曾加恒，陳 燕，譚 悅，陳宇輝，李仁闖

(1.遼寧科技大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.貴州航天天馬機電科技有限公司，貴州 遵義 563000)

0 引言

玉石由于溫潤光澤的外表，被廣泛收藏[1]。但由于其材料本身韌性不足、磨削抗力很大，加之優(yōu)良的耐磨性，使得傳統(tǒng)的磨削加工方法很難加工出形狀復(fù)雜的工件，而且其加工成本高、效率低、加工質(zhì)量不好。為了保證加工質(zhì)量，提高效率，一些改進(jìn)的加工工藝相繼被提出[2]。李寶膺[3]工程師制成了富有彈性而又不含添加填料的PVA砂輪對玉石表面進(jìn)行加工，磨削精度好,能保持工件無劃痕，但加工過程中易產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。賈華坡[4]等采用等離子體弧非接觸試拋光玉石表面，加工后得到良好的表面效果，但加工設(shè)備較為復(fù)雜，氬氣難以均勻化控制，使得加工后的表面粗糙度在2.0μm以上。周漢利[5]等采用碳酸鹽質(zhì)白玉的酸拋光方法，該化學(xué)拋光方法能對玉石進(jìn)行復(fù)雜加工，但是加工過程中危險性大，且對環(huán)境污染嚴(yán)重。傳統(tǒng)磁力研磨光整加工不僅研磨壓力小，而且研磨粒子加工軌跡較為單一，軌跡疊加較為嚴(yán)重，劃痕較深，致使加工效率較低，加工后玉石表面質(zhì)量較差[6-7]。針對以上加工方法的不足，提出采用旋轉(zhuǎn)超聲輔助磨削加工玉石的方法。

本實驗采用在普通磁力研磨基礎(chǔ)上添加旋轉(zhuǎn)超聲軸向高頻振動，增加研磨粒子自身的翻滾和劃擦作用，使磁性研磨粒子研磨軌跡交叉復(fù)雜化，能有效的減緩軌跡間的疊加現(xiàn)象[8-9]。不僅提高玉石表面質(zhì)量，同時還可以使研磨粒子在加工區(qū)域均勻分部，增加研磨效果的均勻性。通過將旋轉(zhuǎn)超聲加工和磁力研磨加工相結(jié)合的方法，有效提高玉石表面加工質(zhì)量和加工效率。

1 實驗

1.1 旋轉(zhuǎn)超聲加工機理

旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工機理如圖1所示。試驗通過在普通磁力研磨加工工藝上添加旋轉(zhuǎn)超聲加工工藝進(jìn)行輔助加工。磁力研磨加工由于磁場力的作用，在磁極周圍吸附研磨粒子并形成規(guī)律排列的柔性“磁力刷”，研磨過程中加工軌跡較為單一[10-11]。旋轉(zhuǎn)超聲的添加增加了磁性研磨粒子的運動，在原始周向運動的同時，增加了軸向高頻劃擦運動。在磁性研磨粒子的周向運動、軸向高頻劃擦運動和研磨頭的水平移動三種運動軌跡相互疊加形成復(fù)合磨削加工軌跡。使得磁性研磨粒子在工件表面產(chǎn)生擠壓、切削、劃擦和微量摩擦。

1.工件 2.旋轉(zhuǎn)運動 3.水平運動 4.變幅桿 5.集電環(huán)6.超聲振動系統(tǒng) 7.軸向振動 8.筒夾 9.磨具圖1 旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨加工原理圖

1.2 磁性研磨粒子的運動分析

在旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工過程中，磁性研磨頭吸附磁性研磨粒子壓附在工件表面進(jìn)行磁力研磨。在“磁力刷”研磨的作用下，磁性研磨粒子研磨工件，得到所需的研磨效果。由圖2磨粒運動軌跡圖所示，將整個旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨試驗過程進(jìn)行簡化，對磁性研磨單顆粒子進(jìn)行運動學(xué)分析。直線1和正弦曲線2分別為普通磁力研磨和旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨試驗時磁性研磨粒子的研磨軌跡。研磨加工從A點開始，在磁性研磨頭旋轉(zhuǎn)和軸向高頻機械振動作用下，經(jīng)過Δt時間磁性研磨粒子研磨工件表面分開，單顆研磨粒子一次研磨結(jié)束，對研磨是單顆磁性研磨粒子進(jìn)行運動分解：研磨粒子與工件為平面接觸，在Δt時間內(nèi)，磁性研磨粒子在高頻軸向機械振動振動作用下沿Y軸位移Δy，水平進(jìn)給方向X軸移動Δx。由直線1可得，普通磁力研磨軌跡較單一，軌跡之間無交叉疊加；由正弦曲線2可得，旋轉(zhuǎn)超聲磁粒研磨軌跡可相互交叉疊加，使得研磨軌跡復(fù)雜化[12-13]。

1.普通研磨時磨粒研磨軌跡 2.超聲振動輔助研磨時磨粒軌跡圖2 不同磨削條件下單顆磨粒軌跡示意圖

工件在工作臺上的進(jìn)給運動、磁性研磨頭的旋轉(zhuǎn)運動和高頻超聲軸向振動三種運動復(fù)合作用下組成旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨，單顆磁性研磨粒子的運動方程為：

