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振動(dòng)加工在航空業(yè)的現(xiàn)狀 工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的觀點(diǎn) R Mediratta 1 K Ahluwalia 1 S H Yeo 2 Received 25 May 2015 Accepted 4 October 2015 Springer Verlag London 2015 摘要 振動(dòng)光整加工是一種多功能的加工過(guò)程 是全球的許多工業(yè)過(guò)程的重要組 分部分 包含倒圓角 提高光潔度 去毛刺 精加工 清洗 拋光 除銹等過(guò) 程 本文將討論振動(dòng)加工的演變和它的具體技術(shù)內(nèi)容 大規(guī)模光整加工的發(fā)展 航空業(yè)振動(dòng)加工的重要性 參與這一過(guò)程中的參數(shù)和先進(jìn)的振動(dòng)加工的專(zhuān)利格 局也將被闡明 更重要的是 本文將駐足于嘗試去解釋這背后的神秘進(jìn)程 實(shí) 證研究 模型開(kāi)發(fā) 批量和顆粒沖擊速度的研究 震蕩強(qiáng)化和阿爾門(mén)帶特性是 將要特別討論和研究的工作 這項(xiàng)工作已確定縫隙振動(dòng)后的加工工序 其中一 些是根據(jù)磨料流測(cè)量和監(jiān)控系統(tǒng)的需要來(lái)決定從電機(jī)振動(dòng)到介質(zhì)振動(dòng)的頻率損 失 計(jì)算頻率和振幅介質(zhì)以及磨料撞擊工件的速度和力等工作仍在研究中 文 獻(xiàn)指出 就工藝參數(shù)質(zhì)量 工藝參數(shù)之間的聯(lián)系 工藝參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量的影 響等而言需要更多的研究 這個(gè)行業(yè)是在尋找更短周期改善表面加工質(zhì)量的方 法 因此各種振動(dòng)加工先進(jìn)技術(shù) 拖曳式主軸光整加工便誕生了 根據(jù)作者 的了解 對(duì)振動(dòng)加工還沒(méi)有全面的研究 本文旨在于為科學(xué)團(tuán)體和專(zhuān)業(yè)人士提供 專(zhuān)業(yè)性學(xué)術(shù)參考 本文致力于推進(jìn)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和表面質(zhì)量測(cè)量的新一代振動(dòng) 加工系統(tǒng) 關(guān)鍵詞 振動(dòng)加工 短周期 偏心塊重量 介質(zhì)運(yùn)動(dòng) 模型研究 夾具 1介紹 在各種行業(yè)尤其是航空業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中 振動(dòng)光飾加工已變得越來(lái)越重要 了 這是由于自動(dòng)化加工過(guò)程的提高 以及現(xiàn)代振動(dòng)加工技術(shù)在不同工藝工程 的廣泛應(yīng)用 Yabuki et al 充分總結(jié)了振動(dòng)加工的廣泛性 它有充分地去除剛 件的毛刺并且在拋光塑料方面也非常有效 振動(dòng)加工是大量磨料包圍下的一個(gè)過(guò)程 光整加工由研磨性的加工過(guò)程組 成 磨料由金屬或其它材料組成 可以同時(shí)加工一種或幾種不同的表面 比如 去毛刺 邊緣倒角 提高表面光潔度 改善表面粗糙度和消除應(yīng)力等等 隨著 該加工方式被大量的應(yīng)用 該過(guò)程被制造業(yè)廣泛使用 光整加工固有的經(jīng)濟(jì)性 靈活性和適應(yīng)性 使其成為用于改善大量工業(yè)零部件質(zhì)量的唯一方式 不進(jìn)行 表面光整加工的結(jié)果可能相當(dāng)嚴(yán)重 由于負(fù)載能力的下降 耐腐蝕性和耐疲勞 性減弱 零件將表現(xiàn)不佳 本文對(duì)光整加工過(guò)程做了概述 如何進(jìn)行光整加工已經(jīng)發(fā)展了很多年 并重 點(diǎn)介紹了機(jī)械和機(jī)械特性對(duì)表面光整的影響 特別是對(duì)振動(dòng)加工過(guò)程做了更詳 細(xì)的概述 用于振動(dòng)光飾過(guò)程的關(guān)鍵變量在航空工業(yè)是非常重要的 在振動(dòng)光 飾過(guò)程中 先進(jìn)技術(shù)對(duì)減小長(zhǎng)周期特別有效 對(duì)該經(jīng)驗(yàn)過(guò)程的理解已經(jīng)做了大 量的研究 所做的研究也將做簡(jiǎn)要的討論 2光整加工及其歷史背景 光整加工是研磨工業(yè)過(guò)程的一個(gè)通稱(chēng) 稱(chēng)為磨料的松散的粒子連同混合物 一起放置于一個(gè)容器中 工件被埋沒(méi)于磨料里 滾磨 振動(dòng)研磨 離心式滾磨 拖曳式滾磨等加工過(guò)程包括在光整加工的范圍內(nèi) 能量通過(guò)各種各樣的周期性 振動(dòng)傳遞給研磨介質(zhì) 使其與零件表面發(fā)生相互作用 到目前為止 振動(dòng)加工是 最廣為人知的光整加工過(guò)程 光整加工過(guò)程于上世紀(jì)初期在行業(yè)中建立了自己的位置 滾磨加工據(jù)說(shuō)是 最早的光整加工方式 第一次光整加工過(guò)程是用古中國(guó)人和古埃及人把天然的 石頭放在滾筒中來(lái)拋光他們的武器和首飾 光整加工在技術(shù)上被發(fā)展和創(chuàng)新 這導(dǎo)致了許多變體桶加工 振動(dòng)光飾 離心式滾磨 推拽式滾磨 雖然關(guān)鍵性 過(guò)程變量 kpvs 會(huì)隨光整加工方式的變化而變化 但是他們?nèi)钥煞殖伤拇箢?lèi) 如圖 1所示 因?yàn)檫@四個(gè)即 KPVs media 復(fù)合 機(jī)器和工件高度相互依存 它們可以被可視化為四面體稱(chēng)為 四面體相互依存 各種工藝參數(shù)的功能如下 1 磨料 磨料是最主要的元素 它負(fù)責(zé)把零件加工到想要的表面質(zhì)量 它可 以是研磨性的 也可以是非研磨性的 圖 1 2 復(fù)合物 復(fù)合物是水性潤(rùn)滑劑和冷卻液的過(guò)程 它有很多用途 如排出磨 損材料 清洗加工表面 和控制加工過(guò)程中的 PH值 3 設(shè)備類(lèi)型 光整加工設(shè)備自誕生之初就發(fā)展了 從滾槽式到拖曳式 有了 技術(shù)與效率的不斷演進(jìn) 不同的機(jī)器在自身運(yùn)動(dòng)和磨料運(yùn)動(dòng)方面各有不同 4 工件 工件是加工過(guò)程中最重要的變量 工件決定上述所有參數(shù) 例如 要處理的工件的大小和材料決定了機(jī)器和磨料的類(lèi)型 一個(gè)大的零件進(jìn)行拋光 將要在一個(gè)大型機(jī)器上通過(guò)合適的磨料和復(fù)合物進(jìn)行拋光 光整加工的固有程序 磨料 復(fù)合物和及設(shè)備類(lèi)型 光整加工見(jiàn)證了工 業(yè)部署以來(lái)的多次改進(jìn) 最重要的是在機(jī)器類(lèi)型方面 技術(shù)的發(fā)展如圖 2所示 圖 2 光整加工的演變 5 6 3 航空工業(yè)的振動(dòng)加工 Davidson 及時(shí)總結(jié)了為什么邊緣和表面處理是至關(guān)重要的 有時(shí) 為 了充分了解邊緣和表面質(zhì)量問(wèn)題的意義 就需要了解在邊緣和表面質(zhì)量得不到 足夠的重視的情況下所造成的后果 航空業(yè)產(chǎn)品與人們生活息息相關(guān) 因此 當(dāng)涉及到產(chǎn)品的相關(guān)過(guò)程時(shí)一定要對(duì)邊緣表面條件足夠地重視 航空航天工業(yè)對(duì)風(fēng)機(jī) 渦輪葉片等零件的表面光潔度要求很好 如果風(fēng)扇 葉片有光滑的表面 