旋转超声辅助磨削加工的实验研究

摘要

硅、金刚石、陶瓷、光学玻璃、硬质合金、淬火钢等低塑性、高硬度的硬脆性材料，以其优越的物理、化学和机械性能，在航天、航空、汽车、冶金、机械加工等领域得到越来越广泛的应用。但也正是由于这些材料特性，使其加工难度较大、成本较高，很多传统加工方法无法满足这些材料的加工需求。旋转超声加工技术作为特种加工技术的一种，是集传统超声加工(USM)与金刚石刀具磨削加工为一体的复合加工方式，它的发展使得硬脆性材料的加工变得更简单、高效、可行。
　　 本文旨在通过实验研究旋转超声的工作机理、旋转超声对硬质合金材料的加工特性以及旋转超声机床的改造方法。主要内容概括如下：⑴为了研究旋转超声辅助加工的工作机理，本文进行了大量实验。依据刀具进给方向以及与工件接触位置的不同，加工过程可以分为钻式磨削、侧面磨削以及端面磨削三种类型。通过分析刀具上金刚石颗粒的运动特性可以发现，对于这三种加工过程而言，有、无旋转超声所造成的最大切削力差异的原因并不相同。⑵通过使用四种不同粒度型号的金刚石砂轮分别对硬质合金YG8进行了有、无旋转超声的端面磨削实验，并利用超景深显微镜和白光干涉仪观测了这两种加工方式下的工件表面质量。实验结果表明：当采用粒度号较小的金刚石砂轮时，有旋转超声的工件表面粗糙度要比无超声时的差；但对于粒度号较大的砂轮，有、无旋转超声所得到的工件表面粗糙度差异并不明显，甚至有旋转超声时的表面质量会略优于无旋转超声时的检测结果。相比于传统加工方式，旋转超声的使用可以明显减小被加工材料表面出现裂纹的几率。⑶为了拓宽旋转超声加工技术在国内市场的应用，切实解决硬脆性材料在实际加工过程中遇到的问题，本文基于普通钻铣床的结构特点设计了一套旋转超声加工附件，将其安装在机床上即可实现旋转超声加工功能，大大降低了生产成本。