(1)

式中，ds─磁性研磨頭直徑；ωs─旋轉(zhuǎn)主軸角頻率 ；

ωs=πns/30

ω─超聲波頻率；

磁性研磨粒子的切削深度為ɑp，可由公式(2)求得：

(2)

Δt時間很小，因此

(3)

2 試驗裝置及條件

2.1 試驗裝置

本實驗裝置由六自由度機械臂、控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨裝置及工作臺組成，如圖3所示。旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨裝置固定在六自由度機械臂上，伺服電機通過軟軸將動力傳遞給旋轉(zhuǎn)超聲裝置，驅(qū)動裝置旋轉(zhuǎn)。超聲波發(fā)生器驅(qū)動超聲振動系統(tǒng)軸向高頻振動，六自由度機械臂驅(qū)動磁力研磨裝置沿工件表面均勻直線進(jìn)給。將玉石固定在工作臺上，旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨裝置端部安裝徑向磁極頭，在磁場力的作用下，吸附磁性研磨粒子形成“磁力刷”，并壓附在工件表面[14]。在復(fù)合力的作用下，完成表面光整加工。

1.伺服電機 2.超聲波發(fā)生器 3.工件 4.工作臺 5.超聲振動系統(tǒng) 6.機械臂圖3 試驗裝置

2.2 實驗條件

基體材料為普通岫玉板件，長90 mm、寬50mm、高5mm。工藝條件為：進(jìn)給速率2 mm/s，研磨液選用由大連盛瑞貝爾化工有限公司生產(chǎn)制造的勞力恩SR-9912水基研磨液。磁性研磨頭選用直徑分別為φ20mm、φ30mm、φ40mm的圓柱形釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁極；主軸轉(zhuǎn)速選用1000r/min、1500r/min、2000r/min三種；超聲頻率選用12Hz、15Hz、19Hz三種；試驗所用磁性研磨粒子由鐵粉和Al2O3:按質(zhì)量比2∶1在攪拌機里均勻混合，經(jīng)過加壓、烘干、燒結(jié)、篩分而成，加工時間均為30min。采用廣精JB-08E表面粗糙度測量儀檢測玉石研磨前后的表面粗糙度。采用日本基恩士公司生產(chǎn)制造的3D超景深顯微鏡觀察玉石研磨前后的表面形貌。試驗條件如表1所示。

表1 實驗條件

3 結(jié)果與討論

3.1 玉石表面粗糙度的變化

按2.2節(jié)的試驗條件，分別采用普通傳統(tǒng)磁力研磨和旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨對玉石表面進(jìn)行磁力研磨加工，從圖4中可以看出，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工的玉石表面粗糙度下降速率比傳統(tǒng)研磨快，且經(jīng)過30min的研磨加工，傳普通統(tǒng)磁力研磨的表面粗糙度Ra由0.89μm下降到0.26μm左右，旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨的表面粗糙度Ra由0.89μm下降到0.13μm左右。主要原因是開始加工時玉石原始表面較粗糙，且玉石本身硬度相對磨粒較低，表面缺陷很容易被去除，使工件表面粗糙度值下降較快。隨著研磨的進(jìn)行玉石表面變得相對光滑，該粒徑的磨粒所能研磨達(dá)到的表面粗糙度值基本穩(wěn)定，從而玉石表面粗糙度值下降變慢。由于普通傳統(tǒng)磁力研磨粒子與玉石表面發(fā)生單一劃擦、磨削等作用，玉石表面的研磨軌跡為單一劃擦直線，使得劃痕單一且較深，嚴(yán)重影響玉石表面質(zhì)量[15]。研磨后，玉石表面粗糙度Ra為0.26μm左右；旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工，使得與玉石表面接觸的磁性研磨粒子研磨軌跡相互交叉、重疊，加工痕跡變淺，表面粗糙度Ra將至0.13μm。玉石表面粗糙度、表面光潔度和表面質(zhì)量都明顯提高。

圖4 工件表面粗糙度

3.2 主軸轉(zhuǎn)速對玉石表面粗糙度的影響

其他工藝參數(shù)同2.2節(jié)，采用直徑為30mm的磁性研磨頭，在19Hz的超聲頻率和不同的轉(zhuǎn)速下對玉石表面進(jìn)行加工，結(jié)果見圖5。分別以主軸轉(zhuǎn)速1000r/min、1500r/min、2000r/min進(jìn)行磁力研磨30min后，主軸轉(zhuǎn)速1000r/min時，玉石表面粗糙度Ra從原始0.89μm降至0.33μm；主軸轉(zhuǎn)速1500r/min時，玉石表面粗糙度Ra由原始0.89μm降至0.13μm；主軸轉(zhuǎn)速2000r/min時，玉石表面粗糙度Ra由原始0.89μm降至0.22μm。在加工的前5min內(nèi)，隨轉(zhuǎn)速增大，玉石表面粗糙度線下降后上升，在主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min時最佳，表面加工質(zhì)量顯著改善，主要原因是由于主軸轉(zhuǎn)速在1000r/min時，轉(zhuǎn)速較低磁性研磨粒子對玉石表面的研磨程度不夠，表面粗糙度值下降較慢；在主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min時，磁性研磨粒子與玉石表面劃擦、研磨次數(shù)較多，研磨較為充分，玉石表面粗糙度下降速度比主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min時快。效果也較好；在2000r/min時，轉(zhuǎn)速過快使得磁性研磨粒子與玉石表面摩擦次數(shù)過多，產(chǎn)生過磨現(xiàn)象使玉石表面粗糙度下降較慢甚至后期基本不變。因此選擇主軸轉(zhuǎn)速1500r/min時，工件表面加工質(zhì)量最好。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下玉石表面粗糙度隨時間的變化

