柔性接觸振幅補償的超聲振動砂帶磨頭

肖貴堅 鄧忠才 李少川 黃雲 / 文

重慶大學

摘要：本文提出了一種具有柔性接觸振幅補償的超聲振動砂帶磨頭，這種磨頭包括驅動機構、轉接板、張緊機構、超聲振動系統、超聲系統固定裝置、振幅補償器、接觸輪和砂帶組成。轉接板與磨床運動部位相連，前面板固定超聲振動砂帶磨頭組成，驅動機構帶動砂帶轉動，張緊機構對砂帶張緊；超聲振動系統透過法蘭盤固定在轉接板上，變幅杆末端與振幅補償器相連；振幅補償器中的補償杆透過縮小末端面積實現聚能補償，同時在振幅補償器中部設定強力彈簧，振幅補償器中的強力彈簧與補償杆的超聲振動形成諧振補償。振幅補償器中補償杆的結構增振與強力彈簧的諧振增振共同作用，對接觸輪的柔性吸振進行補償。該裝置能夠實現砂帶磨削中材料去除與表面強化一體化加工。

引言

超聲振動輔助加工由於其在減小切削力、延長刀具壽命、提升表面完整性、改善組織效能等方面的優異效能，在車削、銑削、砂輪磨削等加工領域得到了廣泛的應用。砂帶磨削和拋光加工作為航空發動機葉片等複雜曲面構件的最終處理工藝，能夠消除之前工序的加工餘量和加工紋理，同時決定零部件的最終表面狀態和表面性能。然而在砂帶磨拋加工去除加工餘量和加工紋理的同時，也會消除前期工藝引入的表面強化層。目前普遍採用的是在砂帶磨拋加工後進行振動光飾或表面噴丸處理進行強化，上述工藝組合不但增加了零件的生產週期，而且提升了生產成本。此外，噴丸處理在引入表面殘餘應力的同時，通常會導致表面粗糙度增加，不利於工件綜合表面性能提升。為了解決現有技術存在的問題，本文設計了一種具有柔性接觸振幅補償的超聲振動砂帶磨頭。

1. 具有柔性接觸振幅補償的超聲振動磨頭

1.1 具有柔性接觸振幅補償的超聲振動磨頭創新設計

一種具有柔性接觸振幅補償的超聲振動砂帶磨頭，磨頭特徵包括包括驅動結構 1、砂帶 2、轉接板 3、張緊機構 4、超聲系統固定裝置 5、超聲振動系統 6、振幅補償器7 和接觸輪 8。轉接板固定在砂帶磨床上，其上邊安裝有驅動結構、張緊結構和超聲振動系統。驅動結構包括驅動輪、聯軸器和伺服電機。超聲振動系統包括換能器、超聲波發生器和變幅杆。振幅補償器包括補償杆、彈簧和限位板。接觸輪包括接觸輪安裝柄和橡膠輪。超聲振動磨頭裝置其超聲振動系統固定在轉接板上，避免了柔性力控系統的吸振和減振，實現了超聲振動的單項振幅可控傳播，增加了接觸輪的震動振幅調節範圍。裝置透過增加振幅補償器可以實現對變幅杆末端的機械超聲振動振幅進行二次放大，補償杆的一次聚能增振和強力彈簧的二次諧振增振共同作用，對接觸輪的柔性吸振進行補償，增加了砂帶磨削系統中超聲振動振幅的可以調節範圍。裝置實現了超聲振動在砂帶磨削中的良性應用，在砂帶磨拋去除材料的過程中，同時對磨削加工表面進行小幅高頻衝擊，增加了殘餘壓應力、細化了微觀組織，提高了表面完整性、提升了服役效能，實現了精密磨削加工和表面強化融合加工。能夠提升加工表面性能、減少零件的加工工序、提高生產效率，尤其是對於需要砂帶磨削加工的複雜曲面構件。

1.2 多維超聲振動輔助磨削裝置

超聲振動輔助加工由於其在減小磨削力、降低磨削溫度、提升表面質量以及功能織構表面加工方面具有卓越的優勢，在高服役效能構件加工中被廣泛應用。然而，目前超聲輔助加工在砂帶磨削領域的應用研究較為受限，尤其是三維超聲輔助加工在砂帶磨削領域的研究尚未開展。為探究新型磨削工藝下的表面質量和服役效能，團隊設計開發了三維超聲輔助砂帶磨削平臺（圖 5），設計的法向超聲輔助砂帶磨削頭透過接觸輪驅動砂帶實現了超聲驅動與砂帶材料去除的協同加工，該磨頭可以滿足複雜曲面的加工需求。二維振動平臺可以實現振動角度、振動相位差的調節，將工件固定於二維振動平臺可以實現工件的平面二維振動。三維超聲振動平臺的成功研製是團隊在多能場輔助加工中的新突破，為超聲輔助砂帶研究奠定了硬體基礎，目前團隊已開展超聲輔助砂帶磨削表面質量及服役效能研究。

