專利名稱：一種超聲振動三維螺線磨削方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲振動三維螺線磨削方法，適用于難加工材料的高效精密加工。
背景技術：
陶瓷、半導體襯底、藍寶石襯底、硬質合金、高速鋼等難加工材料在航空、電子、光學、汽車等工業領域的應用日益廣泛。傳統的磨削加工不可避免產生嚴重的加工變質層和表面裂紋，磨削過程中產生較大的磨削力以及較高的磨削溫度，加劇了砂輪的磨損和加工表面的損傷。一方面需要及時修整與更換砂輪，另一方面為去除加工缺陷與提高表面光潔度，需要長時間的后續光整加工，因此增加了加工成本，降低了加工效率。為解決這些問題， 超聲振動被應用到難加工材料的高效磨削中。目前應用較為廣泛的超聲振動磨削主要歸結為兩類一種是一維軸向振動磨削，即超聲振動方向平行于砂輪軸向或工件表面，其主要特點是能夠大幅度提高表面質量。軸向超聲振動能夠產生近似正弦切削軌跡，磨削刃與工件永久接觸，可以用于高精度復雜形狀零件的制造。另外一種是一維徑向超聲振動磨削，即超聲振動方向沿著砂輪徑向，其主要特點是能夠顯著減小磨削力以及提高材料去除率，但是會導致砂輪磨損的增加和表面粗糙度的輕微增加。砂輪磨損的增加是由磨粒脫落比例減小以及較低的熱載荷使磨粒微觀磨損增加而導致的。粗糙度的輕微增加是由于在相同的材料去除率條件下，有效磨粒切削刃數量增加以及工件表面塑性變形的減小所致。根據一維超聲振動磨削的特點，為了充分發揮超聲振動磨削的加工優勢，本研究提出了一種超聲振動三維螺線磨削方法。

發明內容
本發明的目的在于提供一種超聲振動三維螺線磨削方法，用于實現難加工材料的高效精密加工，降低生產成本。本發明中磨粒以三維空間螺旋線方式去除工件材料。磨粒的切削速度和加速度隨著磨粒空間位移的變化而不斷改變，導致磨削性能發生變化。由于磨粒存在垂直方向的超聲振動分量，導致磨粒切削深度不斷周期變化且磨粒最大磨削深度增加，磨粒存在斷續切削作用，其有效切削時間減小，同時由于磨粒的巨大加速度對工件材料的沖擊和軟化作用效果，導致磨削力大幅度降低，從而可以提高加工效率。另一方面由于磨粒存在砂輪軸向方向的超聲振動分量，不同磨粒在工件上的切削軌跡相互干涉，促使工件表面粗糙度降低，表面質量提高。因此超聲振動三維螺線磨削方法可以大幅度降低磨削力，同時提高表面質量。 因此該技術具有廣闊的應用前景，能夠創造出明顯的社會價值和經濟效益。本發明利用一種橢圓超聲振動裝置對工件施加橢圓超聲振動，該橢圓振動平面垂直于磨削速度方向。本發明應用在藍寶石單晶的高效精密磨削中，可實現磨削力減少40%， 粗糙度減少30%，加工表面的裂紋與脆性斷裂顯著減少，延性域磨削深度顯著增加。首先， 由于磨削力大幅度減小，降低了砂輪的磨損，提高砂輪的自銳性能，延長了使用壽命。其次，由于加工表面質量的提高，減少了表面損傷層厚度，縮短了后續的光整加工時間。本發明中橢圓超聲振動裝置可方便安裝在普通磨床上，無需改變磨床設備，因此加工成本較低且操作簡單，可廣泛應用于難加工材料的加工。


下面結合附圖對本發明作詳細說明。附圖1 本發明的超聲振動三維螺線磨削原理示意圖。圖中1為砂輪，2為工件。附圖2 本發明的超聲振動三維螺線磨削系統的工作示意圖。圖中1為砂輪，2為工件，3為橢圓超聲振動子，4為夾具，5為工作臺，6為機床床身。
具體實施例方式1.將工件2用石蠟固定在橢圓超聲振動子3的頂端面上，然后將橢圓超聲振動振子3用夾具4夾緊后，固定在機床床身6上面的工作臺5上。2.調整橢圓超聲振動子3的位置，保證其橢圓振動平面垂直于磨削速度方向。3.打開波函數發生器，使其輸出兩個頻率相同且有相位差的交流電壓信號，經功率放大器放大后，施加到橢圓超聲振動子上，振子的伸縮和彎曲振動模態被同時激勵，此時工件隨著橢圓超聲振動子3以橢圓形狀作超聲振動。4.設置砂輪轉速Vs以及磨削深度 ，工作臺進給速度Vw等加工參數，進行磨削加工。5.加工完成后，將工件與超聲振動子一起放在電爐上，加熱至100 150°C，待石蠟融化后，取下工件進行超聲波清洗，由此完成工件的加工。
權利要求
1.超聲振動三維螺線磨削方法，磨削過程中對工件施加了二維橢圓超聲振動，其特征是對工件施加了砂輪軸向和砂輪徑向的二維超聲振動，工件作二維橢圓超聲振動，磨粒相對工件的切削軌跡是三維空間螺旋線。
2.根據權利要求1的超聲振動三維螺線磨削方法，其特征是該方法可以通過一種橢圓超聲振動裝置直接對工件施加橢圓超聲振動。
3.根據權利要求2所述的橢圓超聲振動裝置，其特征是由一個橢圓超聲振動子、波函數發生器、功率放大器以及夾具組成。
4.根據權利要求2所述的橢圓超聲振動裝置，其特征是橢圓超聲振子由壓電陶瓷晶體與金屬彈性粘結制成，在某一超聲頻率下同時具有彎曲模態和伸縮模態。
5.根據權利要求2所述的橢圓超聲振動裝置，其特征是當用兩個相同頻率的交流電壓信號對橢圓振動子的彎曲模態和伸縮模態同時激勵，橢圓超聲振子同時產生伸縮和彎曲振動，其運動合成為橢圓振動。
全文摘要
本發明提供一種超聲振動三維螺線磨削方法，適用于難加工材料的高效精密加工。在普通磨床上采用超聲換能器對工件施加砂輪軸向以及砂輪徑向的二維超聲振動，工件作橢圓超聲振動。由于磨削速度方向是垂直于橢圓超聲振動的平面，磨粒相對于工件的切削軌跡為三維空間螺旋線。本發明中，砂輪軸向的超聲振動使磨粒在工件表面上的軌跡相互干涉，從而實現了粗糙度的降低；同時砂輪徑向的超聲振動導致磨粒的最大切削深度增加，磨粒發生斷續性切削作用，從而實現磨削力的降低以及材料去除率的提高。該方法可提高加工表面質量，減少表面損傷，提高生產效率，因此適用于難加工材料的高效精密加工。
文檔編號B24B1/04GK102490088SQ20111036617
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者劉志兵, 吳勇波, 李忠新, 梁志強, 焦黎, 王西彬, 解麗靜 申請人:北京理工大學