3.3 磁性研磨頭直徑對表面粗糙度的影響

根據(jù)前面的分析結(jié)果，設(shè)定試驗主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min，超聲頻率為19Hz，其他參數(shù)同2.2節(jié)。采用磁性研磨頭不同直徑對玉石表面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨試驗，結(jié)果見圖6。在不同直徑下玉石表面粗糙度下降速度不同，前15min時，磁性研磨頭直徑越大下降速度越快，在15min后，研磨頭直徑30mm比40mm對玉石表面粗糙度要小。在研磨25min后，磁性研磨頭直徑40mm的研磨效果反而變差，玉石表面粗糙度出現(xiàn)增加，主要原因是研磨頭直徑較大，研磨過程中附著在上面的磁性研磨粒子研磨時的線速度較大，單位時間研磨粒子與玉石表面相對刻劃、研磨次數(shù)較少，使得玉石表面的刻劃劃痕較為稀疏，出現(xiàn)明顯的波峰和波谷，增大了玉石表面的粗糙度從0.22μm增至0.24μm。直徑d較小時，研磨頭的線速度降低，對原始表面的磨削速度較慢，Ra值降低也就較慢。最終在磁性研磨頭直徑20mm、30mm、40mm試驗條件下，玉石表面粗糙度從原始的0.89μm將至0.25μm、0.13μm、0.24μm。

圖6 不同研磨頭直徑下工件表面粗糙度隨時間的變化

3.4 超聲頻率對表面粗糙度的影響

其他工藝參數(shù)同2.2節(jié)，在轉(zhuǎn)速為1500r/min條件下，采用直徑為30mm和不同的超聲頻率對玉石表面進(jìn)行加工，通過單因素法探究超聲頻率對玉石表面粗糙度的影響，結(jié)果見圖7。隨著超聲振動頻率的增大，使得研磨過程中玉石表面粗糙度能夠快速下降。試驗中給出的頻率的單因素影響效果，當(dāng)機械振動頻率在19kHz時，玉石表面粗糙下降的最快，得到的表面粗糙度最低。主要原因是高頻振動的頻率越大，使磁性研磨粒子的振動次數(shù)在單位時間里越快，對玉石表面的沖擊碰撞次數(shù)越多，研磨刻劃次數(shù)增加，對表面尖點的去除加快。

圖7 不同超聲頻率下工件表面粗糙度隨時間的變化

綜上可知，運用旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨玉石表面的最佳轉(zhuǎn)速、研磨頭直徑、超聲頻率分別為1500r/min、30mm、19kHz。

3.5 旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨玉石表面微觀形貌

在最佳試驗參數(shù)條件下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨試驗，對比玉石表面研磨前后微觀形貌，如圖8所示。試驗前玉石表面金相形貌如圖8a所示，原始工件表面有明顯的紋理；表面粗糙度輪廓的波峰和波谷間距較大。試驗優(yōu)化條件如2.2節(jié)，圖8b所示為經(jīng)旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工后玉石表面金相形貌，玉石表面研磨、刻劃紋理較淺且均勻；相比初始狀態(tài)整體趨于平整。

(a)研磨前

(b) 研磨后圖8 旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨前后工件的金相形貌

4 結(jié)論

通過旋轉(zhuǎn)超聲磁力研磨對玉石工件進(jìn)行研磨光整加工，分析主軸轉(zhuǎn)速、研磨頭直徑和超聲頻率對研磨表面粗糙度影響，得出最佳加工工藝參數(shù)，根據(jù)試驗結(jié)果得出一下結(jié)論：

(1)在針對玉石類硬脆性材料表面進(jìn)行磁力研磨加工時，為了增加其研磨效率和研磨后表面質(zhì)量，可以添加超聲振動輔助研磨加工。

(2)試驗采用旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工方法對玉石表面進(jìn)行加工，不經(jīng)增加了研磨粒子自身的翻滾作用，還通過加工軌跡間的復(fù)合較差疊加，減緩單一軌跡疊加現(xiàn)象，有效提高工件表面粗糙度及表面質(zhì)量。

(3)采用旋轉(zhuǎn)超聲輔助磁力研磨加工方法研磨加工玉石，30min后，玉石表面粗糙度Ra從原始的0.89μm降至0.13μm。