超聲波在機械研磨加工中的應用

劉鴻智

摘 要：本文探討了超聲波在機械研磨中的應用，對運用超聲波技術進行機械研磨與不應用超聲波技術進行機械研磨進行實驗，通過對比發(fā)現(xiàn)，超聲波復合研磨的去除率明顯高于單一的機械研磨。由此得出，在機械研磨中加入超聲波技術對工業(yè)生產具有重要意義，值得推廣應用。

關鍵詞：機械研磨；超聲波；應用

中圖分類號：TG663 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0062-02

The Application of Ultrasonic in Mechanical Grinding

LIU Hongzhi

（Hebi Polytechnic，Hebi Henan 458030）

Abstract： This paper discussed the application of ultrasonic in mechanical attrition， and carried out mechanical grinding experiments with ultrasonic technology and ultrasonic technology. Through comparison， it was found that the removal rate of ultrasonic composite grinding was significantly higher than that of single mechanical lapping. Therefore， it is very important for industrial production to add ultrasonic technology to mechanical grinding， and it is worth popularizing.

Keywords： mechanical grinding； ultrasonic；application

隨著我國機械制造業(yè)的不斷發(fā)展，汽車、航空、機械等領域對新材料的需求量越來越大，尤其對工程陶瓷的需要。為了克服加工過程中存在的困難，需要提高機械研磨的材料去除率，以獲得超精密的表面質量。

超聲波是一種頻率高于20 000Hz的聲波，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。超聲波在媒質中具有反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律。超聲波之所以能應用到機械研磨加工中，是因為其波長很短（<17cm），具有普通聲波不具有的加工優(yōu)勢[1]。

1 超聲波加工技術

超聲波具有能量高的特點。超聲波頻率高，在傳播時方向性好、穿透力強、介質振動力強，會產生空化現(xiàn)象。鑒于上述特點，其能量密度可達100W/cm2以上。

超聲波具有空化現(xiàn)象。空化泡存在于液體中并在超聲波作用下發(fā)生強烈振動，超聲波的氣壓分為超聲正壓和超聲負壓，空化氣泡在不同氣壓下會發(fā)生不同的反應：正壓時，空化氣泡閉合；負壓時，空化氣泡迅速長大，且超聲氣壓是正壓與負壓不斷交替出現(xiàn)，這就導致空化氣泡一直在不斷伸張與壓縮，直到達到一個能使其崩潰的點，這個點就是所謂的“熱點”。在熱點出現(xiàn)的一瞬間，空化氣泡的周圍會出現(xiàn)異常的高溫與高壓，這就是“熱點”的來源。

超聲波具有機械效應。超聲波的機械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。超聲波在液體介質中傳播時，會形成一股駐波，懸浮在流體中的微小顆粒因受機械力的作用而凝聚在波節(jié)處，在空間形成周期性的堆積。

超聲波具有化學效應。超聲波的空化現(xiàn)象與化學效應具有密切的關系，化學反應的生成總會伴有空化現(xiàn)象的出現(xiàn)，兩者共同作用加速化學物質的分解、水解與聚合。超聲波加強能給化學反應帶來極大的作用：首先，超聲波加強使空化現(xiàn)象更加劇烈；其次，當空化氣泡崩潰時會產生強烈的沖擊波，這會給化學反應提供一個特殊的反應環(huán)境，讓原本難以發(fā)生的化學反應順利進行反應[2]。例如，在染布料的水中通入超聲波后，會產生變色或者褪色的現(xiàn)象。

在機械研磨加工中，超聲波主要應用于硬脆材料的加工及不導電的非金屬材料領域。利用超聲波進行機械研磨加工，生產成本較低，且設備簡單、操作簡單，加工出來的產品質量高、加工精度高且不易變形。鑒于超聲波加工的這些優(yōu)點，現(xiàn)在世界上很多國家都已經在傳統(tǒng)機械研磨中加入了超聲波。利用超聲波技術后研磨出來的工件，表面光滑，材料去除率也得到提升。

2 超聲波精密研磨加工的現(xiàn)狀

超聲波精密研磨加工是指在普通的機械研磨基礎上加入超聲波技術，這種加工方法可以有效提高工作效率和加工元件的質量，主要應用于硬脆材料加工領域，加工出來的材料表面光滑度高、損傷小。除此之外，超聲波還可以應用于醫(yī)學B超、清洗元件、測距離和殺菌消毒等領域。大量研究表明，在機械研磨中加入超聲波技術，能減少研磨時出現(xiàn)的問題，各個國家都在應用該技術。

