旋转超声磨削装置的研制
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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
［ 2， 1， "- ］
， 通过适当地控制静压力、 切削深度和磨料粒
度， 可对硬脆类难加工材料进行延性去除。
能器、 变幅杆以及工具磨头组成。换能器用于将外部 电信号转换为高频机械振动， 而变幅杆用于将超声换 能器输出的振幅进行放大以满足加工需求。
3
结语
本文对并联机器重构的运动学逆解进行了分析，
（ 编辑
孙德茂） #
（ 收稿日期： ’""! P "& P ’’ ） # #
使用 <Y8 对重构过程中构型与尺度的变化进行了描
编号： ]3’""’"&"%" ） " 江西省材料科学与工程研究中心基金项目（
文章编号： !Z’% 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。
1］ &* 等难加工材料的磨削表面质量 ［ 。在加工过程中，
主轴与电动机是通过联轴器连接的， 而变幅杆上 的联接法兰（ 参看图 * ） 用于连接变幅杆与主轴。虽然 在设计时将联接法兰设计在节面（ 变幅杆中质点位移 振幅为零的面） 位置， 但考虑到施加负载或工具磨损 后， 换能器振动频率将会发生变化， 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， 具有结构 简单、 拆卸方便等优点。整个旋转超声磨削装置利用 拆下 其连接底座安装在 44 !"’-( 平面磨床磨头上（ 砂轮） ， 借助 44!"’-( 平面磨床原有三个方向的进给 运动， 实现对工件的旋转超声磨削加工。 工作时由电动机通过联轴器驱动主轴以及与之连 接在一起的变幅杆和工具磨头旋转； 同时在外部超声 波发生器的激励下， 压电陶瓷换能器产生高频机械振 动。其振幅在经过变幅杆进行放大后， 作用于工具磨 头上。这样工具磨头既具有旋转运动， 也具有轴向超 声振动， 从而可实现旋转超声加工。 "3 " 超声振动系统设计 超声振动系统是用于产生一定振幅和频率的纵向 振动， 并将该振动振幅放大后施加到工具磨头上， 从而 振动系统由压电陶瓷换 实现超声加工。如图 * 所示，
［ &］
方法中， 超声加工有其独特的优点， 因而迅速得以发展 和推广。 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
’ V %］ 动使工件相互结合的加工方法。有研究表明［ ， 在
超声振动磨削的研究相对较少。鉴于此类难加工材料 在航空航天中的需求日益增多， 笔者设计了一种新型 的旋转超声磨削装置， 以对这些材料进行旋转超声磨 削的试验研究。
!
旋转超声磨削的基本原理
旋转超声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 " 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 ’’- . 或 */- . 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； 由于压电陶瓷换能器产生的 振幅较小（ 大约有 + !0 ） ， 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（ 振幅为 ’- , *- !0） 再传至工具磨头， 通过工具磨头上的磨粒对工件进行 磨削加工。
。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的应用日益广 泛， 但传统加工方法普遍很难加工此类材料， 而特种加 工很适合对这些材料进行经济加工。在众多特种加工
################################################ 述与建模， 生成计算逆解的代码， 通过动态链接库自动 W.L T1K 对于虚轴空间粗插补后的位置点坐标， 由逆解生 成器类中的操作 35@S6B@19C*X6?H9@9（ ） 从运动规划层中 获得， 可重构并联机器的构型和尺度参数各类中根据 用户的输入取得， 实轴参数则由 35@=59C*X6?H9@9 （ ） 计 算出。对于执行层次上的接口问题， 可使用动态链接 库（ H88） 技术解决， 根据执行程序需要按需装入， 同时 其执行代码可在多个执行程序间共享， 节省了空间， 提 高了效率， 具备很高的灵活性。
$" ］ 时， 工具加工的效率才为最大。有研究表明 ［ ， 在工
"
结语