存在于機(jī)翼的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)降低 機(jī)翼表面越平滑 引擎操作 溫度越低 這便實(shí)現(xiàn)比額定值更大的排氣溫度范圍和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的 紅線 最 大廢氣溫度 MEGT 范圍 如圖 3所示 這個(gè)溫度降低提高了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)大修的時(shí) 間 他們可以在大修之前保持更長(zhǎng)的服務(wù)時(shí)間 8 提高渦輪葉片的表面質(zhì)量的 同時(shí) 提高了加速度和渦輪機(jī)中的壓縮氣團(tuán)流 同時(shí)也會(huì)節(jié)省燃料 降低表面 粗糙度也有助于提高疲勞壽命 因?yàn)轱w機(jī)部件在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)受到不同的應(yīng)力 的變化 所以較低的表面粗糙度是至關(guān)重要的 圖 3 表面光潔度對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的影響 發(fā)動(dòng)機(jī)中的零件 例如風(fēng)扇或渦輪葉片 由于尖角和毛邊的作用會(huì)產(chǎn)生應(yīng) 力集中 去毛刺和倒圓角可以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)而增加抗斷裂和疲勞壽命 現(xiàn)在已觀察到 大多數(shù)疲勞裂紋發(fā)生在表面部分 而不是內(nèi)部 因此 表面處理對(duì) 于增加使用壽命非常關(guān)鍵 尤其是在航空航天工業(yè) 裝配期間 粗糙表面和鋒利 外邊緣也可能損傷涂層或表面 結(jié)構(gòu)上尖銳的外角充當(dāng)電荷蓄電池 可能引發(fā)靜 態(tài)放電風(fēng)險(xiǎn) 在飛行操作 銳利的邊緣可能有不平衡電荷 成為引發(fā)電壓 這種 潛在的差異可能由于靜電或雷擊造成的 振動(dòng)加工是一種應(yīng)用廣泛的加工過(guò)程 能達(dá)到航空局和相關(guān)零件規(guī)定的表 面光潔度的要求 以應(yīng)對(duì)上述現(xiàn)象所造成的潛在的危害 該加工過(guò)程對(duì)許多零 件 通常是航空航天零件 的復(fù)雜幾何形狀是非常有效的 可以在最小的工時(shí) 下完成工藝規(guī)程 由于所有部分的加工過(guò)程是相同的 振動(dòng)光飾可以形成殘余 壓應(yīng)力 以及為整個(gè)零件提供應(yīng)力平衡 產(chǎn)生的壓應(yīng)力將抵消由裂紋引起的拉 伸應(yīng)力 并有助于遏制裂紋的產(chǎn)生 許多機(jī)械加工和磨削過(guò)程往往會(huì)在零件表 面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力 當(dāng)承受周期性壓力時(shí) 這些殘余拉應(yīng)力容易使零件發(fā)生過(guò) 早斷裂和失效 振動(dòng)光飾會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力 然而 振動(dòng)光飾需要與此過(guò)程相 結(jié)合的長(zhǎng)周期加工過(guò)程 由于缺乏科學(xué)的認(rèn)知 所以對(duì)振動(dòng)光飾加工能力的理 解存在障礙 在航空航天工業(yè)中 有一個(gè)長(zhǎng)度為 1200毫米 寬度為 500毫米的典型的風(fēng)扇 葉片 用槽式振動(dòng)光飾機(jī)來(lái)加工這些葉片 小型旋轉(zhuǎn)的航空航天零件如渦輪葉片 整體葉盤(pán) 壓氣機(jī)盤(pán)是在碗式振動(dòng)機(jī)光飾來(lái)加工 加工光整過(guò)程中 夾具是用 來(lái)裝夾這些工件 以防止劃傷或?qū)σ讚p邊緣的碰撞所帶來(lái)的損傷 夾具的作用 將在第 4 2和 6 4節(jié)中詳細(xì)闡述 飛機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)部件和翼梁需要在大型槽式 振動(dòng)器中進(jìn)行去毛刺和倒角 去毛刺的零件與銳利的邊緣相對(duì)有光滑的半徑和 更高的抗疲勞裂能力 在零件邊上的油漆附著性也有改善 這對(duì)下一步的生產(chǎn) 工藝有很好的改善 4振動(dòng)光飾中的關(guān)鍵性過(guò)程變量 振動(dòng)光飾是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程 每一個(gè)操作參數(shù)在加工中都對(duì)表面光潔度有著 重要影響 振動(dòng)加工機(jī)有碗式和槽式兩種主要裝置 這兩種裝置可以加工不同 大小和體積的工件 從龐大的零件到像渦輪葉片 風(fēng)扇葉片這樣的小部件 這 些關(guān)鍵性過(guò)程變量與機(jī)器的類(lèi)型是相互對(duì)應(yīng)的 每一個(gè)關(guān)鍵性過(guò)程變量是相互 依存的 并且其中任何一個(gè)都是對(duì)于表面光潔度來(lái)說(shuō)都是不可忽視的 在 1節(jié) 中提到的 光整加工中相互依存的四面體交織在一起來(lái)獲得理想的產(chǎn)品 根據(jù)零件的類(lèi)型 所需的輸出 可能的應(yīng)用 這些關(guān)鍵性過(guò)程變量都是可以 改變的 雖然振動(dòng)電機(jī)的頻率是最重要的參數(shù) 因?yàn)槟チ鲜枪庹庸み^(guò)程中最 重要的部分 磨料的振動(dòng)頻率是由振動(dòng)電機(jī)的頻率決定的 但是其他方面 如 合適的潤(rùn)滑油復(fù)合配料 其它機(jī)器參數(shù)也至關(guān)重要 這些參數(shù)在圖 4中列出 機(jī)械特性的關(guān)鍵方面在文章的圖 5中做了總結(jié) 電機(jī)和偏心塊的重量統(tǒng)稱(chēng)為 偏心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 是振動(dòng)加工過(guò)程的核心 4 1 和 4 2部分將詳細(xì)闡述平衡 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和夾具 圖 4 振動(dòng)加工中的關(guān)鍵性過(guò)程變量 圖 5 振動(dòng)加工機(jī)械特性 4 1電機(jī)和偏心塊的重量 振動(dòng)加工過(guò)程的核心是帶偏心塊的振動(dòng)電機(jī) 因此稱(chēng)為 偏心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 它連接在碗式或槽式容器上 容器是由固定在地上的彈簧支承 偏心塊連接在 電機(jī)主軸的兩端 它旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng) 從而帶動(dòng)整個(gè)設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng) 頻率通常 是通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)的 通過(guò)改變偏心塊的重量來(lái)改變振幅 除了磨 劑和磨料的類(lèi)型之外 這些都被作為加工過(guò)程輸入?yún)?shù) 典型的頻率和幅度的 范圍分別是 20 60赫茲和 2 10毫米 電機(jī)高速運(yùn)動(dòng) 以減少周期 設(shè)計(jì)的電機(jī)的速度高達(dá) 40赫茲在達(dá)到所需的 表面粗糙度 比工作在 20至 25赫茲之間的機(jī)器時(shí)間上減少了約 40 在這兩 個(gè)參考文獻(xiàn) 有一個(gè)共識(shí) 在高速振動(dòng)光飾機(jī)里 