謝 鷗 任 坤 朱淑梅 韓朝明

(蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

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負(fù)載對(duì)超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)性能參數(shù)的影響特性研究*

謝 鷗 任 坤 朱淑梅 韓朝明

(蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

研究了超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)性能參數(shù)受負(fù)載影響的變化特性。通過(guò)力-電類比分析，給出了超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)諧振頻率附近的等效電路模型。在實(shí)際安裝工況下，對(duì)比測(cè)試分析了不同負(fù)載狀態(tài)時(shí)的等效電路參數(shù)，重點(diǎn)研究了超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)性能參數(shù)隨負(fù)載磨削力變化的關(guān)系曲線。研究結(jié)果對(duì)超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)參數(shù)匹配及磨削工藝設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

超聲內(nèi)圓磨削；負(fù)載；性能參數(shù)；影響特性

內(nèi)圓磨削是實(shí)現(xiàn)工程陶瓷、石英玻璃等材料中/小孔精密加工的有效工藝之一，傳統(tǒng)的內(nèi)圓磨削方法因不可避免地產(chǎn)生較大的磨削力和磨削熱，將引起砂輪堵塞和工件表面/亞表面燒傷，嚴(yán)重制約了新型硬脆材料的應(yīng)用。為解決這些問(wèn)題，輔助超聲振動(dòng)被引入到磨削加工中，有效降低了磨削力、磨削熱和砂輪磨損，能顯著提高磨削質(zhì)量和磨削效率。為了使超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)工作在最佳磨削狀態(tài)，需要對(duì)換能系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)匹配。研究表明，壓電換能器性能參數(shù)(包括諧振頻率、靜態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電容和機(jī)械品質(zhì)因素等)不僅與換能器的結(jié)構(gòu)、材料和尺寸有關(guān)，而且受負(fù)載的影響變化顯著[1-3]。目前，對(duì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的研究大都基于空載靜止?fàn)顟B(tài)下的獨(dú)立換能器，而實(shí)際負(fù)載工況下的超聲換能系統(tǒng)整體性能參數(shù)變化特性的研究則較少。文獻(xiàn)[4]研究了預(yù)應(yīng)力與換能器性能參數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明換能器的大部分性能參數(shù)受預(yù)應(yīng)力的影響而變化；文獻(xiàn)[5]研究了點(diǎn)、線、面3種負(fù)載加載方式對(duì)超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)特性參數(shù)的影響，獲得了不同加載方式下?lián)Q能器性能參數(shù)的變化規(guī)律，然而這些實(shí)驗(yàn)都是靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際加工過(guò)程存在較大的誤差。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究了實(shí)際工況安裝下，不同負(fù)載類型和不同磨削力對(duì)超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)性能參數(shù)的影響，為系統(tǒng)參數(shù)匹配和優(yōu)化磨削工藝提供了依據(jù)。

1 超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)的等效電路

從振動(dòng)角度分析，超聲內(nèi)圓磨削是將交變電場(chǎng)加在換能器的壓電陶瓷上，通過(guò)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生厚度方向變形振動(dòng)，振動(dòng)經(jīng)變幅桿放大后作用于磨具，從而使固結(jié)在磨具表面的磨粒受迫產(chǎn)生縱向振動(dòng)，最后對(duì)工件表面產(chǎn)生高頻的沖擊作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面材料的去除。變幅桿和磨具的整體可等效為質(zhì)量-彈簧-阻尼振動(dòng)系統(tǒng)，在磨削過(guò)程中服從受迫振動(dòng)方程[6]：

(1)

式中：m、k、c分別表示變幅桿和磨具整體系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼系數(shù)和彈性系數(shù)；F1表示負(fù)載對(duì)磨具產(chǎn)生的反作用力；Fn表示壓電振子諧振時(shí)的n階模態(tài)力。

由于負(fù)載的不確定性和超聲振動(dòng)系統(tǒng)的非線性，很難對(duì)其力學(xué)模型的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和分析。因此力學(xué)和電學(xué)之間的等效電路法被廣泛應(yīng)用于壓電換能器的聲學(xué)特性研究，它利用力學(xué)與電學(xué)現(xiàn)象存在的規(guī)律及微分方程數(shù)學(xué)表述上的相似性，將力學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電路系統(tǒng)，分析該等效電路的參數(shù)變化可推測(cè)出力學(xué)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)參數(shù)的變化趨勢(shì)。與等效質(zhì)量-彈簧-阻尼振動(dòng)系統(tǒng)類比，LRC電路系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)參數(shù)、描述方程、能量存儲(chǔ)等方面非常相似，其電路方程為：

(2)

由以上方程(1)(2)類比可知：m?L，k?R，c?C。式中L、R、C分別為電感、電阻和電容。對(duì)于單一縱向振動(dòng)磨削換能器，在諧振頻率附近的集中參量等效電路可表示為如圖1所示結(jié)構(gòu)[7]。

C0、R0為換能器的靜態(tài)電容和靜態(tài)電阻，其主要與壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)及裝配預(yù)應(yīng)力有關(guān)；L1、R1、C1分別表示換能器的動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電容，它們與換能器結(jié)構(gòu)、材料有關(guān)，同時(shí)還受外界因素影響而動(dòng)態(tài)變化；Z1為負(fù)載的等效阻抗，與負(fù)載大小有關(guān)。

2 超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)性能參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