本文研制的旋转超声磨削装置具有结构简单、 成
本低等优点。通过改变底座结构可安装在不同的机床 上进行旋转超声磨削加工。该装置已经研制成功， 下 一步将针对 123" 、 45" 3’ 等难加工材料进行加工试验研 究， 有关研究结果将在后续的文章中报道。 参
’］ 有资料报道 ［ ， 旋转超声磨削的材料去除机理是
wenku.baidu.com
传统超声波加工和金刚石磨削去除机理的复合， 包括 工具和自由磨粒对工件的高速撞击、 电镀金刚石磨粒 和自由磨粒的直接机械磨削、 工具和工件间隙中气泡 的超声空化作用。可见， 旋转超声磨削加工是一种复 杂的加工过程， 这种磨削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 $%&’ 、 ()’
具有体积小、 输出频率和功率可调、 输出功率恒定等优 点。另在施加负载后， 换能器的频率会发生飘移、 阻抗 不匹配（ 即压电陶瓷换能器处于失谐状态） ， 砂轮端部 振幅有所减小。但通过手工调谐超声波发生器的输出 频率， 可使换能器工作在准谐振状态， 也能基本满足研 究的需要。
在整个装置中， 超声振动系统是实现超声加工的 关键部件， 因此， 振动系统的设计非常重要。如果设计 不当， 就有可能致使工具加工部位振幅较小（ 达不到 加工需求） ， 系统工作性能不稳定， 内部损耗增加， 系 统效率及使用寿命降低， 甚至导致压电晶片过热而破 碎。因此， 设计超声振动系统时， 需要注意以下几点： （ $） 合理选择工具长度。由于工具是附加在变幅 杆上的， 根据经典设计理论， 只有在声学系统处于谐振
旋转超声磨削装置的研制
肖永军 ! 杨卫平 ! 李尧忠 ! 刘 瑞"
"
（ 江西 南昌 $$""$% ；"东北电力大学， 吉林 &$’"&’ ） !南昌航空工业学院， 摘 要： 在叙述旋转超声磨削技术的基本原理及其工艺特点的基础上， 较系统地介绍了旋转超声磨削装置的 设计。设计出的旋转超声磨削装置可通过其底座安装在适合的机床上， 配合一定的控制设备， 即可 对 !"#$ 、 %&$ #’ 等难加工材料进行旋转超声磨削加工。 关键词： 旋转超声磨削 研制 超声振动系统
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生成运动学逆解， 实现一套数控系统控制各类构型和 尺度的并联机器。 参 考 文 献
王晋生， 蔡光起， 胡明O 并联机床发展现状和共性关键技术O 制造技 术与机床， ’""Z （ &’ ） ： $$ V $[ 雷勇O 并联机床控制器设计与实现： ［ 硕士学位论文］ O 北京： 清华大 学， ’""&O Y9B@6. \，]5.L9CC TO <Y8 H6?@6CC5L：* ^B65A 316L5 @- @;5 T@9.L9BL +K_ 05>@ Y-L5C6./ 89./19/5 （ 徐家福译） O 北京： 清华大学出版社， ’""’O
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于思远， 赵艳红， 刘殿通) 超声磨削加工工程陶瓷小孔的实验研究) 电加工与模具， ",,$ （ &） 李章东， 和平安， 赵波) 超声研磨 45" 3’ 陶瓷材料的表面粗糙度特征 ",,& （ T） 研究) 金刚石与磨料磨具工程， 杜工会) 纳米复相陶瓷超声振动磨削脆塑转变影响因素分析) 金刚 石与磨料磨具工程， ",,& （ $, ） 吴雁， 朱训生， 赵波) M@UR % 45 复合材料超声振动切削加工表面质量 试验研究) 机械制造， ",,& （ T） 李华， 张德远) 新型单激励椭圆超声振动切削系统的研究) 中国机械 工程， ",,( ， $+ （ "" ） 冯冬菊， 赵福令， 徐占国等) 超声波铣削加工材料去除率的理论模 型) 中国机械工程， ",,+ ， $! （ $’ ） 肖德贤， 赵福令， 冯冬菊等) 超声波旋转加工中延性去除模式的实验 研究) 电加工与磨具， ",,& （ &） 郑建新， 徐家文， 吕正兵) 陶瓷材料延性域磨削机理) 硅酸盐学报， ",,+ （ $） 杨卫平， 徐家文) 工程陶瓷型面的超声磨削装置设计) 南昌航空工 业学院学报， ",,’ （ "） 杨周铜， 杨明娜) $ % & 波长超声波加工工具的研究) 成都大学学报 （ 自然科学版） ， $99! ， $+ （ &）
文
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旋转超声磨削装置设计
针对旋转超声磨削适合于加工 $%&’ 、 ()’ &* 等难加