磨料旋轉(zhuǎn)的更快速且均勻 但是磨料的振幅減小 在參考文獻(xiàn)中 介質(zhì)振幅大 接觸時(shí)間長(zhǎng) 短周期內(nèi)表 面不均勻 這引起對(duì)下表面的沖擊 以及在短周期內(nèi)工件獲得更均勻的表面質(zhì) 量 羅林森認(rèn)為更快的周期 可以磨料運(yùn)動(dòng)快速且一致和高振幅振動(dòng)的精確控 制 進(jìn)一步的研究可以進(jìn)行確定 振幅的大小決定在高頻振動(dòng)下進(jìn)行光整加工 的效果 在高頻振動(dòng)下理解高 低振幅的作用時(shí) 偏心塊的變化對(duì)改變振幅有關(guān) 鍵作用 對(duì)于碗式振動(dòng)光飾機(jī) 裝置中的工作負(fù)載做螺旋式運(yùn)動(dòng) 其運(yùn)動(dòng)形式有兩類(lèi) 翻滾運(yùn)動(dòng) 介質(zhì)在外壁處起落并向中心運(yùn)動(dòng) 進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 工作負(fù)載沿研磨路徑 順時(shí)針或逆時(shí)針運(yùn)動(dòng) 如圖 6所示 翻滾運(yùn)動(dòng)由下偏心塊的質(zhì)量確定 進(jìn)給運(yùn) 動(dòng)由上偏心塊的質(zhì)量確定 一般情況下 下偏心塊也導(dǎo)致頂部重量沿驅(qū)動(dòng)軸的 方向旋轉(zhuǎn) 介質(zhì)與驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)方向相反 兩偏心塊之間的夾角控制翻滾運(yùn)動(dòng) 和進(jìn)給運(yùn)動(dòng) Nebiolo 詳細(xì)闡述了這種觀點(diǎn) 如圖 7所示 對(duì)于槽式振動(dòng)光飾機(jī) 產(chǎn)生振動(dòng)的方法與碗式振動(dòng)光飾機(jī)相同 運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn) 單 在槽中的交叉區(qū)域旋轉(zhuǎn) 如圖 8所示 圖 6 振動(dòng)碗中的滾動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 13 圖 7 振動(dòng)碗中的偏心權(quán)重 圖 8 振動(dòng)槽橫截面中的介質(zhì)運(yùn)動(dòng) 4 2固定裝置的發(fā)展趨勢(shì) 由于對(duì)固定裝置研究有限 在文獻(xiàn)中對(duì)于工件的固定裝置提供了另一種研究 方法 對(duì)于像渦輪葉片這種貴重零件 固定工件并防止相互撞擊非常重要 工 件固定式加工方法的其他優(yōu)點(diǎn)有 加工時(shí)間短 表面研磨精密 防止工件鋒利 的外緣劃傷碗式容器壁 工件固定 通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒▽⒐ぜA持放入介質(zhì)容器 中 在振動(dòng)光飾加工中是一個(gè)較新的概念 這種工件固定式的振動(dòng)也被稱(chēng)為加 強(qiáng)振動(dòng) 這些固定裝置可以靜止 固定在振動(dòng)設(shè)備上 也可以浮動(dòng) 這兩種形 式都能加快光整過(guò)程 在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到想要的 Ra 這是因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中 介 質(zhì)撞擊工件的力流 工件與介質(zhì)之間的相對(duì)速度能夠增大 在某種程度上 拖拽式光整加工 主軸式光整加工 流動(dòng)式光整加工都是固 定式光整加工的先進(jìn)形式 在這些加工工藝中 都通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒ü潭üぜ?與傳統(tǒng)振動(dòng)光飾加工相比加工時(shí)間縮短接近 33 5專(zhuān)利分析 為了確定是這些創(chuàng)新是屬于振動(dòng)光飾中的那種關(guān)鍵性過(guò)程變量 與振動(dòng)光飾 加工相關(guān)的全部專(zhuān)利搜索也在這項(xiàng)工作中開(kāi)展 觀察到普遍的趨勢(shì)是大部分的 專(zhuān)利在振動(dòng)光飾加工過(guò)程中就生產(chǎn)周期和產(chǎn)品表面質(zhì)量做了改善 在第 4 1節(jié)中對(duì)減小高速振動(dòng)電機(jī)的周期進(jìn)行討論 哈蒙德機(jī)械就帶有可調(diào) 偏心塊以及把電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速增加到 2000rpm或者更高的高速光整系統(tǒng)獲得 了專(zhuān)利 創(chuàng)新的裝夾方法也在專(zhuān)利數(shù)量上獲得了公平的份額 Van Kleef and Sothorn在他們的專(zhuān)利中提到了主軸的裝夾方法和混合磨料可通過(guò)板的上升或 下降垂直通過(guò)研磨介質(zhì) Walther Trowal 在 2012年對(duì)鐵磁性工件的裝夾方式 獲得了專(zhuān)利 REM 提出了磁性?shī)A具方面的專(zhuān)利 MERMARK INC 獲得了振動(dòng)夾具 方面的專(zhuān)利 德國(guó)勞斯萊斯公司的專(zhuān)利涉及強(qiáng)化磨料以及這些強(qiáng)化磨料的形狀 REM還獲得了通過(guò)化學(xué)方法加速光整加工過(guò)程的專(zhuān)利 除此之外 關(guān)于通過(guò)分 頻器使磨料與工件得到快速分離的方法也獲得了專(zhuān)利 根據(jù)所進(jìn)行的專(zhuān)利搜索 作者提出了專(zhuān)利地圖 如圖 9所示 專(zhuān)利地圖清楚 表明了大多數(shù)的專(zhuān)利屬于通過(guò)偏心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和特殊方式裝夾工件以減少加工時(shí) 間 相關(guān)專(zhuān)利的其它參數(shù) 如磨料 磨劑 磨料與工件的分離裝置也在檢索的 專(zhuān)利中 振動(dòng)光飾是一個(gè)涉及到多個(gè)參數(shù) 每個(gè)參數(shù)都不能忽略并且最終達(dá)到 理想表面質(zhì)量的加工過(guò)程 圖 9 專(zhuān)利圖 6振動(dòng)整理研究工作 迄今為止 振動(dòng)加工的研究主要是基于確定最佳參數(shù)的試驗(yàn)和誤差分析 以 實(shí)現(xiàn)理想的表面質(zhì)量 盡管已經(jīng)進(jìn)行了各種研究 振動(dòng)光飾的機(jī)制仍不清楚 主要研究領(lǐng)域如圖 10所示 本節(jié)簡(jiǎn)要討論了這些研究的主要結(jié)論 為了更好地 分別的理解優(yōu)化加工過(guò)程和實(shí)驗(yàn) 例如在航空工業(yè)和科學(xué)研究的過(guò)程中 這些 可以通過(guò)人工來(lái)操控振動(dòng)加工機(jī)械 6 1 實(shí)驗(yàn)研究 這可能與在 4 1節(jié)討論的關(guān)于電動(dòng)機(jī)和偏心塊有關(guān) 通過(guò)增加電機(jī)轉(zhuǎn)速 偏 心塊質(zhì)量或改變結(jié)構(gòu) 可以振動(dòng)在光飾機(jī)里觀察到振動(dòng)特性的變化 通過(guò)提高 振動(dòng)機(jī)器控制面板上的電機(jī)速度來(lái)提高機(jī)器的振動(dòng)頻率 振幅可通過(guò)改變偏心 塊質(zhì)量和偏心塊之間的角度來(lái)調(diào)節(jié) 大多數(shù)傳統(tǒng)的振動(dòng)機(jī)械都帶有振幅的標(biāo)簽 他們的振幅是確定的 在 2mm到 8mm的工作窗口中 振幅分辨率是 0 5mm 因 