专利名称：一种超声振动三维螺线磨削方法
技术领域：
本发明涉及一种超声振动三维螺线磨削方法，适用于难加工材料的高效精密加工。
背景技术：
陶瓷、半导体衬底、蓝宝石衬底、硬质合金、高速钢等难加工材料在航空、电子、光学、汽车等工业领域的应用日益广泛。传统的磨削加工不可避免产生严重的加工变质层和表面裂纹，磨削过程中产生较大的磨削力以及较高的磨削温度，加剧了砂轮的磨损和加工表面的损伤。一方面需要及时修整与更换砂轮，另一方面为去除加工缺陷与提高表面光洁度，需要长时间的后续光整加工，因此增加了加工成本，降低了加工效率。为解决这些问题， 超声振动被应用到难加工材料的高效磨削中。目前应用较为广泛的超声振动磨削主要归结为两类一种是一维轴向振动磨削，即超声振动方向平行于砂轮轴向或工件表面，其主要特点是能够大幅度提高表面质量。轴向超声振动能够产生近似正弦切削轨迹，磨削刃与工件永久接触，可以用于高精度复杂形状零件的制造。另外一种是一维径向超声振动磨削，即超声振动方向沿着砂轮径向，其主要特点是能够显著减小磨削力以及提高材料去除率，但是会导致砂轮磨损的增加和表面粗糙度的轻微增加。砂轮磨损的增加是由磨粒脱落比例减小以及较低的热载荷使磨粒微观磨损增加而导致的。粗糙度的轻微增加是由于在相同的材料去除率条件下，有效磨粒切削刃数量增加以及工件表面塑性变形的减小所致。根据一维超声振动磨削的特点，为了充分发挥超声振动磨削的加工优势，本研究提出了一种超声振动三维螺线磨削方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声振动三维螺线磨削方法，用于实现难加工材料的高效精密加工，降低生产成本。本发明中磨粒以三维空间螺旋线方式去除工件材料。磨粒的切削速度和加速度随着磨粒空间位移的变化而不断改变，导致磨削性能发生变化。由于磨粒存在垂直方向的超声振动分量，导致磨粒切削深度不断周期变化且磨粒最大磨削深度增加，磨粒存在断续切削作用，其有效切削时间减小，同时由于磨粒的巨大加速度对工件材料的冲击和软化作用效果，导致磨削力大幅度降低，从而可以提高加工效率。另一方面由于磨粒存在砂轮轴向方向的超声振动分量，不同磨粒在工件上的切削轨迹相互干涉，促使工件表面粗糙度降低，表面质量提高。因此超声振动三维螺线磨削方法可以大幅度降低磨削力，同时提高表面质量。 因此该技术具有广阔的应用前景，能够创造出明显的社会价值和经济效益。本发明利用一种椭圆超声振动装置对工件施加椭圆超声振动，该椭圆振动平面垂直于磨削速度方向。本发明应用在蓝宝石单晶的高效精密磨削中，可实现磨削力减少40%， 粗糙度减少30%，加工表面的裂纹与脆性断裂显著减少，延性域磨削深度显著增加。首先， 由于磨削力大幅度减小，降低了砂轮的磨损，提高砂轮的自锐性能，延长了使用寿命。其次，由于加工表面质量的提高，减少了表面损伤层厚度，缩短了后续的光整加工时间。本发明中椭圆超声振动装置可方便安装在普通磨床上，无需改变磨床设备，因此加工成本较低且操作简单，可广泛应用于难加工材料的加工。
下面结合附图对本发明作详细说明。附图1 本发明的超声振动三维螺线磨削原理示意图。图中1为砂轮，2为工件。附图2 本发明的超声振动三维螺线磨削系统的工作示意图。图中1为砂轮，2为工件，3为椭圆超声振动子，4为夹具，5为工作台，6为机床床身。
具体实施例方式1.将工件2用石蜡固定在椭圆超声振动子3的顶端面上，然后将椭圆超声振动振子3用夹具4夹紧后，固定在机床床身6上面的工作台5上。2.调整椭圆超声振动子3的位置，保证其椭圆振动平面垂直于磨削速度方向。3.打开波函数发生器，使其输出两个频率相同且有相位差的交流电压信号，经功率放大器放大后，施加到椭圆超声振动子上，振子的伸缩和弯曲振动模态被同时激励，此时工件随着椭圆超声振动子3以椭圆形状作超声振动。4.设置砂轮转速Vs以及磨削深度 ，工作台进给速度Vw等加工参数，进行磨削加工。5.加工完成后，将工件与超声振动子一起放在电炉上，加热至100 150°C，待石蜡融化后，取下工件进行超声波清洗，由此完成工件的加工。
权利要求
1.超声振动三维螺线磨削方法，磨削过程中对工件施加了二维椭圆超声振动，其特征是对工件施加了砂轮轴向和砂轮径向的二维超声振动，工件作二维椭圆超声振动，磨粒相对工件的切削轨迹是三维空间螺旋线。
2.根据权利要求1的超声振动三维螺线磨削方法，其特征是该方法可以通过一种椭圆超声振动装置直接对工件施加椭圆超声振动。
3.根据权利要求2所述的椭圆超声振动装置，其特征是由一个椭圆超声振动子、波函数发生器、功率放大器以及夹具组成。
4.根据权利要求2所述的椭圆超声振动装置，其特征是椭圆超声振子由压电陶瓷晶体与金属弹性粘结制成，在某一超声频率下同时具有弯曲模态和伸缩模态。
5.根据权利要求2所述的椭圆超声振动装置，其特征是当用两个相同频率的交流电压信号对椭圆振动子的弯曲模态和伸缩模态同时激励，椭圆超声振子同时产生伸缩和弯曲振动，其运动合成为椭圆振动。
全文摘要
本发明提供一种超声振动三维螺线磨削方法，适用于难加工材料的高效精密加工。在普通磨床上采用超声换能器对工件施加砂轮轴向以及砂轮径向的二维超声振动，工件作椭圆超声振动。由于磨削速度方向是垂直于椭圆超声振动的平面，磨粒相对于工件的切削轨迹为三维空间螺旋线。本发明中，砂轮轴向的超声振动使磨粒在工件表面上的轨迹相互干涉，从而实现了粗糙度的降低；同时砂轮径向的超声振动导致磨粒的最大切削深度增加，磨粒发生断续性切削作用，从而实现磨削力的降低以及材料去除率的提高。该方法可提高加工表面质量，减少表面损伤，提高生产效率，因此适用于难加工材料的高效精密加工。
文档编号B24B1/04GK102490088SQ20111036617
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者刘志兵, 吴勇波, 李忠新, 梁志强, 焦黎, 王西彬, 解丽静 申请人:北京理工大学