二维超声无磨料抛光机理研究

蒋建军 郑建新 刘传绍

(①煤炭工业郑州设计研究院有限公司，河南郑州 450007;②河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作 454000)

金属工件的表面光整加工，无论是传统的研磨、抛光还是非传统的光整加工方法，如超声研磨、磁力研磨抛光、电火花超声复合抛光等，都是去除材料式的加工方法，只能减小金属表面粗糙度值，不能提高表面硬度［1－3］。无磨料抛光是一种非去除材料式的加工方法，加工后材料表面粗糙度值减小、硬度提高，但是工件易出现刮花、起皮等表面损伤［4－5］。二维超声加工是近年出现的新加工技术［6－8］，已被试验证明能取得较好的加工质量。为此，研究将二维超声振动引入无磨料抛光中，以期获得更优的加工质量。

二维超声无磨料抛光金属工件表面是利用金属在常态下的冷塑性特点，采用专门的超硬工具头，对工件表层金属施加一定的压力，使其产生塑性流动，从而使工件表面原有的微观波峰填入波谷，达到工件表面质量提高的目的［9－10］。

1 二维超声振动无磨料抛光特性

1.1 二维超声振动无磨料抛光过程

二维超声振动由同频率、一定相位差的X、Y方向的2个简谐运动合成。X、Y方向的运动方程为

式中:f为振动频率;A为工件在X方向的振动幅值;B为工件在Y方向的振动幅值;φ为相位差。

则二者合成运动方程为

由式(2)可得，给定不同的参数即相位差φ值，可以得到不同的椭圆运动轨迹。

当2个互相垂直且同频率的振动相位差φ为0或180°时，式(2)变为y=±Bx/A，质点轨迹为一条直线;当2个互相垂直且同频率的振动相位差φ为90°时，式(2)变为x2/A2+y2/B2=1，质点轨迹为以X为长轴、Y为短轴的正椭圆;当相位差为其他角度时，振动轨迹为倾斜的椭圆。

二维超声振动无磨料抛光如图1所示，抛光工具头的运动轨迹为椭圆，挤压深度时刻变化。材料加工时，抛光工具头在周期性超声频信号的作用下，工具头挤入和退出金属工件表面时都能够将边缘的微观波峰压入波谷，这种效果可使单次挤压面积增加和摩擦力减小，从而使挤压力减小，提高了挤压过程中的润滑和冷却效率，降低了挤压温度，使工具头的磨损减缓，延长其寿命。

图1也显示了在振动抛光过程中，工件表层金属的变形情况。抛光工具头对工件施加一定的压力，以一定的进给速度通过旋转着的工件表面，使表层金属产生弹、塑性变形。从图1可以看出，已经抛光过的表面比工具头与工件接触区稍高。由于工具头的挤压作用，接触区前段金属层有堆积凸起的趋势。常规无磨料抛光时工具头始终与工件接触，挤压表层金属。当时间稍长时，工具头与工件接触区金属层会逐渐堆积并越来越高，当到达一定高度时，工具头不再只起光整作用，也会象带有负前角车刀一样切刮金属层，此段时间由光整强化转变为部分的负前角切削，易出现刮花起皮现象如图2所示，致使工件表面质量大幅度下降。

超声抛光时由于工具头的高频振动，工具头均匀有规律地敲打工件表面，使得工具头与接触区前面一段金属层，不会堆积凸起过高。即使有凸起的趋势，也会被下次或下几次工具头的振动烫平，大大减少了加工过程中产生切刮现象的可能性。

1.2 二维超声振动无磨料抛光速度特性

传统的纵向振动是在振动方向上改变挤压速度，但是二维超声振动是在2个方向上改变挤压速度。抛光过程的每个周期中工具头与工件分离，即工具头从t0时刻压入工件表面，t1时刻退出，因此工具头的实际敲击工件的速度是分段连续的周期性函数。设工具头的位移函数为

则有

式中:A、B为2个方向上的振幅，T为椭圆振动周期，T=1/f。则工具头瞬时运动方向与工件运动方向的夹角为

在每一个抛光周期刚开始后，椭圆振动刀具前刀面进行抛光，当一个抛光周期结束之后下一周期开始之前，椭圆振动刀具抛光过程出现暂时的“反转”，抛光工具头后刀面对已加工表面进行二次加工，可进一步减小表面粗糙度值。