此需要設(shè)計(jì)一個(gè)更全面的位移傳感器或振幅測(cè)力計(jì) 以提高測(cè)量的可靠性 介 質(zhì)振幅對(duì)振動(dòng)拋光效果影響的研究是有限的 振幅的精確監(jiān)測(cè)是必要的 用來(lái) 研究不同振幅下光整加工的效果 王等設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的傳感器 用來(lái)測(cè)量碗式振動(dòng)光飾機(jī)中磨料和攻擊的接 觸力 應(yīng)力信號(hào)的傅里葉變換顯示 大多數(shù)能量發(fā)生在相同的運(yùn)行頻率下 力 傳遞也發(fā)生在設(shè)備的運(yùn)行頻率中 傳感器被正向和背向放置在工件上 當(dāng)工件 繞碗式機(jī)螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí) 獲得相似的結(jié)果 得出的結(jié)論是對(duì)所有的工件表面而言 沖擊磨損條件相對(duì)恒定 通過(guò)試驗(yàn)得出了 固定工件受力比自由工件受力大 這與 4 2節(jié)中討論的夾具概念串聯(lián) 由于周期時(shí)間大大減少 所以?shī)A具在振動(dòng) 光飾中變得越來(lái)越重要 不加磨液的情況下 隨著介質(zhì)尺寸的增大 力也增大 加磨液時(shí)則不明顯 王等也提出了隨著潤(rùn)滑液的增加 從干狀態(tài)到只加水再到 加清洗劑 工件的絕對(duì)速度和介質(zhì)相對(duì)與工件的相對(duì)速度都增加 因此 潤(rùn) 滑劑對(duì)介質(zhì)的相對(duì)速度的影響大于對(duì)工件的速度的影響 表面硬度和粗糙度主 要受潤(rùn)滑液 介質(zhì)尺寸和介質(zhì)表面粗糙度的影響 這是因?yàn)樗苄宰冃问芙橘|(zhì)和 工件之間相互作用力的影響 25 為了使工件達(dá)到所需的表面質(zhì)量時(shí) 決定因素 是不可忽略的 如添加的潤(rùn)滑劑 類(lèi)型和數(shù)量 從而加強(qiáng)相互依存的四面體 Yabuki 等人設(shè)計(jì)了一種新的力傳感器來(lái)測(cè)量碗式振動(dòng)機(jī)中磨料的法向和切 向接觸力 他們記錄磨料的接觸方式 三次接觸方式 自由受力 單個(gè)介質(zhì)的 滾動(dòng) 相鄰介質(zhì)繞靜止介質(zhì)的滾動(dòng) 的原理如圖 11所示 掃描電子顯微鏡和力 傳感器的測(cè)量表明 一次自由的沖擊 圖 11A 產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)較小的坑和應(yīng)力 信號(hào) 單體磨料的滾動(dòng) 圖 11B 產(chǎn)生劃痕和力學(xué)信號(hào) 通過(guò)完全卸載產(chǎn)生多 個(gè)明顯的峰值以及臨近磨料在固定磨料上滾動(dòng) 圖 11c 所產(chǎn)生的最大單坑和 在一個(gè)較大的平均接觸力和非完全卸載下產(chǎn)生力的突變 一個(gè)關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是 工件應(yīng)該被安裝固定在磨料流方向 磨料流方向沖擊力大 表面光整速度快 還觀察到在干燥的條件下 最大沖擊力和沖擊頻率遠(yuǎn)高于在濕潤(rùn)條件下 下面 這些因素作為上述觀察結(jié)果的原因 i 添加水的濕式情況下 摩擦系數(shù)降低 因此從容器壁傳遞到磨料的能量就減少 ii 介質(zhì)表面的水膜產(chǎn)生附著力 造 成沖擊能量消失 iii 增加潤(rùn)滑劑減少了磨料和工件的相對(duì)速度 由此可以 得出結(jié)論 雖然潤(rùn)滑劑有助于振動(dòng)拋光 但是過(guò)量的潤(rùn)滑劑可降低磨料的沖擊 速度 增加表面光整加工時(shí)間 圖 10 振動(dòng)加工研究領(lǐng)域 圖 11 振動(dòng)研磨介質(zhì)的接觸方式 a 自由沖擊 b單體介質(zhì)滾動(dòng) c相鄰介質(zhì)在一個(gè)固定的介質(zhì)上 d 滾動(dòng) Baghbanan等人用 Yabuki等人開(kāi)發(fā)的力傳感器在一個(gè)振動(dòng)加工槽中進(jìn)行了 實(shí)驗(yàn) 觀察到正常的模式下 切向力和表面性質(zhì)的變化情況 與 Wang 等人和 Yabuki 等人在碗式振動(dòng)光飾機(jī)中觀察到的相似 低能量的小型碗式光飾機(jī)和高 能量的大型槽式光飾機(jī)在硬度和加工時(shí)間之間的關(guān)系相似 然而 在槽式光飾 機(jī)中工件的不同的安裝方法是結(jié)果的變化很小 并對(duì)潤(rùn)滑條件進(jìn)行了試驗(yàn) 發(fā) 現(xiàn)其對(duì)工件的硬度和表面粗糙度有明顯的影響 與 Wang 等人和 Yabuki 等人 觀察到的相似 因此 得出的結(jié)論遵循振動(dòng)光整的一般模式 與機(jī)器的類(lèi)型 振動(dòng)頻率和幅度無(wú)關(guān) 在不同類(lèi)型的振動(dòng)設(shè)備中 槽式或碗式 可以看到類(lèi) 似的振動(dòng)加工條件 在兩種設(shè)備上使用固定裝置 固定裝置的設(shè)計(jì)取決于所光 整的工件 碗式和槽式的一個(gè)顯著差異是容器內(nèi)磨料沖擊能量的高低 這可由 機(jī)器在不同頻率工作得出 碗式光飾機(jī)工作頻率 30Hz 槽式光飾機(jī)工作頻率 47Hz 隨著頻率增加獲得更高的沖擊能量 解釋了在 4 1節(jié)討論的高速電機(jī)工 作周期的減少 Domblesky等人進(jìn)行了碗式光飾機(jī)的實(shí)驗(yàn) 研究了不同加速度 加工時(shí)間 下 鋁 黃銅 鋼作為工件材料的材料去除率和表面質(zhì)量的變化 從材料去除 的角度來(lái)看 磨粒磨損與光整加工中材料去率除息息相關(guān) 這是因?yàn)樵诩庸み^(guò) 程中 粗糙的磨料對(duì)工件表面進(jìn)行刻劃 根據(jù)其各自的力學(xué)性能 domblesky 等人猜測(cè)鋁將有最大的材料去除率和鋼材料去除率的最低 在實(shí)驗(yàn)中觀察到 黃銅具有最高的材料去除率 材料去除率 和鋁的材料去除率最低 這一觀察 結(jié)果歸因于磨料和鋁有類(lèi)似密度 這將導(dǎo)致二者之間較低的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 進(jìn)一步 調(diào)查是為了解決黃銅的材料去除率是鋼的材料去除率的兩倍的問(wèn)題 實(shí)驗(yàn)中指 出 碗式光飾機(jī)的加速度高度受底部偏心塊的重量和上偏心塊重量差值的影響 如 4 1節(jié)所討論 這一觀察建立在偏心塊重量和料箱重量這一基礎(chǔ)上 因此建 議進(jìn)行去毛刺和倒角 使用偏心塊來(lái)控制和優(yōu)化切削和材料去除率 這一建議 適用于通過(guò)振動(dòng)光飾來(lái)給航空航天部件進(jìn)行去毛刺 倒圓角 作者在本文所述 的一個(gè)潛在限制是由于不同的機(jī)器配置有不同的偏心塊 由 Domblesky 等人提 出的建議是否能在其他的碗式振動(dòng)光飾機(jī)中實(shí)施 材料去除率隨材料的不同而 不同 對(duì)于給定材料 則與加工時(shí)間有關(guān) 工件硬度也與材料去除率有關(guān) 硬 度低 則材料去除率高 Kumar等人設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬一維振動(dòng)的加工過(guò)程 在 2個(gè)不同的 方法下對(duì)鈦工件的材料的去除率 表面粗糙度和接觸力進(jìn)行了測(cè)試 通過(guò)實(shí)驗(yàn) 研究 發(fā)現(xiàn)它被放在更深的磨料中并垂直振動(dòng) 表現(xiàn)出了較高的材料去除率 磨料流可以形象化為一層一層的 容器中的深層磨料會(huì)沿上面磨料層的重量而 移動(dòng) 