负载对超声内圆磨削系统性能参数的影响特性研究*

谢 鸥 任 坤 朱淑梅 韩朝明

(苏州科技大学机械工程学院，江苏 苏州 215009)



负载对超声内圆磨削系统性能参数的影响特性研究*

谢 鸥 任 坤 朱淑梅 韩朝明

(苏州科技大学机械工程学院，江苏 苏州 215009)

研究了超声内圆磨削系统性能参数受负载影响的变化特性。通过力-电类比分析，给出了超声内圆磨削系统谐振频率附近的等效电路模型。在实际安装工况下，对比测试分析了不同负载状态时的等效电路参数，重点研究了超声内圆磨削系统性能参数随负载磨削力变化的关系曲线。研究结果对超声内圆磨削系统参数匹配及磨削工艺设计具有指导意义。

超声内圆磨削；负载；性能参数；影响特性

内圆磨削是实现工程陶瓷、石英玻璃等材料中/小孔精密加工的有效工艺之一，传统的内圆磨削方法因不可避免地产生较大的磨削力和磨削热，将引起砂轮堵塞和工件表面/亚表面烧伤，严重制约了新型硬脆材料的应用。为解决这些问题，辅助超声振动被引入到磨削加工中，有效降低了磨削力、磨削热和砂轮磨损，能显著提高磨削质量和磨削效率。为了使超声内圆磨削系统工作在最佳磨削状态，需要对换能系统进行动态参数匹配。研究表明，压电换能器性能参数(包括谐振频率、静态电容、动态电阻、动态电容和机械品质因素等)不仅与换能器的结构、材料和尺寸有关，而且受负载的影响变化显著[1-3]。目前，对超声振动系统的研究大都基于空载静止状态下的独立换能器，而实际负载工况下的超声换能系统整体性能参数变化特性的研究则较少。文献[4]研究了预应力与换能器性能参数的关系，结果表明换能器的大部分性能参数受预应力的影响而变化；文献[5]研究了点、线、面3种负载加载方式对超声加工声学系统特性参数的影响，获得了不同加载方式下换能器性能参数的变化规律，然而这些实验都是静态加载实验，与实际加工过程存在较大的误差。本文通过实验测试，研究了实际工况安装下，不同负载类型和不同磨削力对超声内圆磨削系统性能参数的影响，为系统参数匹配和优化磨削工艺提供了依据。

1 超声内圆磨削系统的等效电路

从振动角度分析，超声内圆磨削是将交变电场加在换能器的压电陶瓷上，通过压电陶瓷的逆压电效应产生厚度方向变形振动，振动经变幅杆放大后作用于磨具，从而使固结在磨具表面的磨粒受迫产生纵向振动，最后对工件表面产生高频的冲击作用，实现对工件表面材料的去除。变幅杆和磨具的整体可等效为质量-弹簧-阻尼振动系统，在磨削过程中服从受迫振动方程[6]：

(1)

式中：m、k、c分别表示变幅杆和磨具整体系统的质量、阻尼系数和弹性系数；F1表示负载对磨具产生的反作用力；Fn表示压电振子谐振时的n阶模态力。

由于负载的不确定性和超声振动系统的非线性，很难对其力学模型的参数进行测试和分析。因此力学和电学之间的等效电路法被广泛应用于压电换能器的声学特性研究，它利用力学与电学现象存在的规律及微分方程数学表述上的相似性，将力学系统转换成电路系统，分析该等效电路的参数变化可推测出力学系统对应参数的变化趋势。与等效质量-弹簧-阻尼振动系统类比，LRC电路系统在结构参数、描述方程、能量存储等方面非常相似，其电路方程为：

(2)

由以上方程(1)(2)类比可知：m↔L，k↔R，c↔C。式中L、R、C分别为电感、电阻和电容。对于单一纵向振动磨削换能器，在谐振频率附近的集中参量等效电路可表示为如图1所示结构[7]。

C0、R0为换能器的静态电容和静态电阻，其主要与压电陶瓷的结构及装配预应力有关；L1、R1、C1分别表示换能器的动态电感、动态电阻和动态电容，它们与换能器结构、材料有关，同时还受外界因素影响而动态变化；Z1为负载的等效阻抗，与负载大小有关。

2 超声内圆磨削系统性能参数测试实验

2.1 实验平台

如图2所示，磨削材料为碳化硅陶瓷，实验前已修平。超声内圆磨削系统由压电换能器、指数形变幅杆、接长杆和金刚石砂轮组成，并通过安装环与内圆磨床主轴装配在一起。测力仪的型号为Kistler5697A，阻抗分析仪的型号为PV70A。实验时，超声内圆磨削系统在主轴电动机的驱动下高速旋转，磨削试件固定在测力仪上，并由位移控制平台驱动做往复运动。

2.2 实验方案

(1)在无负载的情况下用阻抗分析仪测试超声内圆磨削系统静止和旋转时的性能参数，并做记录。

(2)以切削液浇注方式给超声内圆磨削系统加载，并测试记录其性能参数。

(3)以恒定的进给速度进行试件磨削，当进给至恒定磨削状态时，测试超声内圆磨削系统的性能参数。以0.01 mm为增量，测试不同磨削深度下超声内圆磨削系统的性能参数，并做记录。

