肖贵坚 邓忠才 李少川 黄云 / 文

重庆大学

摘要：本文提出了一种具有柔性接触振幅补偿的超声振动砂带磨头，这种磨头包括驱动机构、转接板、张紧机构、超声振动系统、超声系统固定装置、振幅补偿器、接触轮和砂带组成。转接板与磨床运动部位相连，前面板固定超声振动砂带磨头组成，驱动机构带动砂带转动，张紧机构对砂带张紧；超声振动系统通过法兰盘固定在转接板上，变幅杆末端与振幅补偿器相连；振幅补偿器中的补偿杆通过缩小末端面积实现聚能补偿，同时在振幅补偿器中部设置强力弹簧，振幅补偿器中的强力弹簧与补偿杆的超声振动形成谐振补偿。振幅补偿器中补偿杆的结构增振与强力弹簧的谐振增振共同作用，对接触轮的柔性吸振进行补偿。该装置能够实现砂带磨削中材料去除与表面强化一体化加工。

引言

超声振动辅助加工由于其在减小切削力、延长刀具寿命、提升表面完整性、改善组织性能等方面的优异性能，在车削、铣削、砂轮磨削等加工领域得到了广泛的应用。砂带磨削和抛光加工作为航空发动机叶片等复杂曲面构件的最终处理工艺，能够消除之前工序的加工余量和加工纹理，同时决定零部件的最终表面状态和表面性能。然而在砂带磨抛加工去除加工余量和加工纹理的同时，也会消除前期工艺引入的表面强化层。目前普遍采用的是在砂带磨抛加工后进行振动光饰或表面喷丸处理进行强化，上述工艺组合不但增加了零件的生产周期，而且提升了生产成本。此外，喷丸处理在引入表面残余应力的同时，通常会导致表面粗糙度增加，不利于工件综合表面性能提升。为了解决现有技术存在的问题，本文设计了一种具有柔性接触振幅补偿的超声振动砂带磨头。

1. 具有柔性接触振幅补偿的超声振动磨头

1.1 具有柔性接触振幅补偿的超声振动磨头创新设计

一种具有柔性接触振幅补偿的超声振动砂带磨头，磨头特征包括包括驱动结构 1、砂带 2、转接板 3、张紧机构 4、超声系统固定装置 5、超声振动系统 6、振幅补偿器7 和接触轮 8。转接板固定在砂带磨床上，其上边安装有驱动结构、张紧结构和超声振动系统。驱动结构包括驱动轮、联轴器和伺服电机。超声振动系统包括换能器、超声波发生器和变幅杆。振幅补偿器包括补偿杆、弹簧和限位板。接触轮包括接触轮安装柄和橡胶轮。超声振动磨头装置其超声振动系统固定在转接板上，避免了柔性力控系统的吸振和减振，实现了超声振动的单项振幅可控传播，增加了接触轮的震动振幅调节范围。装置通过增加振幅补偿器可以实现对变幅杆末端的机械超声振动振幅进行二次放大，补偿杆的一次聚能增振和强力弹簧的二次谐振增振共同作用，对接触轮的柔性吸振进行补偿，增加了砂带磨削系统中超声振动振幅的可以调节范围。装置实现了超声振动在砂带磨削中的良性应用，在砂带磨抛去除材料的过程中，同时对磨削加工表面进行小幅高频冲击，增加了残余压应力、细化了微观组织，提高了表面完整性、提升了服役性能，实现了精密磨削加工和表面强化融合加工。能够提升加工表面性能、减少零件的加工工序、提高生产效率，尤其是对于需要砂带磨削加工的复杂曲面构件。

1.2 多维超声振动辅助磨削装置

超声振动辅助加工由于其在减小磨削力、降低磨削温度、提升表面质量以及功能织构表面加工方面具有卓越的优势，在高服役性能构件加工中被广泛应用。然而，目前超声辅助加工在砂带磨削领域的应用研究较为受限，尤其是三维超声辅助加工在砂带磨削领域的研究尚未开展。为探究新型磨削工艺下的表面质量和服役性能，团队设计开发了三维超声辅助砂带磨削平台（图 5），设计的法向超声辅助砂带磨削头通过接触轮驱动砂带实现了超声驱动与砂带材料去除的协同加工，该磨头可以满足复杂曲面的加工需求。二维振动平台可以实现振动角度、振动相位差的调节，将工件固定于二维振动平台可以实现工件的平面二维振动。三维超声振动平台的成功研制是团队在多能场辅助加工中的新突破，为超声辅助砂带研究奠定了硬件基础，目前团队已开展超声辅助砂带磨削表面质量及服役性能研究。