如圖2所示，磨削材料為碳化硅陶瓷，實(shí)驗(yàn)前已修平。超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)由壓電換能器、指數(shù)形變幅桿、接長(zhǎng)桿和金剛石砂輪組成，并通過(guò)安裝環(huán)與內(nèi)圓磨床主軸裝配在一起。測(cè)力儀的型號(hào)為Kistler5697A，阻抗分析儀的型號(hào)為PV70A。實(shí)驗(yàn)時(shí)，超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)在主軸電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，磨削試件固定在測(cè)力儀上，并由位移控制平臺(tái)驅(qū)動(dòng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

(1)在無(wú)負(fù)載的情況下用阻抗分析儀測(cè)試超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)靜止和旋轉(zhuǎn)時(shí)的性能參數(shù)，并做記錄。

(2)以切削液澆注方式給超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)加載，并測(cè)試記錄其性能參數(shù)。

(3)以恒定的進(jìn)給速度進(jìn)行試件磨削，當(dāng)進(jìn)給至恒定磨削狀態(tài)時(shí)，測(cè)試超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)的性能參數(shù)。以0.01 mm為增量，測(cè)試不同磨削深度下超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)的性能參數(shù)，并做記錄。

考慮到測(cè)試過(guò)程中機(jī)床和負(fù)載的不穩(wěn)定因素將導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的漂移，本實(shí)驗(yàn)采用多次測(cè)量，并對(duì)結(jié)果取平均值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同狀態(tài)下的性能參數(shù)測(cè)試對(duì)比

表1給出了在不同狀態(tài)下測(cè)試的超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)性能參數(shù)。其中旋轉(zhuǎn)時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速為2 870 r/min，切削液以澆注方式加載到砂輪上，流量為20 L/min，固體負(fù)載的磨削深度為0.06 mm。由表1可知，在給定條件下，不同狀態(tài)下超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)的諧振頻率基本不變?？蛰d靜止?fàn)顟B(tài)下的動(dòng)態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電感要明顯比空載旋轉(zhuǎn)狀態(tài)高，而動(dòng)態(tài)電容卻要低于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。這主要是因?yàn)樾D(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的不平衡將引起系統(tǒng)的振動(dòng)，從而以負(fù)載的形式作用于系統(tǒng)，導(dǎo)致性能參數(shù)的變化。加載時(shí)，液體負(fù)載比固體負(fù)載下的動(dòng)態(tài)電容要大，而固體負(fù)載下的動(dòng)態(tài)電感明顯大于液體負(fù)載下的動(dòng)態(tài)電感。

表1 不同狀態(tài)下的性能參數(shù)

狀態(tài)諧振頻率/kHz動(dòng)態(tài)電阻/Ω動(dòng)態(tài)電容/nF動(dòng)態(tài)電感/mH空載靜止24.3729.030.7556.60空載旋轉(zhuǎn)24.373.921.6221.16液體負(fù)載24.3515.432.4517.38固體負(fù)載24.4239.140.041442.12

3.2 磨削力對(duì)性能參數(shù)的影響特性

為測(cè)試磨削力對(duì)超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)性能參數(shù)的影響，通過(guò)改變磨削深度從而獲得不同的磨削力。如圖3所示，以0.01 mm為增量，測(cè)試了0.02～0.12 mm磨削深度下的磨削力。磨削力隨磨削深度的增加整體呈增大趨勢(shì)，且在磨削深度大于0.08 mm后，磨削力的增大速度明顯增加。

圖4為超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)性能參數(shù)隨磨削力變化的曲線。由圖4a、b可知，諧振頻率隨磨削力的增大呈下降趨勢(shì)，而動(dòng)態(tài)電阻隨磨削力的增大呈上升趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定值。由圖4c、d、f可看出，動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電感和機(jī)械品質(zhì)因素隨磨削力的變化只在某一個(gè)力值段出現(xiàn)脈沖突變，而在其它力值下基本保持不變，即動(dòng)態(tài)電容值在磨削力為42 N左右出現(xiàn)一個(gè)下降脈沖突變，動(dòng)態(tài)電感和機(jī)械品質(zhì)因素在42 N左右出現(xiàn)一個(gè)上升脈沖突變。圖4e表明，隨著磨削力的變化，靜態(tài)電容始終在一個(gè)穩(wěn)定值上下波動(dòng)，整個(gè)過(guò)程基本保持常數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比分析了超聲內(nèi)圓磨削系

統(tǒng)性能參數(shù)在不同狀態(tài)下的特性，研究了性能參數(shù)受磨削力的影響變化關(guān)系。結(jié)果表明：空載時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)將影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電阻值；液體負(fù)載和固體負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的性能參數(shù)影響表現(xiàn)不同；隨著磨削力增大，諧振頻率呈下降趨勢(shì)，而動(dòng)態(tài)電阻呈上升趨勢(shì)并最終趨于穩(wěn)定值；動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容和機(jī)械品質(zhì)因素都在42 N左右出現(xiàn)一個(gè)脈沖突變，而靜態(tài)電容基本保持常數(shù)。

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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

* 江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目資助( 15KJB460015) ; 2015 年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助( 611311401)

TB552

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.014

謝鷗，男，1983年生，博士，講師，研究方向?yàn)榫芘c超精密加工技術(shù)、數(shù)控技術(shù)。

(編輯 李 靜)

2016-04-19)

161121