二维超声振动辅助磨削的磨削力建模

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.08.009

摘要/Abstract

摘要：

在研究二维超声振动下单颗磨粒的运动特性基础上，根据体积不变原理确定了平均切屑厚度.基于磨粒的几何形状以及材料的弹性回复率，推导出切屑变形力模型；根据摩擦力来源于磨粒与工件弹性接触和切屑流出，构建摩擦力模型；考虑到高频振动所产生的冲击作用对总磨削力的影响，建立冲击力模型.综合切屑变形力、摩擦力和冲击力模型，得出二维超声磨削的磨削力模型.通过氧化铝陶瓷二维超声磨削实验研究，确定了模型中的常数，并验证了磨削力模型的合理性.结果表明，法向力、切向力的实验值与理论值之间的平均误差分别为11.09%和8.07%，误差最大值不超出20%，所建模型具有预测作用.

关键词: 磨削力, 超声振动, 运动学特性, 磨削力模型, 氧化铝陶瓷

Abstract:

Based on the study of the motion characteristics of a single abrasive particle under two?dimensional ultrasonic vibration， the average chip thickness was determined according to the principle of constant volume. Based on the geometric shape of the abrasive grain and the elastic recovery rate of the material， the chip deformation force model is derived. According to the friction force from the elastic contact between the abrasive particles and the workpiece and the chip outflow， the friction model is established. Considering the impact of high frequency vibration on the total grinding force， the impact force model is obtained. Combining the chip deformation force， friction force and impact force model， the grinding force model of two?dimensional ultrasonic grinding is obtained. Through the experimental study of two?dimensional ultrasonic grinding of alumina ceramic materials， the constants in the model are determined， and the rationality of the grinding force model is verified. The results show that the average errors between the experimental values and the theoretical values of the normal force and the tangential force are 11.09% and 8.07%， respectively， and the maximum error does not exceed 20%. Thus， the model has a predictive effect.

Key words: grinding force, ultrasonic vibration, kinematic characteristics, grinding force model, alumina ceramics

中图分类号:

TH 145

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图/表 13

图1 二维超声磨削示意图

Fig. 1 Two?dimensional ultrasonic grinding sketch

图2 二维超声磨削单颗磨粒的运动模型

Fig. 2 Motion model of single grains in two?dimensional ultrasonic grinding

图3 砂轮表面的磨粒几何形状

Fig. 3 Geometric shape of abrasive grains on the grinding wheel surface

图4 磨粒与工件接触模型

Fig. 4 Contact model between abrasive particles and workpiece

图5 单颗磨粒切削工件示意图（a）—磨粒切削刃方向示意图；（b）—磨粒切削面方向示意图.

Fig. 5 Schematic diagram of the single abrasive cutting workpiece

图6 单颗磨粒切削工件俯视图

Fig. 6 Top view of single abrasive cutting workpiece

图7 实验装置（a）—氧化铝陶瓷；（b）—砂轮；（c）—超声波发生器与测力仪.

Fig. 7 Experimental device

表1 实验条件

Table 1 Experimental conditions

参数	取值
超声频率f/kHz	19.7
超声振幅A/μm	0，1，2，3，4，5，6
v_s/(m·s^-1)	10，15，20，25，30，35，40
v_w/(mm·min^-1)	300，600，900，1 200，1 500，1 800，2 100
磨削深度a_p/μm	10，15，20，25，30，35，40

图8 磨削力信号（a）—法向力信号；（b）—切向力信号.

Fig. 8 Grinding force signals

图9 实验值与理论值随不同参数变化的对比图（a）—随工件进给速度变化；（b）—随砂轮线速度变化；（c）—随磨削深度变化；（d）—随超声振幅变化.

Fig. 9 Comparison of experimental and theoretical values with different parameters

图10 不同工件进给速度下的表面形貌图

Fig 10 Surface morphology at different workpiece

图11 不同磨削深度下的表面形貌图

Fig. 11 Surface morphology with different grinding

图12 法向力、切向力实验值和理论值相对误差比较

Fig. 12 Comparison of relative errors between experimental and theoretical values of normal force and tangential force

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