劉鴻智

摘 要：本文探討了超聲波在機(jī)械研磨中的應(yīng)用，對(duì)運(yùn)用超聲波技術(shù)進(jìn)行機(jī)械研磨與不應(yīng)用超聲波技術(shù)進(jìn)行機(jī)械研磨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，超聲波復(fù)合研磨的去除率明顯高于單一的機(jī)械研磨。由此得出，在機(jī)械研磨中加入超聲波技術(shù)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義，值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械研磨；超聲波；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TG663 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，汽車、航空、機(jī)械等領(lǐng)域?qū)π虏牧系男枨罅吭絹碓酱螅绕鋵?duì)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(jī)械研磨的材料去除率，以獲得超精密的表面質(zhì)量。

超聲波是一種頻率高于20 000Hz的聲波，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。超聲波在媒質(zhì)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(yīng)用到機(jī)械研磨加工中，是因?yàn)槠洳ㄩL很短（<17cm），具有普通聲波不具有的加工優(yōu)勢(shì)[1]。

1 超聲波加工技術(shù)

超聲波具有能量高的特點(diǎn)。超聲波頻率高，在傳播時(shí)方向性好、穿透力強(qiáng)、介質(zhì)振動(dòng)力強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。鑒于上述特點(diǎn)，其能量密度可達(dá)100W/cm2以上。

超聲波具有空化現(xiàn)象?？栈荽嬖谟谝后w中并在超聲波作用下發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，超聲波的氣壓分為超聲正壓和超聲負(fù)壓，空化氣泡在不同氣壓下會(huì)發(fā)生不同的反應(yīng)：正壓時(shí)，空化氣泡閉合；負(fù)壓時(shí)，空化氣泡迅速長大，且超聲氣壓是正壓與負(fù)壓不斷交替出現(xiàn)，這就導(dǎo)致空化氣泡一直在不斷伸張與壓縮，直到達(dá)到一個(gè)能使其崩潰的點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是所謂的“熱點(diǎn)”。在熱點(diǎn)出現(xiàn)的一瞬間，空化氣泡的周圍會(huì)出現(xiàn)異常的高溫與高壓，這就是“熱點(diǎn)”的來源。

超聲波具有機(jī)械效應(yīng)。超聲波的機(jī)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(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)形成一股駐波，懸浮在流體中的微小顆粒因受機(jī)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(xué)效應(yīng)。超聲波的空化現(xiàn)象與化學(xué)效應(yīng)具有密切的關(guān)系，化學(xué)反應(yīng)的生成總會(huì)伴有空化現(xiàn)象的出現(xiàn)，兩者共同作用加速化學(xué)物質(zhì)的分解、水解與聚合。超聲波加強(qiáng)能給化學(xué)反應(yīng)帶來極大的作用：首先，超聲波加強(qiáng)使空化現(xiàn)象更加劇烈；其次，當(dāng)空化氣泡崩潰時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，這會(huì)給化學(xué)反應(yīng)提供一個(gè)特殊的反應(yīng)環(huán)境，讓原本難以發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行反應(yīng)[2]。例如，在染布料的水中通入超聲波后，會(huì)產(chǎn)生變色或者褪色的現(xiàn)象。

在機(jī)械研磨加工中，超聲波主要應(yīng)用于硬脆材料的加工及不導(dǎo)電的非金屬材料領(lǐng)域。利用超聲波進(jìn)行機(jī)械研磨加工，生產(chǎn)成本較低，且設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單，加工出來的產(chǎn)品質(zhì)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(diǎn)，現(xiàn)在世界上很多國家都已經(jīng)在傳統(tǒng)機(jī)械研磨中加入了超聲波。利用超聲波技術(shù)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(jī)械研磨基礎(chǔ)上加入超聲波技術(shù)，這種加工方法可以有效提高工作效率和加工元件的質(zhì)量，主要應(yīng)用于硬脆材料加工領(lǐng)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(yīng)用于醫(yī)學(xué)B超、清洗元件、測(cè)距離和殺菌消毒等領(lǐng)域。大量研究表明，在機(jī)械研磨中加入超聲波技術(shù)，能減少研磨時(shí)出現(xiàn)的問題，各個(gè)國家都在應(yīng)用該技術(shù)。