2. 柔性接触振幅补偿的超声振动砂带磨头实验研究

2.1 实验装备

柔性接触振幅补偿的超声振动砂带磨头实验平台是国内研发的首台激光砂带协同加工装备的附属平台，该装备的研发是围绕激光砂带多能场协同加工模型表征及材料去除机理、基于“熔擦”模型的微结构拟合创成及其强化机制、强化微结构激光砂带协同创成参数调控及精度补偿和典型强化微结构激光砂带协同加工实验及其性能测试等关键技术攻关研制出的，并属于国内外首台套高服役表面激光砂带协同加工装备（图 6），形成了系统的高温合金、脆硬材料等难加工材料的加工技术体系，能实现仿生或功能性微纳结构高效、高精度及其强化加工。该装备可以在材料表面精密加工经计算机设计的凹坑、网纹等微纳结构，可加工出 1μm 尺度的疏水功能微结构，接触角可达 156°，与现有的超快激光加工相比，效率可提高 180 倍，并改善了难加工材料的可加工性能，减小了砂带磨损和材料损伤。相关研究成果已发表 SCI/EI 论文 35 篇、中文 T 级论文 7 篇，申请发明专利 12 项。装备已经在四川大学、四川轻工业学院、中国科学院上海光学精密机械研究所、南京翠智激光应用技术研究院有限公司等得到应用，为超疏水、减阻以及其他仿生功能表面的大面积加工提供了一种创新的方法，有助于提升叶片、螺旋桨等高服役旋转构件的加工水平。

2.2 超声振动辅助磨削实验

2.2.1 实验目的

砂带磨削由于具有柔性、结构灵活，在加工中可避免表面损伤、微裂纹等缺陷而被广泛应用于表面的加工。但传统的磨削方式对工件质量要求有一定的限制，很难适应复杂零件表面的加工。为了满足复杂零件的高性能加工，设计出一种具有柔性接触振幅补偿的超声振动砂带磨头进行实验研究，探究磨削参数对表面完整性的影响，探讨线速度和进给速度对表面完整性的影响。

2.2.2 实验材料

超声振动辅助磨削实验使用的材料为镍基高温合金GH4169 板 材， 几 何 尺 寸 为 120 mm * 80 mm * 10 mm。GH4169 具有优良的综合性能，如高温强度、抗氧化性、耐热蚀性和抗疲劳性。但其高强度特性使其在加工过程中容易产生表面烧伤、微裂纹等表面缺陷。GH4169 的应力集中敏感特性使其容易发生疲劳失效，从而具有较高的疲劳强度加工工艺要求。试验材料样品如图 7，具体化学成分和力学性能分别见表 1 和表 2

2.2.3 实验参数

为了探究不同磨削参数对表面完整性的影响，实验设置了两组对比实验，一组采用超声振动辅助磨削实验，其频率设置为 23.25kHz；另一组实验采用普通磨削方式，其磨削参数与超声振动辅助磨削参数设置一致。具体磨削参数如表 3。

3.实验检测及结果

3.1表面形貌

磨削后的表面纹理及形貌如图 8 所示，图 a 为常规磨削的表面纹理；图 b 为常规磨削的三维形貌；图c 为超声振动辅助磨削的表面纹理；图 d 为超声振动辅助磨削的三位形貌。从图中可以看出常规磨削时表面纹理波动起伏相对于超声振动辅助磨削较大，但由

于砂带的柔性，其表面质量相对较高，在一定程度上可以满足加工需求。图 c 和图 d 可以看出磨削表面纹理波动起伏较小，表面质量较好，相对没有超声振动辅助磨削时粗糙度要略低。

3.2表面粗糙度

超声辅助磨削和常规磨削的表面形貌检测如图 9 所示，a 图为超声辅助磨削形貌，b 图为常规磨削。图中可以看出，超声辅助磨削的表面更加细腻，粗糙度值相对常规磨削要低，其表面粗糙度 Ra=1.25μm ，Rz=13.1μm，纹理波峰为 4.2μm，磨削深度为 6.2μm。在图中，常规磨削的粗糙度 Ra=1.71μm ，Rz=10.55μm，纹理波峰为4.6μm，磨削深度为 7.8μm。这与前面表面纹理相符。

4.结论

本文设计了一种具有柔性接触振幅补偿的超声振动砂带磨头，该装置在砂带磨削材料去除的过程中，同时在加工表面施加垂直于接触表面的超声振动对磨抛加工表面进行小幅高频冲击。该装置实现了表面精密磨抛加工与表面强化的有机融合，在砂带抛磨加工的过程中引入较大的表面残余压应力和细化的微观组织，改善了表面质量，提升了材料表面的完整性和综合力学性能，对于减少零件加工工序、提高生产效率和提升表面综合性能具有重要意义。通过常规磨削实验以及超声辅助磨削加工实验的对比研究，表明了超声辅助加工有利于提升材料的表面质量。同时，在超声辅助磨削中，接触振幅补偿的超声振动砂带磨头具起着重大作用。