工材料的特点， 笔者设计了一种新型的旋转超声磨削 装置。该磨削装置可以作为机床附件， 并通过改变磨 削装置上的连接底座结构， 即可安装在平面磨床等加 工设备上进行旋转超声磨削加工。 "3 ! 磨削装置结构 设计的旋转超声磨削装置结构如图 ’ 所示， 它由 直流电动机、 碳刷铜环、 碳刷、 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。
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具长度为 $ % & 波长时， 可勿需修整末级变幅杆长度而 使工作达到较佳状态。因此， 本装置中的工具磨头设 计为 $ % & 波长； （ "） 正确选取节面位置。节面为变幅杆中质点位 移振幅为零的面， 其可以设计在不同的位置， 但节面的
$$ ］ 。因考虑到变幅 选取应当以能量损失最小为原则 ［
考
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超声加工中， 旋转超声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， 也是 $%&’ 、 ()’ &* 等难加工材料比较理想的加工 方法。目前， 国内在旋转超声振动切削、 振动铣削以及
’， + , !］ 振动珩磨领域的研究成果报道较多［ ， 而关于旋转
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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
［ 2， 1， "- ］
， 通过适当地控制静压力、 切削深度和磨料粒
度， 可对硬脆类难加工材料进行延性去除。
能器、 变幅杆以及工具磨头组成。换能器用于将外部 电信号转换为高频机械振动， 而变幅杆用于将超声换 能器输出的振幅进行放大以满足加工需求。
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结语
本文对并联机器重构的运动学逆解进行了分析，
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1］ &* 等难加工材料的磨削表面质量 ［ 。在加工过程中，
主轴与电动机是通过联轴器连接的， 而变幅杆上 的联接法兰（ 参看图 * ） 用于连接变幅杆与主轴。虽然 在设计时将联接法兰设计在节面（ 变幅杆中质点位移 振幅为零的面） 位置， 但考虑到施加负载或工具磨损 后， 换能器振动频率将会发生变化， 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， 具有结构 简单、 拆卸方便等优点。整个旋转超声磨削装置利用 拆下 其连接底座安装在 44 !"’-( 平面磨床磨头上（ 砂轮） ， 借助 44!"’-( 平面磨床原有三个方向的进给 运动， 实现对工件的旋转超声磨削加工。 工作时由电动机通过联轴器驱动主轴以及与之连 接在一起的变幅杆和工具磨头旋转； 同时在外部超声 波发生器的激励下， 压电陶瓷换能器产生高频机械振 动。其振幅在经过变幅杆进行放大后， 作用于工具磨 头上。这样工具磨头既具有旋转运动， 也具有轴向超 声振动， 从而可实现旋转超声加工。 "3 " 超声振动系统设计 超声振动系统是用于产生一定振幅和频率的纵向 振动， 并将该振动振幅放大后施加到工具磨头上， 从而 振动系统由压电陶瓷换 实现超声加工。如图 * 所示，
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方法中， 超声加工有其独特的优点， 因而迅速得以发展 和推广。 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
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超声振动磨削的研究相对较少。鉴于此类难加工材料 在航空航天中的需求日益增多， 笔者设计了一种新型 的旋转超声磨削装置， 以对这些材料进行旋转超声磨 削的试验研究。
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旋转超声磨削的基本原理