因此相比表面的磨料層要以不同的力撞擊 引起大的材料去除率 利用 多體動(dòng)力學(xué)仿真模型對(duì)磨料和工件的接觸力進(jìn)行建模 盡管它被證明是一個(gè)合 適的方法 Kumar et al 聲明它必須會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化 以用于預(yù)測(cè)模型 為了使 模擬結(jié)果對(duì)工件材料的去除的預(yù)測(cè)有作用 更精確的接觸力峰值的預(yù)測(cè)和其他 相對(duì)較小的力需要被測(cè)試 6 2振動(dòng)光飾的進(jìn)程 模型的發(fā)展 自 1979起 Sofronas 等人 是為振動(dòng)光飾過(guò)程制定綜合模型的最早研究者 之一 他們使用反應(yīng)曲面分類(lèi)研究法統(tǒng)計(jì)工具來(lái)研究硬度 加工時(shí)間 磨料尺 寸 和振動(dòng)頻率對(duì)邊緣倒角 提高表面質(zhì)量的影響 這三個(gè)變量在圖 12中有很 好的說(shuō)明 也有人聲稱(chēng) 與倒角和提高表面質(zhì)量類(lèi)似的機(jī)制和磨料去除機(jī)理相 反 從實(shí)驗(yàn)中得出結(jié)論 振動(dòng)頻率是最重要的過(guò)程變量 隨著頻率的增加相關(guān) 變量的響應(yīng)如圖 12所示 其次是磨料的大小和加工時(shí)間 在 4 1節(jié)進(jìn)行高速電 機(jī)可以實(shí)現(xiàn)加工周期減少的討論與 sofronas研究結(jié)果一致 圖 12 projection height reduction 提高表面光潔度 邊緣倒角 Hashimoto 做了跟進(jìn)并建立了振動(dòng)加工過(guò)程的基本原理 提出了用微分方程 數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)的表面粗糙度和材料去除率 基于振動(dòng)光整加工過(guò)程實(shí)驗(yàn)結(jié)果 提出了三條規(guī)則 首先 經(jīng)過(guò)振動(dòng)拋光工件的表面粗糙度將成倍下降到一個(gè)恒 定的值被稱(chēng)為 粗糙度的限制值 這是取決于工件的固有表面紋理 其次 兩者之間的差異越大工件表面粗糙度的變化越快 最后 Hashimoto 提出 在 穩(wěn)定狀態(tài)下 振動(dòng)加工過(guò)程中具有恒定的材料去除率 他用了兩個(gè)不同容量的 碗式振動(dòng)光飾機(jī) 頻率是 21 Hz 振幅是 5 mm Hashimoto 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與他數(shù) 學(xué)模型的預(yù)測(cè)相一致 提出的規(guī)則可以在振動(dòng)光飾裝置和被振動(dòng)光飾機(jī)操作者 普遍觀察到的 也通過(guò)模型提出了優(yōu)化的工作周期 該規(guī)則可以擴(kuò)展到機(jī)器的 高速馬達(dá) 類(lèi)似于觀察飽和曲線 Domblesky 等仍在做碗式振動(dòng)加工的實(shí)驗(yàn) 同時(shí)提出了一種以切削力為模型 開(kāi)發(fā)的材料去除模型 模型被實(shí)驗(yàn)證實(shí)并且證明了材料去除率與時(shí)間無(wú)關(guān) 充 實(shí)了 Hashimoto的第三條規(guī)則 雖然結(jié)果似乎支持了材料去除率模型 但是需 要肯定不同磨料和工件數(shù)量對(duì)材料去除率的影響 作者認(rèn)為 domblesky等人對(duì) 他們模型的發(fā)展做出了一定的簡(jiǎn)化假設(shè) 首先 這 sofronas等人提出的強(qiáng)化機(jī) 制被忽視 因?yàn)樗暦Q(chēng)這將不影響材料去除率 觀察到材料去除率與碗式容器 的加速度成正比 表明高速度下的刻劃作用加快 進(jìn)一步表明高加速下應(yīng)減少 邊緣倒角的時(shí)間 該情況下高層次的材料去除是必要的 sofronas 等人就邊緣 倒角過(guò)程中強(qiáng)化和塑性變形機(jī)制的矛盾做了解釋 其次 磨料被認(rèn)為隨著時(shí)間 的推移 銳化和切割作用是微不足道的 然而 在實(shí)際的過(guò)程中 隨著時(shí)間的 推移磨料是有作用的 對(duì)于磨料變化的合理假設(shè)已經(jīng)被實(shí)施了 對(duì)振動(dòng)光飾的 進(jìn)一步研究可以對(duì)這些意見(jiàn)和矛盾進(jìn)行糾正和實(shí)施 Naeinietal把之前的設(shè)想帶到了下一步的研究中 并開(kāi)發(fā)了離散元模型 DEM 用以模擬二維振動(dòng)流化床系統(tǒng)的球形鋼磨料流 DEM 被用來(lái)模擬碰撞 和碰撞之后的磨料 容器 工件的速度 它強(qiáng)調(diào)的是 預(yù)測(cè)模型的進(jìn)一步改進(jìn) 可以通過(guò)探討法向和切向剛度和阻尼系數(shù) 而不是與 Naeini et al 所做的相 同 工件表面的塑性變形和沖蝕程度受磨料沖擊力的影響 DEM 預(yù)測(cè)接觸速度 的法向分量大于切向分量 約七到九倍 在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) 磨料和傳感器之間的 法向接觸力比切向力高十倍 本文結(jié)合了 Domblesky 等提出的研磨材料去除機(jī) 制 26 和 Sofronaset 等提出的法向的沖擊力和速度 磨料的噴丸屬性 在工藝 研究的現(xiàn)狀上 作者同意 Naeiniet 等的觀點(diǎn) 在這種振動(dòng)拋光具有雙重的機(jī) 制 需要給予必要的表面條件 磨料與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)磨料的影響和材料去除 的塑性變形 Naeinietal 使用二維離散元法模擬了 2種不同磨料在振動(dòng)光飾機(jī)的循環(huán)運(yùn) 動(dòng) 球形顆粒被建模為單一的層次 即所有的碰撞和運(yùn)動(dòng)發(fā)生在 X y平面 這 項(xiàng)研究與該作者參與的另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的最大不同是 玻璃隔板用于在振動(dòng)槽間來(lái) 盛放磨料 在以前的實(shí)驗(yàn)中 玻璃板設(shè)置在與單一的粒子層間距 100毫米的距 離處 從而會(huì)導(dǎo)致磨料流中放置更多的工件 Naeinietal 希望確定在一定種 程度上二維 DEM可以代表實(shí)際的二維流動(dòng) 容器壁和磨料之間的合剪切力與系 統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)有關(guān) 模型預(yù)測(cè)被實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí) 發(fā)現(xiàn)容器中的磨料深度越深 其 磨料流速越大 因此工件放在較深磨料中所受的沖擊力會(huì)比放在磨料表面附近 所受的沖擊力大 這個(gè)設(shè)想在 2012年被 Kumar et 等人證實(shí)了 Naeini 等人 的建模通過(guò)考慮光整面上的剪切力在小顆粒和大顆粒之間轉(zhuǎn)移 從而能夠被推 進(jìn) 從 Naeini等人的結(jié)果可知 作為技術(shù)研究已經(jīng)有所提高 同時(shí)正在向更先 進(jìn)的振動(dòng)光飾技術(shù)邁進(jìn) 實(shí)驗(yàn)將有助于確定在光飾機(jī)中放置工件的最佳位置 Uhlmann等人研究和開(kāi)發(fā)了一種基于幾何模型的振動(dòng)表面粗糙度變化曲線 的預(yù)測(cè)模型 并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試 