旋转超声波+磨削

超声辅助磨削通常分为:一维超声辅助磨削技术、二维振动磨削技术与旋转超声磨削技术,如图1所示。一维超声辅助磨削技术可归结为三类①砂轮轴向振动磨削,即工件相对于砂轮做轴向反复振动;②砂轮径向振动磨削;③砂轮切向振动磨削。二维振动磨削技术有两类: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与砂轮轴向的超声振动;②平行于砂轮端面的二维振动磨削。

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,但就是加工过程中磨削速度较低,这在一定程度上限制了该技术的广泛应用。

(a)一维轴向超声磨削(b)一维径向超声磨削(c)一维切向超声磨削

(d)二维超声磨削(e)旋转超声磨削

3、旋转超声加工机理

传统的超声游离磨粒加工的加工机理主要包括:悬浮液中磨粒的撞击作用与超声空化作用. 采用固着磨粒的旋转超声加工,其加工机理主要就是依

靠磨削刀具的磨抛作用、固着磨粒对工件表面的冲击作用以及超声空化作用. 采用磨粒悬浮液的旋转超声加工,其加工机理则涵盖了上述两种超声加工方法。

超声空化:就是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时,加工间隙内形成负压与局部真空,在工作液体内形成很多微空腔,当工具端面又以很大的加速度接近工件表面时,空泡瞬间闭合,引起极强的液压冲击波,可以强化加工过程。此外,正负交变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环,使变钝了的磨粒及时得到更新。

4、旋转超声系统

旋转超声加工设备的核心就是超声振动系统,超声振动系统由超声波电源、换能器、变幅杆与刀具组成.超声波电源发出的高频电信号通过换能器转

变为高频振动、再通过变幅杆放大振幅并把振动输入到刀具之上,使得刀具端部获得足够的振幅。

超声电源:超声波电源已逐步向着数字式电源发展. 这类电源不仅输出信号稳定,而且易于集成到机床的控制系统中,便于整体控制。

换能器:换能器主要采用磁致伸缩材料或压电材料制作,而由于压电陶瓷换能器具有较好的机电转换效率、更小的发热量、体积相对较小,目前的换能器普遍采用压电陶瓷换能器,压电陶瓷换能器的结构则采用夹心式结构。

变幅杆:(振幅扩大棒)

原理:通过变幅杆任意截面的振动能量就是不变的(若传播损耗不计)。（1）聚能作用

将机械振动位移或速度幅值放大,或把能量集中在较小的辐射面上进

行聚能。压电换能器输出振幅一般为4~10μm,而超声加工要求的振幅往往达到10~100μm,这就必须借助于变幅杆将振幅放大。

由于能量密度正比于振幅α的平方,即:

(5-1)

(5-2)式中,——系数,;——弹性介质的密度。

所以,截面小的地方,能量密度大,振幅也就得到了放大。

为了获得较大的振幅,应使变幅杆的谐振频率与外激振动频率相等,使

之出于共振状态。

（2）有效地向负载传输能量

信号频率,也会由于换能器节点与固定夹持点位置偏离过大,导致振动系统特别就是固定处迅速发热以至损坏.2007 年,德国的DMG/Sauer 公司研制出具有频率可调节技术的旋转超声加工机床. 频率可调节技术就是指当更换了不同尺寸的刀具后,通过调节超声电源的输入频率使得振动系统重新达到谐振

状态.

难点二:非接触式供电方法

早期的旋转超声加工设备就是通过电刷向换能器供电,这种接触式供电

方式限制了主轴转速。Kauf 等人针对这一问题提出一种新的非接触式供电方法,其基本思想就是利用变压器原理,使用一对线圈通过电磁感应供电,上级

线圈被固定在机床上,下级线圈固定在刀柄上,两线圈被包裹在铁氧体磁芯中。

DMG/Sauer公司研制的超声振动加工中心就采用了这种非接触式供电方法,向安装在刀柄内部的换能器供电。近些年来,国内针对非接触式供电技术也开展了大量的研究,2009 年,作者所在课题组基于HSK 刀柄系统开发出了国内第一套非接触式旋转超声装。

难点三:负载匹配系统