长度、 切削速度和材料去除率 ; 材料去除率的增大是 材料去除量增大的主要因素, 这主要是由于磨粒的交叉切削所致 。 关键词: 振动研磨; 砂纸; 材料去除 ; 加工长度 中图分类号 : T G580. 616 文章编号: 1004 132X( 2009) 05 0533 05
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120 号砂带 宽度 25 202 83 9. 8 2 5, 10, 15 0. 5
的变化。材料去除量、 材料去除率
砂带进给速度 ( m / min)
以及加工长度算术表达式见表 3 。
振动研磨材料去除机理研究
王
宇
尹韶辉
进村武男等
表 3 算术表 达式
无振动 材料去除量 M1 M1 L1 D t 有振动 M2 M2 L2 增加率 M= M2 - M1 M1
收稿日期 : 2008 09 11 基金项目 : 国 家 8 6 3 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 ( 2006A A04Z335) ; 湖南省科技厅资助重点项目 ( 2006G K 2011)
1
加工原理、 试验装置及试验结果
为了分析和探讨砂纸研磨中振动所带来的影 响和效果 , 我们分别进行了两组相关试验, 即平面 交叉研磨试验和外圆砂带振动研磨试验。 1. 1 平面交叉研磨 从基础的平面磨粒交叉研磨试验中, 我们可 以了解一些振动研磨的基本特性。我们所设计使
( b) f = 20H z, a= 1mm 图 8 工件表面微观 图
1. a= 1m m 时的 M 曲线 2. a= 2mm 时的 M 曲线 3. a= 1mm 时的 曲线 4. a= 2mm 时的 曲线
图 6 M、 和 f 的关系 ( 120 号砂带 )
图9
磨粒切削轨迹 ) ( 1) ( 2)
x = vRx t y = asin ( 2 f t + vRx = v w + vf vw = 图7 M、 和 f 的关系 ( 240 号砂带 ) D
1. f = 5H z
2. f = 10Hz
3. f = 15H z 1. a = 1mm 时的 3. a = 1mm 时的 5. a = 2mm 时的 L 曲线 曲线 曲线 2. a = 2mm 时的 L 曲线
图 10
不同频率下磨粒的加工轨迹
0
引言
为了提高加工效率和表面质量 , 振动研磨工
因此其加工特性和加工机理与常规的磨粒加工有 很多不同。实际上, 考虑到在游离磨粒加工过程 中磨粒相对之间的滚动、 滑动以及磨粒搅拌效果 等因素的影响 , 很难建立振动研磨的相关数学模 型。为了减少这些相关因素的影响, 更好地揭示 辅助振动的加工机理 , 我们采用了固定磨粒 ( 砂纸 或者砂带 ) 振动研磨来进行一些基础的试验 , 以便 于深入探讨材料去除率增大的机理。 因此 , 本文旨在揭示振动研磨的加工机理, 探 讨振动频率、 振动幅度和磨粒的运动规律对加工 特性的影响, 分析材料去除量提高的原因, 特别是 材料去除率的增大机理。