根據(jù) Hashimoto法則過(guò)渡期的定義 初始時(shí) 糙度值隨時(shí)間呈指數(shù)級(jí)下降 達(dá)到 粗糙度限制 值 Uhlmann 等人是通過(guò)制 定過(guò)程模型的定量方法 來(lái)預(yù)測(cè)表面粗糙度的 該模型是基于假設(shè)的過(guò)渡期間 材料去除率與表面粗糙度的改善成例 對(duì)該模型的預(yù)測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證性的測(cè)量 通過(guò)測(cè)量?jī)x測(cè)量不同加工時(shí)間下的結(jié)果 結(jié)果表明 該模型的預(yù)測(cè)似乎相當(dāng)符 合測(cè)量的結(jié)果 平均殘差在 0 7 2 1 之間變化 對(duì)于給定的工藝參數(shù) 它被 提出的模型也可以應(yīng)用到另一個(gè)具有不同形貌特征的工件上 模型中的系統(tǒng)預(yù) 測(cè)誤差被發(fā)現(xiàn) 以增加加工時(shí)間 有人認(rèn)為 這些錯(cuò)誤是由于在過(guò)渡期間材料 去除機(jī)理的變化造成的 基于研究振動(dòng)光整加工的材料去除機(jī)理下進(jìn)一步研究 開(kāi)發(fā)出通用模型 對(duì)不同的工件形狀 初始粗糙度 材料和磨料都適用 Uhlmann 等人著重觀察了第三節(jié)提到的振動(dòng)光飾的缺點(diǎn) 加工過(guò)程中對(duì)材料 去除機(jī)理缺乏明確的認(rèn)識(shí) 現(xiàn)有的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些知識(shí) 但是這些知識(shí)不 能形成一個(gè)完整的知識(shí)體系 烏爾曼等人也對(duì)振動(dòng)光飾進(jìn)行了研究 并結(jié)合參考文獻(xiàn)開(kāi)發(fā)的幾何模型 離 散元分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果等建立了一個(gè)過(guò)程模型 進(jìn)行了振動(dòng)光飾和拖曳式光整的 實(shí)驗(yàn)研究 并建立了振動(dòng)光飾加工過(guò)程和過(guò)程參數(shù) 加工時(shí)間 工件速度 激 振頻率 研磨介質(zhì)和工件初始表面粗糙度 之間的關(guān)系 實(shí)驗(yàn)結(jié)果被用于模型 開(kāi)發(fā) 瞬時(shí)材料去除率強(qiáng)烈依賴(lài)于初始表面粗糙度 造成不同的材料去除機(jī)理 的原因如下 磨損和微切削機(jī)理 工件與磨料之間的相對(duì)速度是控制材料去除 率的主要因素 磨料的沖擊強(qiáng)度是控制材料去除率的主要因素 拖曳式光整實(shí) 驗(yàn)是固定振動(dòng)拋光的一種高級(jí)形式 通過(guò)球形磨料的加工 工件也表現(xiàn)了表面 粗糙度的穩(wěn)定改善 觀測(cè)提供了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證據(jù) 第 4 1和 4 2節(jié)所述討論的 高速電機(jī)和固定裝置對(duì)加工周期的改善 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)得到了相關(guān)的證據(jù) 6 3磨料的體積和顆粒的撞擊速度 Ciampini 等人通過(guò)壓電撞擊力傳感器測(cè)得表面的法向撞擊速度分布 撞 擊的頻率和單位面積的撞擊功率 這個(gè)項(xiàng)目是對(duì) Wang等人和 Yabuki等人的從 撞擊力信號(hào)中提取法向撞擊速度方法的延伸 一個(gè)顯著差異是 早期的研究 傳感器是固定的 而不是隨磨料自由流動(dòng)的 這種固定點(diǎn)提供的撞擊速度數(shù)據(jù) 與工件的大小 形狀和材料無(wú)關(guān) 瓷制球體和鋼球從已知的高度下落到傳感器 上 該是用來(lái)確定撞擊速度和力信號(hào)之間的關(guān)系 在磨料和傳感器之間進(jìn)行 觀察 短時(shí)間內(nèi)影響直接接觸和較長(zhǎng)的時(shí)間則影響非接觸 影響模式如圖 13 所示 這表明周期時(shí)間內(nèi)所謂的 爆發(fā) 爆發(fā)時(shí)間的長(zhǎng)短與光飾機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻 率相對(duì)應(yīng) 在振動(dòng)光飾機(jī)理中 少見(jiàn)的高速撞擊可能比常見(jiàn)的低速撞擊 這是 由于前者是影響塑性變形和硬化的主要原因 振動(dòng)光飾機(jī)的一個(gè)應(yīng)用是涉及到 接觸光線 因此相對(duì)于拋光來(lái)說(shuō) 在高能接觸能創(chuàng)建需要的塑性變形 而低速 對(duì)加工而言只能起到相反的作用 通過(guò)改變磨料的數(shù)量發(fā)現(xiàn) 磨料數(shù)量的增加 使振幅減小 而不影響振動(dòng)頻率 該現(xiàn)象是由于光飾機(jī)的振動(dòng)是由帶有偏心塊 主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的 支承主軸的球軸承連接在容器體上 由由傳感器測(cè)量結(jié)果表 明 隨著工件越接近容器壁和減少磨料的重量可以使光整加工變得更加強(qiáng)烈 Ciampini 等人從振動(dòng)光飾裝置的監(jiān)測(cè)速度和發(fā)現(xiàn)的細(xì)節(jié)得到了磨料的撞擊速度 如何對(duì)材料的去除機(jī)理起作用 在振動(dòng)光飾機(jī)上 通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速 頻率 可以改變速度 結(jié)合 Kumar等人的研究結(jié)果 通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定振動(dòng)光整 加工中工件的裝夾最佳位置 從而適應(yīng)更多加工條件 光整 烘干 拋光等 等 Ciampini 只強(qiáng)調(diào)對(duì)塑性變形振動(dòng)加工機(jī)理 進(jìn)一步的研究可以通過(guò)測(cè)量樣 品重量用來(lái)識(shí)別是高速撞擊的影響對(duì)材料去除率有影響 圖 13媒體的影響模式 持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的非接觸性接觸和短時(shí)間的直接影響 35 Hashemnia 等人致力于測(cè)量磨料的撞擊速度 并研制了一種新型激光位移 探頭 值得注意的是 在一個(gè)振動(dòng)光飾機(jī)機(jī)中的磨料有兩種速度 大規(guī)模的 顆粒流速度 和小規(guī)模的撞擊速度 工件重復(fù)浸入磨料中會(huì)受到周邊磨料的高 頻撞擊的影響 影響工件耐磨性和塑性變形的主要因素有 磨料顆粒速度 頻 率 沖擊力方向 極端速度的缺點(diǎn) 過(guò)高會(huì)造成破壞 過(guò)低會(huì)降低工藝速率 測(cè)量振動(dòng)顆粒在振動(dòng)加工機(jī)之間撞擊速度的作用 在設(shè)計(jì)探頭時(shí) 小規(guī)模的 運(yùn)動(dòng)可以測(cè)量速度并且在不影響的磨料運(yùn)動(dòng) Hashemnia 等人的研究目標(biāo)是開(kāi) 發(fā)高速激光位移傳感器探頭 測(cè)定振動(dòng)光整表面的法向撞擊速度 圖形化方法 被 Naeini 等人和 Wang 等人用來(lái)測(cè)量有限空間流動(dòng)特性的分辨率 并因此阻礙 了撞擊速度的測(cè)量 通過(guò) MATLAB對(duì)激光位移傳感器圖形信號(hào)進(jìn)行了分析并確定 了撞擊速度 Hashemnia 等人對(duì)實(shí)驗(yàn)的研究與 