本發(fā)明涉及機械加工領(lǐng)域，尤其涉及一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削方法及磨削裝置。

背景技術(shù)：

1、具有大長徑比特征的陶瓷管被廣泛的應用到軍工、核能以及航天領(lǐng)域。在使用時，細長的陶瓷管用于傳輸固體和流體，其必須滿足嚴格的尺寸和形狀精度要求，才能在惡劣的環(huán)境中有效地工作。現(xiàn)有的大長徑比的硬脆管材的內(nèi)孔磨削，一般使用較長的研磨工具插至管材的內(nèi)孔中并配合拋光液往復研磨加工以達到所需的內(nèi)孔加工精度。由于大長徑比管材的幾何特性和硬脆特性，導致其磨削力不能過大，否則工件內(nèi)孔表面容易產(chǎn)生崩邊或微裂紋，影響工件的加工質(zhì)量，這也就導致整個工件的加工效率降低，無法實現(xiàn)量產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削方法及磨削裝置，其利用超聲縱扭復合振動技術(shù)，使研磨工具的磨粒在軸向和切向上同時產(chǎn)生周期性的高頻微幅運動，通過振動疊加改變研磨工具上的磨粒與工件的接觸狀態(tài)，實現(xiàn)“高頻沖擊+剪切”的復合作用機制，從而提高工件表面材料去除效率與提高工件表面的加工質(zhì)量。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削方法，

4、首先設(shè)置超聲振動換能器的磨削參數(shù)，包括以下步驟：

5、s1，基于單位體積振動能量確定超聲振動換能器的振幅和振動頻率，單位體積振動能量w與超聲振動換能器的振幅和振動頻率的關(guān)系式如下：

6、

7、其中，al為縱向振幅，at為扭轉(zhuǎn)振幅，f為振動頻率，ρ為研磨工具的材料密度，r為研磨工具的平均直徑；

8、s2，基于相鄰振動周期軌跡重疊率確定縱扭振動相位差，相鄰振動周期軌跡重疊率η為：

9、

10、其中，v為磨粒的總切削速度，φ為縱扭振動相位差；

11、s3，基于工件特性和不同的加工階段確定縱扭頻率比k，基于縱扭頻率比k選擇扭轉(zhuǎn)超聲振動頻率ω1和縱向超聲振動頻率ω2，縱扭頻率比k為：

12、k＝ω2/ω1

13、其中，ω1為扭轉(zhuǎn)超聲振動頻率，ω2為縱向超聲振動頻率；

14、然后基于超聲振動換能器向研磨工具傳遞縱扭復合振動，研磨工具的磨粒在軸向和切向上同時產(chǎn)生周期性的運動，以實現(xiàn)大長徑比管材內(nèi)孔的縱扭復合振動磨削。

15、進一步地，基于磨粒的運動方程得到磨粒的運動軌跡，磨粒的運動方程為：

16、

17、其中，t為超聲振動換能器施加超聲縱扭振動的時間，vw為工件的水平進給速度。

18、進一步地，所述s2中磨粒的總切削速度v為：

19、v＝vw+vvib＝vw+2πf·(alcos(2πft)-r·atsin(2πft+φ))

20、其中，vvib為研磨工具振動時引入的附加速度，vw為工件的水平進給速度。

21、進一步地，所述的研磨工具振動時引入的附加速度vvib的確定過程如下：

22、超聲振動換能器在對研磨工具施加超聲振動時，超聲波傳遞至研磨工具的每個磨粒，以使磨粒產(chǎn)生縱向振動與扭轉(zhuǎn)振動的合成運動軌跡,研磨工具上的每個磨粒隨研磨工具縱扭超聲復合軌跡所具有的位移矢量可分解為：

23、

24、其中，z′(t)為磨粒的縱向位移，θ(t)為磨粒的扭轉(zhuǎn)角位移；

25、磨粒的合成運動軌跡以極坐標形式表示為：

26、r(t)＝z′(t)+r·θ(t)＝alsin(2πft)+r·atcos(2πft+φ)

27、其中，r為磨粒到研磨工具中心軸的垂直距離；

28、對合成位移r(t)求倒數(shù)，進而得到研磨工具振動引入的附加速度vvib為：

29、

30、本發(fā)明采用的另一個技術(shù)方案是：一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削裝置，用于實現(xiàn)大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合磨削方法，所述的磨削裝置包括研磨工具、超聲振動換能器、張緊機構(gòu)和工件進給機構(gòu)，工件進給機構(gòu)用于支撐并驅(qū)動工件軸向往復移動；研磨工具貫穿工件內(nèi)孔，用于工件的擴孔和內(nèi)孔的研磨；張緊機構(gòu)設(shè)有兩個，兩個張緊機構(gòu)分別設(shè)置于研磨工具的軸向的兩端，其中一個張緊機構(gòu)連接超聲振動換能器，超聲振動換能器套于研磨工具并抱緊，另一個張緊機構(gòu)夾持并張緊研磨工具，以使研磨工具與工件同軸，兩個張緊機構(gòu)可驅(qū)動超聲振動換能器與研磨工具同步旋轉(zhuǎn)。

31、進一步地，研磨工具包括用于擴孔的錐度段和用于定徑的定徑段，錐度段是由多個帶有錐度的擴徑磨頭軸向依次排列而成，相鄰的兩個擴徑磨頭的外徑沿工件的前進方向逐漸增加，相鄰的兩個擴徑磨頭之間設(shè)有環(huán)形凹槽，以用于排屑；定徑段是由多個等徑的定徑磨頭軸向依次排列而成，相鄰的兩個定徑磨頭之間設(shè)有環(huán)形凹槽，以用于排屑。