考虑到测试过程中机床和负载的不稳定因素将导致测试结果的漂移，本实验采用多次测量，并对结果取平均值。

3 实验结果分析

3.1 不同状态下的性能参数测试对比

表1给出了在不同状态下测试的超声内圆磨削系统性能参数。其中旋转时的主轴转速为2 870 r/min，切削液以浇注方式加载到砂轮上，流量为20 L/min，固体负载的磨削深度为0.06 mm。由表1可知，在给定条件下，不同状态下超声内圆磨削系统的谐振频率基本不变。空载静止状态下的动态电阻和动态电感要明显比空载旋转状态高，而动态电容却要低于旋转状态。这主要是因为旋转时，系统结构存在的不平衡将引起系统的振动，从而以负载的形式作用于系统，导致性能参数的变化。加载时，液体负载比固体负载下的动态电容要大，而固体负载下的动态电感明显大于液体负载下的动态电感。

表1 不同状态下的性能参数

状态谐振频率/kHz动态电阻/Ω动态电容/nF动态电感/mH空载静止24.3729.030.7556.60空载旋转24.373.921.6221.16液体负载24.3515.432.4517.38固体负载24.4239.140.041442.12

3.2 磨削力对性能参数的影响特性

为测试磨削力对超声内圆磨削系统性能参数的影响，通过改变磨削深度从而获得不同的磨削力。如图3所示，以0.01 mm为增量，测试了0.02～0.12 mm磨削深度下的磨削力。磨削力随磨削深度的增加整体呈增大趋势，且在磨削深度大于0.08 mm后，磨削力的增大速度明显增加。

图4为超声内圆磨削系统性能参数随磨削力变化的曲线。由图4a、b可知，谐振频率随磨削力的增大呈下降趋势，而动态电阻随磨削力的增大呈上升趋势，最终趋于稳定值。由图4c、d、f可看出，动态电容、动态电感和机械品质因素随磨削力的变化只在某一个力值段出现脉冲突变，而在其它力值下基本保持不变，即动态电容值在磨削力为42 N左右出现一个下降脉冲突变，动态电感和机械品质因素在42 N左右出现一个上升脉冲突变。图4e表明，随着磨削力的变化，静态电容始终在一个稳定值上下波动，整个过程基本保持常数。

4 结语

本文通过实验测试，对比分析了超声内圆磨削系

统性能参数在不同状态下的特性，研究了性能参数受磨削力的影响变化关系。结果表明：空载时，旋转运动所产生的振动将影响系统的动态电感、动态电容和动态电阻值；液体负载和固体负载对系统的性能参数影响表现不同；随着磨削力增大，谐振频率呈下降趋势，而动态电阻呈上升趋势并最终趋于稳定值；动态电感、动态电容和机械品质因素都在42 N左右出现一个脉冲突变，而静态电容基本保持常数。

[1]杨日福，闵志玲，张凡.负载对超声换能器共振频率影响及其匹配分析[J].计算机与应用化学，2015,32(2):179-181.

[2]章刚华，陈颖.超声骨科换能器等效电路模型研究[J].压电与声光，2011,33(4)：573-577.

[3]隆志力，吴运新，韩雷,等.热超声键合换能系统阻抗/导纳模型[J].2007,43(10):14-19.

[4]李军，贺西平，丁少虎.压电换能器性能参数与预应力关系的实验研究[J].压电与声光，2008,30(1)：100-101.

[5]刘折，靳宇辉，卞平艳，等.负载对超声加工声学系统特性的影响[J].航空精密制造技术，2012,48(1):10-13.

[6]马雪花，蒋鑫元.压电换能器导纳圆的测定[J].天津科技大学学报，2004,19(4):41-43.

[7]Mason W.Physical acoustics[M].Harcourt Brace Jovanovich: Academic Press,1964

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Study on the effect between the load and performance parameters of ultrasonic internal grinding system

XIE Ou, REN Kun, ZHU Shumei, HAN Chaoming

(School of Mechanical Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, CHN)

The variation characteristics of the performance parameters of ultrasonic internal grinding system under the load are studied.By mechanic-electric analogous analysis, the equivalent circuit model near resonant frequency of ultrasonic internal grinding system is proposed.In the actual installation conditions，the equivalent circuit parameters under different load states are tested and compare analyzed.The relationship between the performance parameters of the ultrasonic internal grinding system and the load grinding force is detail studied.The research results have guidance for the parameters matching and grinding process design of the ultrasonic internal grinding system.

ultrasonic internal grinding; load; performance parameters; influencing characteristic

* 江苏省高校自然科学研究面上项目资助( 15KJB460015) ; 2015 年国家级大学生创新实践训练计划项目资助( 611311401)

TB552

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.014

谢鸥，男，1983年生，博士，讲师，研究方向为精密与超精密加工技术、数控技术。

(编辑 李 静)

2016-04-19)

161121