1.3 占空率

椭圆振动无磨料抛光过程中挤压区示意图如图3所示，工具头的重叠挤压长度l0为

一个周期无磨料抛光加工中，工具头与工件接触长度为 θ1和 θ2对应的弧长，即

根据曲率半径ρ近似椭圆半径r其定义为

则接触弧长为

占空率［11］定义为接触弧长与椭圆周长之比。椭圆振动无磨料抛光的占空率为

由此知椭圆超声振动无磨料抛光加工中工具头与上一周期无磨料抛光表面的分离，切削液可完全进入，进行充分冷却与润滑，从而延长工具头的寿命。

1.4 能量集中效应

超声无磨料抛光时，工具头在每个振动周期内的纯接触时间tc/T是较短的，大约只有25 μm左右［12］，因此在工件表面与抛光工具头的接触区，就形成了能量集中的现象。可见，超声无磨料抛光是一个在极短时间内完成的能量强化过程。在单位抛光周期过程中，工具头在很小位移上得到很大的瞬时速度和加速度，在局部产生很高的能量，这时被振动无磨料抛光的材料局部微小体积内的物理机械性能必将发生重大变化。这种能量集中效应使得振动抛光以较小的作用力，可以达到与常规无磨料光整相同或更好的效果。

2 改善工艺系统的抗振性

机械加工过程中产生的振动，会使加工表面产生波纹，影响零件的使用性能。同时刀具相对于工件振动、切削截面、切削角度等将随之发生周期性变化，工艺系统将承受动态载荷的作用，刀具易于磨损(有时甚至崩刃)，机床的连接特性会受到破坏，严重时甚至使切削加工无法进行，因此须采取措施控制振动。一般控制机械加工振动的途径有［13］:(1)合理选择切削参数;(2)提高工艺系统刚度;(3)采用减振装置。

在超声振动加工过程中，由于工具头以20 kHz频率高频振动，而工艺系统的自激振动频率与之相比却很低，使得不可能发生工艺系统与工具头的共振现象。从这个意义上说，把超声振动引入无磨料抛光过程，有抑制工艺系统振动的作用。

另外，由振动理论分析［12］可知:超声振动抛光过程中，工件的变形仅为常规无磨料抛光的tc/T(T为超声振动周期，tc为每一振动周期内工具头与工件接触的时间)甚至更少。这就相当于提高了工艺系统的刚度，从而使得系统的抗振性增加。

3 超声振动改变加工过程中摩擦状态

常规无磨料抛光时，工具头始终压在工件上。由于工具头与工件间的摩擦力比较大，摩擦系数又随挤压速度变化，使得工艺系统时常出现自激振动现象。由于摩擦的影响，预压力较大或挤压时间较长时，还易出现工具头与工件表层金属的粘结现象，使工件的表面质量下降。

超声振动抛光由于工具头的高频振动，在加工过程中工具头与工件处于非完全接触状态，改善了抛光过程的摩擦特性。因此超声振动改善了抛光过程中工具与工件间的摩擦性质，抛光过程中的颤振现象以及工具与工件的粘结现象得到了有效的抑制。

同时，对于常规无磨料抛光来说工具头始终紧挨工件，而在超声无磨料抛光过程中，由于椭圆振动的占空特性，工具头与工件的瞬间分离，当刀具与工件分离时，使得冷却液进入抛光区，进行充分的冷却和润滑。同时在工具头压入时，由于其极高的加速度，形成瞬时高压，使冷却液均匀乳化，减少了摩擦，减小了摩擦系数，从而延长了工具头的使用寿命。

4 结语

本文首先描述了二维超声抛光的抛光过程，得出了二维超声振动无磨料抛光过程中变速特性和占空率，工件表层金属的规则变形，能量集中效应;其次是超声振动抛光改善工艺系统的抗振性，即工艺系统变形减小，有“刚化”工艺系统的作用;最后二维超声振动使得工具头在加工过程中能够充分润滑，减小摩擦系数，降低摩擦温度，改善抛光过程中工具头与工件之间的摩擦状态，从而揭示二维超声无磨料抛光加工机理，完善和发展金属工件的表面光整加工新技术，进而推动超声无磨料抛光技术的工程应用。

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