國內有研究表明，在機械研磨中加入超聲波技術，超聲振動頻率過高，振動研磨時，工件的表面光滑度會變好，說明超聲波研磨技術對增強砂輪研磨性具有一定作用，其使得機械研磨的砂輪不容易堵塞，砂輪能一直保持其鋒利性，研磨效率也能大大提升，且加工出來的材料質量高，研磨的表面能形成網狀結構。普通研磨與超聲波研磨最大的不同在于：普通研磨在研磨過程中砂輪與研磨方向是直線前進的；而在超聲波研磨過程中，砂輪與研磨方向是互相垂直的，在一定程度上增加了砂輪磨粒的研磨長度。研磨的最終效果還受其他因素的影響：工件直徑的大小對研磨加工效率有一定影響，直徑越小，加工效率越低，但直徑越大，加工效率不會一直增大，因為當直徑達到一定程度時，加工效率會減少增長且趨于平穩(wěn)。

3 實驗設計

試驗裝置由機械研磨系統(tǒng)、超聲波振動系統(tǒng)和夾具調節(jié)機構組成。

試驗裝置的原理。利用對稱安裝的方法，在夾具上裝上連接器，一次性可以裝5～10個；為了能通過連接器傳遞到研磨介質的界面上，安裝換能器，充分發(fā)揮換能器的作用，將其接受到的超聲波信號轉換為機械波信號，超聲波經過變幅桿時進行放大，最后傳遞到夾具上；在電機的驅動下，機械研磨盤可以進行自轉和公轉，轉動的速度不可以調節(jié)，但可以通過加載裝置自行調整，平行度是由高度調整環(huán)實現(xiàn)的，在調整的同時還有一個專用的對刀塊在工作。

超聲波研磨加工的理論模型。目前，在機械研磨中加入超聲波技術受到世界各國研究人員的關注，這種新穎的加工方式對現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展具有重要意義，這也就促使世界各國的研究人員在該方面不斷深入探索，推動了超聲波研磨加工技術理論模型的不斷完善，豐富了精密研磨的工藝技術。

4 超聲波研磨加工材料的去除機理

通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，超聲波研磨加工材料去除過程受很多工藝參數(shù)的影響，如壓力、磨粒的濃度、磨粒的尺寸、轉速及時間。要想提升研磨拋光工藝技術，最根本的就是解決材料去除率的問題。一般情況下，研磨加工的材料去除分為三個過程：一是將研磨磨粒在壓力作用下放到試件中；二是在壓力作用下，研磨磨粒會發(fā)生變形紋裂；三是試件接受研磨磨粒的擠壓沖擊，研磨盤又一直在轉動，此時試件紋裂處就會產生切屑。材料的去除率隨切屑的大小而改變，產生的切屑越大，材料去除率就越大。

因此，超聲研磨加工時應制定合理的工藝參數(shù)，注重工藝參數(shù)對材料去除率的影響，從而獲得表面質量更為光滑的工藝元件。

5 實驗結果分析

在機械研磨加工中加入超聲波，能提高材料的去除率，得到表面光滑的元件。超聲波的高頻率振動使機械研磨時間變長，速度大大提升，利用超聲波研磨時，磨輪會與研磨方向成垂直關系，這會在加工界面形成一個特殊的空化現(xiàn)象，然后加工界面的空化泡再伸展收縮交替變化，氣壓降低時會產生大量氣泡，到一定程度，氣泡會瞬間爆破，最終利用爆破瞬間產生的沖擊去除元件表面的不平處，從而得到表面光滑的元件，大大提高元件的表面質量。

6 結論

實驗結果表明，超聲波進行研磨是制作這些新材料的最佳方法。本文介紹了超聲波及超聲波加工技術，分析了當前超聲波精密研磨加工技術的現(xiàn)狀，并進行了實驗設計，在世界各國研究的基礎上，進一步完善超聲波研磨加工的理論模型。通過實驗可以得出以下結論：①超聲波本身的特點為研磨加工提供了較大的優(yōu)勢，這也是為什么在傳統(tǒng)機械研磨中加入超聲波技術的原因；②超聲波研磨的理論模型在進一步完善，對超聲波的應用越來越廣泛；③在傳統(tǒng)的機械研磨中加入超聲波技術后，發(fā)現(xiàn)材料去除率和工藝參數(shù)具有較大的聯(lián)系，對工藝參數(shù)進行優(yōu)化后，材料去除率得到很大提升，是一般機械研磨材料去除率的5倍還要多，這也大大提高了工業(yè)的生產效率。

參考文獻：

[1]戴杰.ELID超聲振動磨削技術開發(fā)及其實驗研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2016.

[2]劉曼利，侯軍峰，楊衛(wèi)平.超聲橢圓振動復合化學機械研磨硅片運動軌跡仿真研究[J].組合機床與自動化加工技術，2016（10）：4-7.