旋转超声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 " 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 ’’- . 或 */- . 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； 由于压电陶瓷换能器产生的 振幅较小（ 大约有 + !0 ） ， 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（ 振幅为 ’- , *- !0） 再传至工具磨头， 通过工具磨头上的磨粒对工件进行 磨削加工。
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结语
本文研制的旋转超声磨削装置具有结构简单、 成
本低等优点。通过改变底座结构可安装在不同的机床 上进行旋转超声磨削加工。该装置已经研制成功， 下 一步将针对 123" 、 45" 3’ 等难加工材料进行加工试验研 究， 有关研究结果将在后续的文章中报道。 参
’］ 有资料报道 ［ ， 旋转超声磨削的材料去除机理是
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传统超声波加工和金刚石磨削去除机理的复合， 包括 工具和自由磨粒对工件的高速撞击、 电镀金刚石磨粒 和自由磨粒的直接机械磨削、 工具和工件间隙中气泡 的超声空化作用。可见， 旋转超声磨削加工是一种复 杂的加工过程， 这种磨削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 $%&’ 、 ()’
具有体积小、 输出频率和功率可调、 输出功率恒定等优 点。另在施加负载后， 换能器的频率会发生飘移、 阻抗 不匹配（ 即压电陶瓷换能器处于失谐状态） ， 砂轮端部 振幅有所减小。但通过手工调谐超声波发生器的输出 频率， 可使换能器工作在准谐振状态， 也能基本满足研 究的需要。
在整个装置中， 超声振动系统是实现超声加工的 关键部件， 因此， 振动系统的设计非常重要。如果设计 不当， 就有可能致使工具加工部位振幅较小（ 达不到 加工需求） ， 系统工作性能不稳定， 内部损耗增加， 系 统效率及使用寿命降低， 甚至导致压电晶片过热而破 碎。因此， 设计超声振动系统时， 需要注意以下几点： （ $） 合理选择工具长度。由于工具是附加在变幅 杆上的， 根据经典设计理论， 只有在声学系统处于谐振
旋转超声磨削装置的研制
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生成运动学逆解， 实现一套数控系统控制各类构型和 尺度的并联机器。 参 考 文 献
王晋生， 蔡光起， 胡明O 并联机床发展现状和共性关键技术O 制造技 术与机床， ’""Z （ &’ ） ： $$ V $[ 雷勇O 并联机床控制器设计与实现： ［ 硕士学位论文］ O 北京： 清华大 学， ’""&O Y9B@6. \，]5.L9CC TO <Y8 H6?@6CC5L：* ^B65A 316L5 @- @;5 T@9.L9BL +K_ 05>@ Y-L5C6./ 89./19/5 （ 徐家福译） O 北京： 清华大学出版社， ’""’O
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旋转超声磨削装置设计
针对旋转超声磨削适合于加工 $%&’ 、 ()’ &* 等难加
工材料的特点， 笔者设计了一种新型的旋转超声磨削 装置。该磨削装置可以作为机床附件， 并通过改变磨 削装置上的连接底座结构， 即可安装在平面磨床等加 工设备上进行旋转超声磨削加工。 "3 ! 磨削装置结构 设计的旋转超声磨削装置结构如图 ’ 所示， 它由 直流电动机、 碳刷铜环、 碳刷、 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。
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具长度为 $ % & 波长时， 可勿需修整末级变幅杆长度而 使工作达到较佳状态。因此， 本装置中的工具磨头设 计为 $ % & 波长； （ "） 正确选取节面位置。节面为变幅杆中质点位 移振幅为零的面， 其可以设计在不同的位置， 但节面的
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超声加工中， 旋转超声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， 也是 $%&’ 、 ()’ &* 等难加工材料比较理想的加工 方法。目前， 国内在旋转超声振动切削、 振动铣削以及
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