数控旋转超声加工的工艺试验

以玻璃为被加工工件的材料，对数控旋转超声加工的工艺进行了初步试验研究，分析了材料去除的机理，通过工艺试验探讨了磨料粒度、工具旋转转速、工作台进给速度、分层厚度等工艺参数对材料去除率的影响。     

旋转超声加工机床的研究

介绍了一种新型旋转超声加工机床，该机床采用了粗精频率跟踪的智能超声波发生器，提出并实现了两面定位的超声变幅杆结构，实验证明，整个机床运行安全可靠，对硬脆材料的超声加工效果明显。     

旋转超声加工技术现状及发展趋势

旋转超声加工是在传统超声加工的基础上结合磨料磨削加工的一种新型复合加工方式,具有加工速度快、加工精度高、加工质量好、刀具磨损小等优点,是解决硬脆材料加工的有效方法,具有比较广阔的应用前景。论文结合近年来旋转超声加工技术的发展状况,综述了旋转超声加工的应用现状以及未来发展的趋势。     

高体积分数SiCp/Al复合材料旋转超声铣磨加工的试验研究

由于大量高硬度增强相SiC颗粒的存在,高体积分数铝基碳化硅（SiCp/Al）复合材料的机械加工十分困难。旋转超声加工被认为是加工这种材料的有效方法。通过超声辅助划痕试验,分析高体积分数SiCp/Al复合材料旋转超声铣磨加工的材料去除机理。在超声振动的作用下,材料中铝基体发生塑性变形,其表面得到夯实;SiC增强相被锤击成细小的颗粒而发生脱落,形成较大的空洞。由于材料加工的缺陷大多产生于SiC颗粒的去除过程中,SiC颗粒的去除方式对加工表面的质量起着决定性的作用,选择合适的工艺参数可以有效提高加工表面质量。旋转超声加工工艺特征试验表明,超声振动可有效降低切削力;主轴转速对轴向切削力的影响最大,其次是进给速度,切削深度对轴向切削力的影响较小;另外主轴转速对表面质量的影响效果也最大,并随主轴转速的增大表面粗糙度增大。因此在加工过程中,可以适当加大切削深度,在保证加工质量的基础上,选择较大的进给速度,在保证刀具寿命的前提下,选择合适的主轴转速,以获得较优的加工表面质量和加工效率。     

旋转超声电解复合加工小孔的仿真加工

为研究旋转超声电解复合加工小孔的成型过程,进行了旋转超声电解复合加工小孔试验,得到了不同加工时间孔的截面,并根据试验参数,进行了基于ANSYS的二维仿真加工和三维仿真加工。对小孔的入口直径、底面直径和加工深度进行了对比分析,结果表明由于三维仿真加工中采用了管电极,并考虑了电解加工中阴极超声高频振动对电解液电导率的影响,故其仿真结果更加接近试验值,间接证明了旋转超声电解复合加工小孔三维仿真加工的可靠性,展示了不同时刻的三维加工型腔,为旋转超声电解复合加工的成型过程和成型规律的研究提供了参考。     

旋转超声钻削加工的研究现状及发展趋势

针对硬脆材料加工孔过程中出现的各种问题,选择一种有效的加工方法显得尤为重要.而旋转超声钻削加工已经成为一种有效的特种加工方法,其应用前景可观.综述了旋转超声加工技术的加工机理及发展历程,概述了国内外学者在硬脆材料工艺特性及装备研发等方面的研究成果,重点阐述了近年来国内外研究者在旋转超声钻削加工孔工艺特性方面的主要研究成...     

锁相环电路在超声旋转加工设备中的应用

频率自动跟踪技术是超声旋转加工的关键技术之一.本文阐述了超声旋转加工过程以及超声旋转加工过程中频率自动跟踪的必要性,介绍了超声波发生器的频率自动跟踪系统在超声加工中的实现方法,即声反馈法和电反馈法,重点分析了电反馈法中的锁相环电路频率跟踪方法,得出结论:锁相环电路能够满足超声旋转加工要求的频率自动跟踪.     