2. 柔性接觸振幅補償的超聲振動砂帶磨頭實驗研究

2.1 實驗裝備

柔性接觸振幅補償的超聲振動砂帶磨頭實驗平臺是國內研發的首臺鐳射砂帶協同加工裝備的附屬平臺，該裝備的研發是圍繞鐳射砂帶多能場協同加工模型表徵及材料去除機理、基於“熔擦”模型的微結構擬合創成及其強化機制、強化微結構鐳射砂帶協同創成引數調控及精度補償和典型強化微結構鐳射砂帶協同加工實驗及其效能測試等關鍵技術攻關研製出的，並屬於國內外首臺套高服役表面鐳射砂帶協同加工裝備（圖 6），形成了系統的高溫合金、脆硬材料等難加工材料的加工技術體系，能實現仿生或功能性微納結構高效、高精度及其強化加工。該裝備可以在材料表面精密加工經計算機設計的凹坑、網紋等微納結構，可加工出 1μm 尺度的疏水功能微結構，接觸角可達 156°，與現有的超快鐳射加工相比，效率可提高 180 倍，並改善了難加工材料的可加工效能，減小了砂帶磨損和材料損傷。相關研究成果已發表 SCI/EI 論文 35 篇、中文 T 級論文 7 篇，申請發明專利 12 項。裝備已經在四川大學、四川輕工業學院、中國科學院上海光學精密機械研究所、南京翠智鐳射應用技術研究院有限公司等得到應用，為超疏水、減阻以及其他仿生功能表面的大面積加工提供了一種創新的方法，有助於提升葉片、螺旋槳等高服役旋轉構件的加工水平。

2.2 超聲振動輔助磨削實驗

2。2。1 實驗目的

砂帶磨削由於具有柔性、結構靈活，在加工中可避免表面損傷、微裂紋等缺陷而被廣泛應用於表面的加工。但傳統的磨削方式對工件質量要求有一定的限制，很難適應複雜零件表面的加工。為了滿足複雜零件的高效能加工，設計出一種具有柔性接觸振幅補償的超聲振動砂帶磨頭進行實驗研究，探究磨削引數對錶面完整性的影響，探討線速度和進給速度對錶面完整性的影響。

2。2。2 實驗材料

超聲振動輔助磨削實驗使用的材料為鎳基高溫合金GH4169 板 材， 幾 何 尺 寸 為 120 mm * 80 mm * 10 mm。GH4169 具有優良的綜合性能，如高溫強度、抗氧化性、耐熱蝕性和抗疲勞性。但其高強度特性使其在加工過程中容易產生表面燒傷、微裂紋等表面缺陷。GH4169 的應力集中敏感特性使其容易發生疲勞失效，從而具有較高的疲勞強度加工工藝要求。試驗材料樣品如圖 7，具體化學成分和力學效能分別見表 1 和表 2

2。2。3 實驗引數

為了探究不同磨削引數對錶面完整性的影響，實驗設定了兩組對比實驗，一組採用超聲振動輔助磨削實驗，其頻率設定為 23。25kHz；另一組實驗採用普通磨削方式，其磨削引數與超聲振動輔助磨削引數設定一致。具體磨削引數如表 3。

3.實驗檢測及結果

3。1表面形貌

磨削後的表面紋理及形貌如圖 8 所示，圖 a 為常規磨削的表面紋理；圖 b 為常規磨削的三維形貌；圖c 為超聲振動輔助磨削的表面紋理；圖 d 為超聲振動輔助磨削的三位形貌。從圖中可以看出常規磨削時表面紋理波動起伏相對於超聲振動輔助磨削較大，但由

於砂帶的柔性，其表面質量相對較高，在一定程度上可以滿足加工需求。圖 c 和圖 d 可以看出磨削表面紋理波動起伏較小，表面質量較好，相對沒有超聲振動輔助磨削時粗糙度要略低。

3。2表面粗糙度

超聲輔助磨削和常規磨削的表面形貌檢測如圖 9 所示，a 圖為超聲輔助磨削形貌，b 圖為常規磨削。圖中可以看出，超聲輔助磨削的表面更加細膩，粗糙度值相對常規磨削要低，其表面粗糙度 Ra=1。25μm ，Rz=13。1μm，紋理波峰為 4。2μm，磨削深度為 6。2μm。在圖中，常規磨削的粗糙度 Ra=1。71μm ，Rz=10。55μm，紋理波峰為4。6μm，磨削深度為 7。8μm。這與前面表面紋理相符。

4.結論

本文設計了一種具有柔性接觸振幅補償的超聲振動砂帶磨頭，該裝置在砂帶磨削材料去除的過程中，同時在加工表面施加垂直於接觸表面的超聲振動對磨拋加工表面進行小幅高頻衝擊。該裝置實現了表面精密磨拋加工與表面強化的有機融合，在砂帶拋磨加工的過程中引入較大的表面殘餘壓應力和細化的微觀組織，改善了表面質量，提升了材料表面的完整性和綜合力學效能，對於減少零件加工工序、提高生產效率和提升表面綜合性能具有重要意義。透過常規磨削實驗以及超聲輔助磨削加工實驗的對比研究，表明了超聲輔助加工有利於提升材料的表面質量。同時，在超聲輔助磨削中，接觸振幅補償的超聲振動砂帶磨頭具起著重大作用。