國內(nèi)有研究表明，在機(jī)械研磨中加入超聲波技術(shù)，超聲振動(dòng)頻率過高，振動(dòng)研磨時(shí)，工件的表面光滑度會(huì)變好，說明超聲波研磨技術(shù)對(duì)增強(qiáng)砂輪研磨性具有一定作用，其使得機(jī)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(zhì)量高，研磨的表面能形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。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(jìn)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(duì)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(huì)一直增大，因?yàn)楫?dāng)直徑達(dá)到一定程度時(shí)，加工效率會(huì)減少增長且趨于平穩(wěn)。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置由機(jī)械研磨系統(tǒng)、超聲波振動(dòng)系統(tǒng)和夾具調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。

試驗(yàn)裝置的原理。利用對(duì)稱安裝的方法，在夾具上裝上連接器，一次性可以裝5～10個(gè)；為了能通過連接器傳遞到研磨介質(zhì)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(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波信號(hào)，超聲波經(jīng)過變幅桿時(shí)進(jìn)行放大，最后傳遞到夾具上；在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械研磨盤可以進(jìn)行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度不可以調(diào)節(jié)，但可以通過加載裝置自行調(diào)整，平行度是由高度調(diào)整環(huán)實(shí)現(xiàn)的，在調(diào)整的同時(shí)還有一個(gè)專用的對(duì)刀塊在工作。

超聲波研磨加工的理論模型。目前，在機(jī)械研磨中加入超聲波技術(shù)受到世界各國研究人員的關(guān)注，這種新穎的加工方式對(duì)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(dòng)了超聲波研磨加工技術(shù)理論模型的不斷完善，豐富了精密研磨的工藝技術(shù)。

4 超聲波研磨加工材料的去除機(jī)理

通過實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)速及時(shí)間。要想提升研磨拋光工藝技術(shù)，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(gè)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(huì)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(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)試件紋裂處就會(huì)產(chǎn)生切屑。材料的去除率隨切屑的大小而改變，產(chǎn)生的切屑越大，材料去除率就越大。

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

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在機(jī)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(dòng)使機(jī)械研磨時(shí)間變長，速度大大提升，利用超聲波研磨時(shí)，磨輪會(huì)與研磨方向成垂直關(guān)系，這會(huì)在加工界面形成一個(gè)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(shí)會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，到一定程度，氣泡會(huì)瞬間爆破，最終利用爆破瞬間產(chǎn)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(zhì)量。

6 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波進(jìn)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(shù)，分析了當(dāng)前超聲波精密研磨加工技術(shù)的現(xiàn)狀，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在世界各國研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善超聲波研磨加工的理論模型。通過實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：①超聲波本身的特點(diǎn)為研磨加工提供了較大的優(yōu)勢(shì)，這也是為什么在傳統(tǒng)機(jī)械研磨中加入超聲波技術(shù)的原因；②超聲波研磨的理論模型在進(jìn)一步完善，對(duì)超聲波的應(yīng)用越來越廣泛；③在傳統(tǒng)的機(jī)械研磨中加入超聲波技術(shù)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(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，材料去除率得到很大提升，是一般機(jī)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(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴杰.ELID超聲振動(dòng)磨削技術(shù)開發(fā)及其實(shí)驗(yàn)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2016.

[2]劉曼利，侯軍峰，楊衛(wèi)平.超聲橢圓振動(dòng)復(fù)合化學(xué)機(jī)械研磨硅片運(yùn)動(dòng)軌跡仿真研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2016（10）：4-7.