旋转超声加工的研究现状及发展趋势

随着航空航天、医疗制药、军事等领域的不断发展,硬脆材料的应用越来越广泛,针对硬脆及特殊材料加工方法研究成为加工制造研究的热点之一,其中旋转超声加工对硬脆材料和复合材料加工成为一种有效的加工方法.针对硬脆及复合材料的旋转超声工艺特性以及加工形式的研究现状进行分析,总结近年来国内外在旋转超声加工的设备、应用等方面的主要研究...     

变幅杆连接工艺对旋转超声加工质量影响的研究

超声旋转加工是一种适用于脆硬材料加工的新技术,它强化了原加工过程,其加工效率随着材料脆性的增大而提高,实现了低耗能的目标。在超声旋转加工中,超声加工工具与变幅杆的连接对超声振动共振频率和超声波加工性能有很大影响。本文在深入研究旋转超声加工基本原理的基础上,分析了旋转超声加工时能量传递系统的关键制件-变幅杆和工具杆对超声加工精度的影响,并对变幅杆和工具杆制造工艺及连接的方法进行了初步研究。     

旋转超声磨削加工建模与仿真研究

旋转超声磨削加工结合超声加工和磨削加工的技术优势,在难加工零件的精密制造中具有较大应用潜力。根据旋转超声磨削加工机理,建立旋转超声磨削加工中材料去除体积和加工表面粗糙度的数值计算模型。基于MATLAB软件编写旋转超声磨削加工仿真程序,对材料去除体积、加工表面形貌和表面粗糙度进行仿真模拟,并探究不同加工参数对表面粗糙度和材料去除体积的影响规律。仿真结果表明：主轴转速与超声振动频率之比(n/f)对加工表面形貌和去除体积有决定性影响,n/f比值增大能够有效降低表面粗糙度和提升材料去除体积;详细探讨了磨粒直径、振幅等参数对旋转超声磨削加工表面形貌和去除体积的影响规律,并仿真模拟了参数优化前后的加工表面形貌。     

旋转超声磨削加工中刀具结合剂类型与加工性能的关系

实验分析了硬脆材料旋转超声磨削过程中刀具结合剂类型对加工性能的影响以便提高加工精度和加工表面的完整性.首先,采用能谱分析研究了铁基、陶瓷基和青铜基3种超声振动刀具中结合剂与金刚石颗粒的把持形式,并根据相同加工工艺条件下刀具磨损形式确定了把持力大小.然后,结合超声振动刀具特性,通过旋转超声磨削加工实验研究刀具结合剂类型与切削力、刀具磨损量、加工表面完整性的关系,并对实验结果进行了分析.实验结果表明:相对于陶瓷基和青铜基结合剂超声振动刀具,铁基结合剂超声振动刀具把持力最大,Z轴切削力平均值最小(为46.8 N);加工18 000 mm3材料后,刀具轴向磨损量最小(为0.1 mm);而陶瓷基结合剂超声振动刀具加工表面质量最好,表面粗糙度最大值为21.79 μm.结果证实铁基超声振动刀具适用于粗加工,陶瓷基超声振动刀具则适用于精加工.     

Investigation on grinding temperature in ultrasonic vibration-assisted grinding of zirconia ceramics

The feasibility of ultrasonic vibration-assisted grinding (UVAG) in machining brittle materials, such as zirconia ceramics, has been preliminarily proved. The high temperature generated in grinding processes is a main factor responsible for thermal and surface/subsurface damage. However, there are few reports about grinding temperature for zirconia ceramics by UVAG. In this study, a grinding force model is used for the analysis of grinding temperature in UVAG based on kinematic principle of ultrasonic vibration and brittle material fracture removal mechanism. Then, the heat fluxes equation during grinding process is analyzed. And the grinding temperature model is developed based on theoretical grinding force model and heat fluxes. Finally, pilot experiments are carried out to analyze influence of vibration parameters and process parameters on UVAG temperature and verify the mathematical model. The comparison results show that ultrasonic vibration has an important influence on grinding temperature with the reduction of 10.6%. In addition, there is a good consistency between mathematical model and the experimental results. The average relative error is within 10%. Therefore, the mathematical model could be used to predict the UVAG temperature.     

