超声磨削加工磨头的研制

超声旋转磨削（不顺吧，也不符合论文内容）装置？研制

肖永军1杨卫平1李尧忠1刘瑞2

（1．南昌航空工业学院机械工程系，江西南昌，330034；2．东北电力大学, 吉林, 132012）

摘要：在叙述超声旋转磨削的基本原理及其工艺特点的基础上，介绍了超声旋转磨削磨头装置的设计。该磨头装置能通过装置底座安装在普通机床上，配合一定的控制设备，即可对ZrO2、AL2O3等难加工材料进行超声旋转磨削加工。

关键词：超声旋转磨削；磨削装置；振动系统；研制

中国分类号：TG580 文献标识码：A 文章编号：

Development of a Rotary Ultrasonic Grinding Head？

XIAO Yongjun1, Y ANG Weiping1, LI Yaozhong1, LIU Rui2

（1. Department of Mechanical Engineering, Nanchang Institute of Aeronautical Technology, Nanchang 330034;

2. Northeast Dianli University, Jilin 132012）

Abstract：On the basis of introduction of the principles and the technical characteristic of rotary ultrasonic grinding, this paper details the design of the Rotary Ultrasonic Grinding Head. This grinding head can be simply mounted on the general purpose machine tools, and is suitable for machining the difficult-to-machine material with equipped some control system.

Keyword:rotary ultrasonic grinding；grinding head；vibration system；development

自1927年Wood, R. W在将超声波应用于玻璃板加工获得成功以来，超声学？在机械加工、焊接、冶金、工业测量和通信等工业应用中发挥着越来越重要的作用[1]。随着科学技术的发展及航空航天等领域的需求，各种硬脆材料及复合材料在工业中应用日益广泛，但此类材料通常用普通方法加工，而需采用非传统加工很适合对这些材料进行经济和高精度地加工。在众多的加工方法中，超声波加工有其独特的优点，因而迅速得以发展和推广参考文献的引用。

超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。有研究表明[2] [3] [4]，在超声加工中，超声旋转磨削具有加工时磨削力小、加工速度快、精度高、工具磨损小以及对加工材料适应广等优点，是ZrO2、AL2O3等难加工材料比较理想的加工方法。目前，国内在超声振动切削、振动铣削以及振动珩磨领域的研究成果报道较多[2] [5] [6] [7]，而关于超声振动磨削的研究相对较少。鉴于此，笔者设计了一种新型的超声旋转磨削加工磨头装置，并通过连接底座将之安装在平面磨床上，以开展难加工材料的超声旋转磨削的试验研究。

1 超声旋转磨削的基本原理

超声旋转磨削是在传统的机械旋转磨削的基础上，将超声振动（指纵向振动）加入到工具磨头上的一种复合加工技术。其加工原理如图1所示，其中，压电陶瓷换能器用于将从外部接入的高频电振荡信号（由220V或380V的交流电经超声波发生器转换而成）转换为超声频机械振动；由于换能器产生的振幅较小，一般不能满足需求，需用变幅杆将换能器的振动振幅放大后再传送至工具磨头，通过工具磨头上的磨粒对工件进行磨削加工。可见，超声旋转磨削加工是一种复杂的加工过程，这种方法不但保留了磨削加工的特性，还可大幅度提高加工效率，能有效改善ZrO2、AL

O3等难加工材料磨削表面质量。

2

有资料报道[10]

，超声旋转磨削的材料去除机理是传统超声波加工和金刚石磨削去除机理的复合，包括锤击（在超声

振动冲击下的压痕和碎裂）、

磨削（由工具旋转运动产生）

和抛磨（或撕扯）作用（由超

声振动和工具旋转运动的同

时作用产生的）。在加工过程

中，工件和工具接触轻，磨削

力小，磨削温度低，因此不易

造成工件变形、烧伤、残余应

力等缺陷。以往的研究表明[4]

[9] [10]，在超声旋转磨削过程中，通过适当的控制静压力、切削深度和磨料粒度，可对硬

脆材料的进行延性去除。

2 超声旋转磨削磨头装置设计

针对超声旋转磨削较为适合于加工ZrO 2、AL 2O 3等难加工材料的特点，笔者设计了一种新型的超声旋转磨削磨头装置，该磨头装置可以作为机床附件，并通过改变磨头装置上的连接底座结构，即可安装在平面磨床等加工设备上进行超声旋转磨削加工。

2.1 磨头装置结构？

设计的超声旋转磨削加工磨头装置结构如图2所示，它由直流无刷电机、碳刷、碳刷铜环、超声波发生器、装置外壳、压电陶瓷换能器、主轴、工具磨头、变幅杆、轴承、底座等零部件组成，工具磨头右端部位的阴影部分为在其上镀制的金刚石磨粒。

图2 超生旋转磨削磨头装置结构（？？）超声发生器取消吧，再加个实物照片

主轴与无刷电机是通过联轴器连接的，而变幅杆上的联接法兰（参看图3）用于连接变幅杆与主轴，设计时虽然将联接法兰设计在零节面位置，但是在施加负载或工具磨损后，换能器振动频率会发生变化，从而导致连接处有微弱振动，因此在主轴端面加一橡皮垫圈用于减少法兰固定后对变幅杆振动振幅的影响。工具磨头是通过变幅杆小端部的内螺纹固定在变幅杆上的，因此具有拆卸方便、且无需维护？？等优点。整个超声旋转加工磨头利用磨头体底座安装在MM 7120A 平面磨床磨头上（拆下砂轮），依靠MM7120A 平面磨床原有三个方向的进给运动，实现对工件的超声旋转磨削加工。

图1 超生旋转磨削的基本原理