32、進一步地，設(shè)定徑段的長度為l2，工件的長度為l1，l2/l1＝6/5～2/1。

33、進一步地，每個擴徑磨頭上電鍍金剛石粗磨粒，用于工件內(nèi)孔的粗加工階段，定徑磨頭上電鍍金剛石細磨粒，用于工件內(nèi)孔的精加工階段。

34、進一步地，張緊機構(gòu)的夾持端夾持在研磨工具的振動波節(jié)的位置處。

35、進一步地，工件進給機構(gòu)為摩擦輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)、氣囊驅(qū)動結(jié)構(gòu)或橡膠履帶驅(qū)動結(jié)構(gòu)中的一種。

36、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比產(chǎn)生的有益效果是：

37、1、本發(fā)明將大長徑比管材內(nèi)孔的磨削方式與超聲縱扭復合振動的方式耦合使用，可使研磨工具的磨粒在軸向和切向上同時產(chǎn)生周期性的高頻微幅運動，實現(xiàn)“高頻沖擊+剪切”的復合作用機制，降低磨粒磨削力的同時，還通過振動疊加改變研磨工具上的磨粒與工件的接觸特性，促使工件材料以塑性方式去除，大幅減少表面崩邊與微裂紋的產(chǎn)生，提升加工表面完整性，顯著降低硬脆材料加工損傷，還可提高工件材料的去除效率，實現(xiàn)量產(chǎn)。

38、2、本發(fā)明的工件進給機構(gòu)采用柔性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)工件的進給，具體可以采用橡膠履帶驅(qū)動結(jié)構(gòu)、摩擦輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)或氣囊驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其中采用橡膠履帶驅(qū)動可以提供均勻徑向約束，以防止管材破碎；摩擦輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)工件的柔性軸向精密進給，保障加工軌跡一致性；氣囊驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以適應毛坯管材的不均勻特征，實現(xiàn)管材的柔性夾持進給，適應大長徑比管材的形變需求。

技術(shù)特征：

1.一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削方法，其特征在于，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削方法，其特征在于，基于磨粒的運動方程得到磨粒的運動軌跡，磨粒的運動方程為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削方法，其特征在于，所述s2中磨粒的總切削速度v為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削方法，其特征在于，所述的研磨工具振動時引入的附加速度vvib的確定過程如下：

5.一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削裝置，其特征在于，所述的磨削裝置用于實現(xiàn)權(quán)利要求1至4任一項所述的磨削方法，所述的磨削裝置包括研磨工具、超聲振動換能器、張緊機構(gòu)和工件進給機構(gòu)，工件進給機構(gòu)用于支撐并驅(qū)動工件軸向往復移動；研磨工具貫穿工件內(nèi)孔，用于工件的擴孔和內(nèi)孔的研磨；張緊機構(gòu)設(shè)有兩個，兩個張緊機構(gòu)分別設(shè)置于研磨工具的軸向的兩端，其中一個張緊機構(gòu)連接超聲振動換能器，超聲振動換能器套于研磨工具并抱緊，另一個張緊機構(gòu)夾持并張緊研磨工具，以使研磨工具與工件同軸，兩個張緊機構(gòu)可驅(qū)動超聲振動換能器與研磨工具同步旋轉(zhuǎn)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削裝置，其特征在于，研磨工具包括用于擴孔的錐度段和用于定徑的定徑段，錐度段是由多個帶有錐度的擴徑磨頭軸向依次排列而成，相鄰的兩個擴徑磨頭的外徑沿工件的前進方向逐漸增加，相鄰的兩個擴徑磨頭之間設(shè)有環(huán)形凹槽，以用于排屑；定徑段是由多個等徑的定徑磨頭軸向依次排列而成，相鄰的兩個定徑磨頭之間設(shè)有環(huán)形凹槽，以用于排屑。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削裝置，其特征在于，設(shè)定徑段的長度為l2，工件的長度為l1，l2/l1＝6/5～2/1。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削裝置，其特征在于，每個擴徑磨頭上電鍍金剛石粗磨粒，用于工件內(nèi)孔的粗加工階段，定徑磨頭上電鍍金剛石細磨粒，用于工件內(nèi)孔的精加工階段。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削裝置，其特征在于，張緊機構(gòu)的夾持端夾持在研磨工具的振動波節(jié)的位置處。

10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削裝置，其特征在于，工件進給機構(gòu)為摩擦輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)、氣囊驅(qū)動結(jié)構(gòu)或橡膠履帶驅(qū)動結(jié)構(gòu)中的一種。

技術(shù)總結(jié)
一種用于大長徑比管材內(nèi)孔的超聲縱扭復合振動磨削方法及磨削裝置，為解決現(xiàn)有的大長徑比管材內(nèi)孔的磨削方法容易產(chǎn)生崩邊或微裂紋，影響工件的加工質(zhì)量，同時也導致整個工件的加工效率降低，無法實現(xiàn)量產(chǎn)。本發(fā)明將大長徑比管材內(nèi)孔的磨削方式與超聲縱扭復合振動的方式耦合使用，可使研磨工具的磨粒在軸向和切向上同時產(chǎn)生周期性的高頻微幅運動，實現(xiàn)“高頻沖擊+剪切”的復合作用機制，降低磨粒磨削力的同時，還通過振動疊加改變研磨工具上的磨粒與工件的接觸特性，促使工件材料以塑性方式去除，大幅減少表面崩邊與微裂紋的產(chǎn)生，提升加工表面完整性，顯著降低硬脆材料加工損傷，還可提高工件材料的去除效率，實現(xiàn)量產(chǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：林彬,趙鵬程,隋天一,周京國
受保護的技術(shù)使用者：天津大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15