21NiCrMo5H齿轮钢超声磨削力建模研究

磨削力的建模研究是认识超声磨削机理的重要基础。在超声磨削单颗磨粒运动特性分析基础上,基于工件上被切削掉的磨屑体积应等于砂轮磨削去除的体积的原则,推导出超声磨削平均未变形磨屑厚度公式,得到切屑变形力模型;考虑超声振动对摩擦因数的影响,建立磨粒与工件摩擦力模型。综合切屑变形力模型、摩擦力模型,推导出超声辅助磨削下的磨削力模型,进行21NiCrMo5H齿轮钢材料渗碳淬火后超声磨削试验研究,确定磨削力模型中相关材料系数,得到超声磨削力模型。与现有文献的计算模型相比较,给出的超声磨削力模型与磨削试验测量结果具有更好的一致性,并对超声磨削机理提出了新的认识,为后续研究提供更多的参考与基础。     

Si_3N_4陶瓷旋转超声磨削加工的表面摩擦特性

为了探索结构陶瓷材料在摩擦过程中表面形貌的变化规律及其对摩擦特性影响,分析了摩擦过程中材料的接触过程及力学关系,并对旋转超声磨削加工的Si3N4陶瓷试样开展了摩擦表面形貌、摩擦因数等特性的试验研究。首先根据接触特点和材料特性,基于分形理论推导出接触面总载荷计算公式,基于该公式建立了结构陶瓷摩擦因数分形模型。分析结果表明:当初始表面轮廓分形维数分别为1.4,1.45,1.5和1.55时,摩擦因数与摩擦后表面轮廓分形维数呈类似正态分布曲线。然后通过旋转超声磨削加工的Si3N4陶瓷试样面面接触摩擦试验,研究了摩擦后陶瓷材料表面微观形貌和摩擦因数变化规律,分析了各因素对摩擦因数的影响。试验结果表明:产生微观裂纹是Si3N4陶瓷摩擦后表面微观形貌的显著特点;温度值等于160℃是Si3N4陶瓷摩擦因数由下降转为上升的拐点;当施加载荷为360N和往复频率为80Hz时,摩擦因数最大。得到的结果为通过表面形貌控制提高结构陶瓷耐磨性能提供了技术支撑。     

Influences of vibration on surface formation in rotary ultrasonic machining of glass BK7

This paper presented a fundamental investigation of the surface formation mechanisms involved in rotary ultrasonic machining (RUM) of glass BK7 process. Comparative observations of the scratches, generated in the scratching tests with and without ultrasonic, were performed using optical microscopy, white-light interferometer, and scanning electron microscopy (SEM). Giving consideration to the scratch morphologies and the abrasive process kinematics, the mechanisms of surface formation provoked by the ultrasonic superposition were investigated. Additionally, the formal machining tests with and without ultrasonic were also conducted to validate these surface formation mechanisms. As a result, a nondimensional parameter K was proposed to quantitatively describe the ultrasonic effects of the abrasives as well as to correlate these effects with the machining conditions. Due to the periodic variation in the effective work angle of the abrasive, the material accumulated slightly at the RUM groove entrance, whereas serious material accumulation appeared at the exit. The stress imbalance on the specimen surface induced by the dramatic fluctuation of the abrasive inertia load caused plenty of tortuous cracks in 0.2 μm-sized length emerge on the RUM grooves generated in the ductile material removal stage. A novel theoretical model of the surface formation mechanisms involved in formal RUM process was established by incorporating the ultrasonic effects, such as the lower dynamic fracture toughness of material, cyclical variation in the effective work angle of the abrasive, and the larger abrasive inertia force. Experimental results obtained in formal machining tests revealed that superimposing an ultrasonic vibration could distinctly reduce the cutting force of the diamond tool without seriously worsening the surface quality of the specimens.     