Ciampini等人的研究是相一致的 他們對(duì)所用傳感器在槽上固定的安裝位置進(jìn)行了比較 Ciampini 等人用沖擊力 傳感器來(lái)測(cè)量撞擊速度 然而目前的研究是通過(guò)激光位移傳感器來(lái)確定撞擊速 度 Hashemnia 等人研究的速度范圍是 50 100mm s和先前 Ciampini 等人研究 的速度范圍是 0 20mm s 這種差異背后最重要的原因是在 Ciampiniet 等人在 研究中測(cè)得了撞擊力和撞擊速度之間的線性相關(guān) 差異的其他原因是兩個(gè)研究 所用的探針的大小不同和激光位移傳感器的非接觸法在目前的研究中得到了應(yīng) 用 由觀察得到在磨料流的深度影響磨料顆粒的沖擊速度 深處磨料顆粒的沖 擊速度遠(yuǎn)高于表面顆粒的沖擊速度 這可以與 Kumar等人關(guān)于磨料中較深的位 置下材料去除率越高的結(jié)果相聯(lián)系 在目前的實(shí)驗(yàn)中 磨料都使用球狀的 它 強(qiáng)調(diào)的是 由于激光傳感器的平均位移信號(hào)的變化 測(cè)量的體積不規(guī)則形狀的 磨料的流速將是具有挑戰(zhàn)性的 Hashemnia等人延續(xù)了他們?cè)缙诰蜎_撞速度的研究 并利用高速激光位移傳 感器研制了一款通過(guò)有限元分析來(lái)預(yù)測(cè)振動(dòng)槽中磨料的撞擊速度和流速的儀器 Hashemnia等人提到粒子撞擊速度的靈敏度與 DEM的接觸系數(shù)的不確定性之間 的關(guān)系是未知的 因此 在有限元分析中恢復(fù)系數(shù)和摩擦系數(shù)與顆粒和顆粒 顆粒和容器壁之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān) 觀察發(fā)現(xiàn)撞擊速度和流體速度對(duì)摩擦系數(shù) 和恢復(fù)系數(shù)中的不確定因素相當(dāng)不敏感 越深的位置磨料的撞擊速度越大的原 因目前還不清楚 這個(gè)過(guò)程如 3節(jié)所強(qiáng)調(diào)的 突出了內(nèi)在變異性和不可預(yù)測(cè)性 得出的結(jié)論是 DEM 是相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè) 在振動(dòng)機(jī)上磨料的局部及整體的速度 的最大誤差分別是 20 和 30 6 4振動(dòng)強(qiáng)化 Sangid 等人就振動(dòng)強(qiáng)化進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn) 一個(gè)是關(guān)于裝夾工件的實(shí)驗(yàn)研 究 二是可視化建模 振動(dòng)強(qiáng)化是振動(dòng)加工的一個(gè)新型加工方法 它的主要目 的是形成殘余應(yīng)力 同時(shí)提高表面光潔度 該過(guò)程可以被認(rèn)為是一個(gè)替代噴丸 處理的工序 在這一過(guò)程中 工件是固定的 磨料的作用已在 4 2節(jié)中進(jìn)行了 討論 這將導(dǎo)致在工件表面上快速的機(jī)械加工 據(jù)觀察 振動(dòng)強(qiáng)化會(huì)引起明顯 提高工件表面的疲勞強(qiáng)度 由于磨料作用所產(chǎn)生的塑形變形在亞表面形成了殘 余壓應(yīng)力 伴隨有表面光潔度的改善 抗疲勞強(qiáng)度的提高 如第 3節(jié)所強(qiáng)調(diào)的 這種疲勞強(qiáng)化對(duì)航空部件非常有益 此外還觀察到 在測(cè)試的頻率范圍內(nèi) 機(jī) 器的頻率和幅度越高 抗疲勞壽命越高 磨料運(yùn)動(dòng)變化的深層理解由 Kumaretal 得出了 一方面 磨料在槽頂部是以單個(gè)粒子的形式運(yùn)動(dòng)的 另一 方面 由于底部的磨料受上方磨料質(zhì)量的作用 底部磨料的密集程度更大 因 此他們以模塊的形式運(yùn)動(dòng) 這將導(dǎo)致磨料對(duì)工件的影響加大 并增加工件材料 的機(jī)械加工負(fù)荷 盡管測(cè)試加工條件如磨料和磨劑對(duì)加工過(guò)程的影響 然而磨 劑量的精確控制是至關(guān)重要的 需要足夠的加工時(shí)間來(lái)加工樣品并確保潤(rùn)滑油 從系統(tǒng)中排出和磨料的烘干 進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)方法是需要潤(rùn)滑劑的引入 控制和 去除以獲得 振動(dòng)磨料的磨損率和加工的有效性之間的平衡 如第 4節(jié)所討 論的 這些實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)了沒(méi)有關(guān)鍵性過(guò)程參數(shù)的振動(dòng)光整過(guò)程是不完備的 Sangid等人的第二個(gè)研究 開(kāi)發(fā)高速攝影和計(jì)算模型來(lái)預(yù)測(cè)疲勞壽命 這是為了更好地了解振動(dòng)強(qiáng)化的過(guò)程 安裝在槽邊的 用于觀察粒子運(yùn)動(dòng)的有 機(jī)玻璃夾具作為實(shí)驗(yàn)裝置 觀察到的磨料運(yùn)動(dòng)有 2個(gè)組成部分 完成了槽的每 個(gè)振動(dòng)周期的高頻振蕩軌跡和改變振蕩軌跡的較慢移動(dòng)軌跡 Sangid 等人指出 振蕩軌跡負(fù)責(zé)的加工過(guò)程的運(yùn)動(dòng)結(jié)果 移動(dòng)運(yùn)動(dòng)負(fù)責(zé)磨料的重新分配 并排出 潤(rùn)滑劑和工件殘余料 還觀察到的振動(dòng)頻率的增加導(dǎo)致磨料速度的增加 從而 導(dǎo)致了介質(zhì)強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng) 工件的相互作用 有益的高殘余應(yīng)力和疲勞壽命增加 高速攝像機(jī)的記錄幫助計(jì)算有效的影響介質(zhì)粒子與工件之間的作用力 被認(rèn)為 的有效力是 5 3N 按照 Baghbanan等人以前的計(jì)算約 4N至 6 5N 在實(shí)驗(yàn)研究 領(lǐng)域內(nèi) 這個(gè)力被發(fā)現(xiàn)有足夠能力形成殘余應(yīng)力并導(dǎo)致塑性變形 計(jì)算模型的 開(kāi)發(fā)是基于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的殘余應(yīng)力分布和表面特征的來(lái)預(yù)測(cè)工件的疲勞壽命 這 個(gè)是用于噴丸處理的應(yīng)用程序 Sangid 等人的研究突出了振動(dòng)光整過(guò)程的多功 能性和潛在特性 該研究已經(jīng)超出了他們最初的設(shè)想 6 5 Almen strip特征 Ciampini等人使用 Almen系統(tǒng)描述了振動(dòng)加工的工藝參數(shù) Almen 系統(tǒng) 是一個(gè)完善的過(guò)程 是用于表征噴丸強(qiáng)化處理過(guò)程 金屬制成的標(biāo)準(zhǔn)化形式被 固定在剛性支撐下并用噴丸強(qiáng)化處理 從夾具下釋放工件 可測(cè)得塑性變形引 起的殘余應(yīng)力的條狀曲線 這個(gè)曲率的程度和它的變化率是與噴丸處理工藝參 數(shù)有關(guān) 鋁的 Almen條在與 Ciampini等人所用的振動(dòng)槽和磨料下進(jìn)行光整 在 槽中使用一個(gè)真空保持器以確保帶材料保持平坦和提供一個(gè)恒定的邊界條件 兩接觸條件下的 Almen飽和曲線的特點(diǎn)是使用撞擊速度得到的 還觀察到 較 大的塑性變形和較大的 Almen條偏轉(zhuǎn)是由大的撞擊速度造成 因此 噴丸加工 在振動(dòng)加工中有著重要的地位 基于作者提出的一種新的正常的影響模擬器裝 置 他們提供的證據(jù)進(jìn)一步表明了 由其他研究人員觀察到了法向撞擊是振動(dòng) 