超声辅助磨削硬脆材料芯棒直径预测模型

超声辅助磨削是一种套料芯棒加工方法,而硬脆材料在超声辅助磨削加工过程中的去除模式主要为脆性断裂,这将导致加工出的芯棒直径与砂轮内径之间存在尺寸误差。针对上述问题,通过分析超声辅助磨削加工中砂轮表面金刚石磨粒的运动轨迹,运用压痕断裂力学理论建立了超声辅助磨削芯棒的直径预测模型。该模型考虑了脆性材料断裂时产生的侧位裂纹扩展对芯棒直径的影响。通过对K9光学玻璃材料进行超声辅助套料试验对模型进行了标定和验证,接着研究了进给速度和转速对芯棒直径误差的影响规律。通过对比研究发现,模型计算结果与试验结果吻合较好,误差小于5%,验证了模型的有效性。试验结果表明,采用适当的低转速和大进给速度可以有效降低超声辅助磨削芯棒直径的尺寸误差。本文所建模型可为超声辅助磨削套料芯棒的砂轮选择提供理论指导。     

Study on the characteristics of zirconia ceramic in three-dimensional ultrasonic vibration-assisted ELID internal grinding

Journal of Mechanical Science and Technology - Three-dimensional (3D) ultrasonic vibration-assisted ELID grinding, which combines 3D ultrasonic vibration-assistance with electrolytic in-process...     

有机磨削液在氮化硅陶瓷磨削过程中的清洗机理研究

通过一系列试验考察了不同有机物的乳液作为冷却液时金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷的堵塞效果.试验结果表明:短链有机物及烷烃作为磨削液时,金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷会发生堵塞,而包含较强极性基团的长链有机物可以很大程度地降低砂轮堵塞.其原因是烷烃在氮化硅陶瓷表面形成的非极性油膜对非极性的氮化硅磨屑产生较强的吸引而聚集在磨削区,进而导致砂轮堵塞.油膜表面具有一定的极性可以很大程度地缓解磨屑的积聚并降低堵塞现象的发生.通过对几种极性有机物的清洗效果进行分析,探讨了有机物的分子结构特征与其清洗性能的关系.     

Vibration characteristics and machining performance of a novel perforated ultrasonic vibration platform in the grinding of particulate-reinforced titanium matrix composites

Ultrasonic vibration-assisted grinding (UVAG) is an advanced hybrid process for the precision machining of difficult-to-cut materials. The resonator is a critical part of the UVAG system. Its performance considerably influences the vibration amplitude and resonant frequency. In this work, a novel perforated ultrasonic vibration platform resonator was developed for UVAG. The holes were evenly arranged at the top and side surfaces of the vibration platform to improve the vibration characteristics. A modified apparent elasticity method (AEM) was proposed to reveal the influence of holes on the vibration mode. The performance of the vibration platform was evaluated by the vibration tests and UVAG experiments of particulate-reinforced titanium matrix composites. Results indicate that the reasonable distribution of holes helps improve the resonant frequency and vibration mode. The modified AEM, the finite element method, and the vibration tests show a high degree of consistency for developing the perforated ultrasonic vibration platform with a maximum frequency error of 3%. The employment of ultrasonic vibration reduces the grinding force by 36% at most, thereby decreasing the machined surface defects, such as voids, cracks, and burnout.     

超声振动辅助磨削NdFeB永磁材料磨削力试验研究

磨削过程中,降低磨削力有利于提高硬脆材料的加工表面质量.对切向、径向和轴向超声振动辅助磨削NdFeB永磁材料的磨削力进行了试验研究,研究结果表明:超声振动的引入使磨削力随砂轮粒度和磨削用量变化的趋势减缓;与普通磨削相比较,三种超声振动方式均使磨削力降低,对于切向磨削力,轴向超声振动使之大幅度上升,切向超声振动次之,而径向超声振动使之下降;对于法向磨削力,三种超声振动方式均使之大幅降低,其中径向超声振动的影响最为明显,切向超声振动次之,轴向超声振动的影响最弱.