光飾的主導(dǎo)機(jī)制 Ciampini 等人同時(shí)也開(kāi)發(fā)出一種受振動(dòng)拋光的 Almen條塑性 變形模型和加強(qiáng) Almen條作用來(lái)表征振動(dòng)拋光工藝 7結(jié)論 盡管在光整加工行業(yè)已經(jīng)取得了進(jìn)步 振動(dòng)光飾仍被證明是一種特別有效的 光整加工形式 在當(dāng)今社會(huì) 振動(dòng)光飾在許多行業(yè)的生產(chǎn)線中占有舉足輕重的 地位 被認(rèn)為是一種高效且可重復(fù)的加工過(guò)程 它可以最少的使用人力和其它 資源 對(duì)于振動(dòng)光飾 仍然困擾著許多研究者的關(guān)鍵問(wèn)題是解決包含在整個(gè)過(guò)程 的 the black box問(wèn)題 這就需要清楚地建立材料去除機(jī)制和獲得工藝參數(shù)和 表面光潔度之間的關(guān)系 由于材料去除機(jī)理的復(fù)雜性和振動(dòng)加工過(guò)程的不可控 性 導(dǎo)致了過(guò)程的輸入輸出參數(shù)之間的關(guān)系是不清楚的 例如 對(duì)于改變一個(gè) 輸入?yún)?shù) 如介質(zhì)和化合物 對(duì)工件的表面光潔度或材料去除率會(huì)產(chǎn)生正面或 負(fù)面影響不得而知 因此 設(shè)計(jì)新工件的加工過(guò)程仍然建立在一個(gè)試驗(yàn)和誤差 的基礎(chǔ)上 并在很大程度上取決于供應(yīng)商和實(shí)驗(yàn)人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí) 關(guān)于振動(dòng)整理過(guò)程已經(jīng)開(kāi)發(fā)了數(shù)值的分析 經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值模型 對(duì)振動(dòng)光飾相 關(guān)文獻(xiàn)的回顧 得出的主要研究結(jié)果如下 1 振動(dòng)頻率是振動(dòng)光飾過(guò)程中的最重要參數(shù) 振動(dòng)光飾是在高頻振動(dòng)下 進(jìn)行的 且高頻振動(dòng)會(huì)縮短加工周期 2 在振動(dòng)整理過(guò)程中 存在 2種主要的加工機(jī)制 磨料沖擊下的塑性變形 機(jī)制和工件和磨料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的材料去除機(jī)制 3 通過(guò)增加磨料流速和磨料與工件的相對(duì)速度來(lái)光整被夾緊的工件 從而 縮短加工時(shí)間 這便是固定式振動(dòng)光飾取得進(jìn)步的原因 4 磨料的選擇和磨劑的添加量在獲得較高表面質(zhì)量中起著關(guān)鍵的作用 5 隨著時(shí)間的推移 特定材料的材料去除率保持不變 被稱(chēng)為是更高的組 件時(shí) 當(dāng)工件垂直放置于較深的磨料里 材料去除率會(huì)較高 6 在振動(dòng)光整加工過(guò)程中 磨料的法向力和高速?zèng)_擊是產(chǎn)生塑性變形的主 要原因 7 在振動(dòng)光飾過(guò)程中 磨料的三種主要接觸方式是 自由撞擊 個(gè)別磨料 的滾動(dòng) 相鄰磨料之間的相互滾動(dòng) 然而 量化振動(dòng)頻率的范圍對(duì)于一個(gè)給定的組件來(lái)說(shuō)是很必要的 合適 的頻率與適當(dāng)?shù)姆仁菍?shí)現(xiàn)理想表面光潔度的關(guān)鍵 在航空業(yè)有嚴(yán)格規(guī)定 工 件質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)和客戶的滿意度是必要的 雖然工件的夾緊可以大大地減少加 工周期 但是存在損害工件的風(fēng)險(xiǎn)并且修復(fù)時(shí)間將超過(guò)減少的時(shí)間 一一種新 的夾緊方式大大地減少了加工周期 擺脫對(duì)工件的沖擊還有待研究 研究人員 也在尋找一種 智能 磨料 可以在減少材料的去除情況下同時(shí)減小表面粗糙 度 對(duì)于給定的工件 容器中磨料的最佳高度和適當(dāng)?shù)哪┝恳残枰涣炕?現(xiàn)有加工方式大多數(shù)應(yīng)用了對(duì)稱(chēng)形狀的球形磨料 然而 這并不是實(shí)際過(guò)程的 代表 對(duì)各種形狀磨料組合效應(yīng)的進(jìn)一步研究是很有必要的 從電機(jī)振動(dòng)到磨料振動(dòng)的頻率和能量的損失的研究與磨料流量測(cè)量與監(jiān)控 系統(tǒng)的研究存在誤差 目前的系統(tǒng)中只包含了幅度表 振動(dòng)頻率的計(jì)算方法 磨料的撞擊速度和磨料對(duì)工件的撞擊力仍在研究當(dāng)中 現(xiàn)有的工作報(bào)告了可以 進(jìn)一步進(jìn)行研究 用以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行研究和改善理解 一旦深入研究這些參 數(shù) 下一個(gè)偉大的發(fā)明的對(duì)象將是下一代的振動(dòng)系統(tǒng) 可以在振動(dòng)光飾機(jī)中加 入監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 根據(jù)光整的條件讓行業(yè)運(yùn)營(yíng)商實(shí)時(shí)地更新和改變參數(shù)是有必要 步驟的變化是將各種工件和加工要求列成目錄 來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)光整過(guò)程中加工參 數(shù)的實(shí)時(shí)反饋 感謝 本文是在 Corp Lab University Scheme下的國(guó)家研究基金會(huì) NRF 新加坡支持的 Rolls Royce NTU Corporate Lab的協(xié)助下完成的 同時(shí) 作者還要感謝 Rolls Royce 的 Thomas Haubold Anna Tai 和 Yebing Tian 參考文獻(xiàn) 1 Yabuki A Baghbanan MR Spelt JK 2002 Contact forces and mechanisms in a vibratory finisher Wear 252 635 2 Davidson DA 2008 Vibratory finishing versatile effective and reliable Met Finish 106 30 34 3 Gillespie LK 2007 Mass finishing handbook Industrial Press New York 4 Kittredge J 1998 Understanding vibratory finishing revisited Prod Finish 62 8 5 Tulinski EH 1994 Mass finishing In ASM International ed ASM Handbook vol 5 pp 118 125 6 Kenton T 2009 The future of mechanical surface finishing Metal Finishing p 22 7 Davidson DA 2007 Surface condition impacts part performance Burrs edges can negatively influence function of components Met Finish 105 22 31 8 Rawlinson P 2012 Does size matter Metal Finishing News vol 13 9 Holzknecht E 2009 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