CN107336086A - 超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统及方法，包括：磁力工作台，工件夹具，测力仪和超声波振动装置；超声波振动装置包括：切向超声波振动装置、轴向超声波振动装置、可振动底座和固定在可振动底座上的径向压电陶瓷片；切向超声波振动装置和轴向超声波振动装置分别固定在可振动底座上；同时分别通过支架固定在磁力工作台上，所述测力仪固定在可震动底座上，工件夹具固定于测力仪上；本发明有益效果：实现了磨削力和磨削温度的同时在线检测，即节省了时间，又避免了因多次装配而引起的加工误差。
Description
技术领域
本发明涉及磨削加工领域，具体涉及一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统及方法。
背景技术
随着机械、汽车、光学、航空航天等领域高端装备的不断发展，出现了一大批性能要求越来越高的零部件，精密和超精密加工技术占有越来越重要的地位。这些零部件对硬脆性材料、难加工材料和新型先进材料的需求日益增多，对关键零件的加工效率、加工质量和加工精度提出了更高的要求。传统的磨削加工不可避免产生严重的加工变质层和表面裂纹，磨削过程中产生较大的磨削力以及较高的磨削温度，加剧了砂轮的磨损和加工表面的损伤；严重制约着零件加工精度及加工效率，迫切需要新的磨削工艺来解决此类问题。超声波振动辅助磨削的纳米流体润滑是解决此类问题的方法之一。
超声振动磨削是建立在振动理论和切削理论等基础上的复合加工方法，这种磨削方法与以往的磨削根本区别在于磨削过程中由超声波发生器产生的高频电振荡信号经超声换能器转换成超声频机械振动，超声振动振幅由变幅杆放大后驱动工具砂轮产生相应频率的振动，使刀具对工件进行周期性的切削，即工具砂轮在高速旋转磨削的同时也对其产生高频振动。当给工艺系统加上超声波振动以后，磨粒与工件各接触表面的相互作用条件都与普通磨削有很大区别。超声振动磨削的特殊机理使磨削效率显著提高、磨削温度降低、砂轮的使用寿命延长，同时超声振动磨削改善了对难加工材料的磨削能力。而且超声波振动促使磨粒产生断续切削作用，而冲击载荷促使工件材料更容易卷积，在切削区生成较多的微观裂纹扩展促使磨削力以及摩擦系数减小。磨削过程中材料的塑性变形主要发生在滑擦和耕犁作用阶段，由于超声波振动磨削是一种脉冲式的断续磨削，促使滑擦和耕犁比例相对减小，从而比磨削能减小，表面热损伤也显著降低。
纳米流体微量润滑磨削加工继承了微量润滑磨削加工的所有优点，又解决了微量润滑磨削的换热问题，是一种绿色环保、高效低耗的磨削加工技术。基于固体换热能力大于液体，液体换热能力大于气体的强化换热理论，将一定量的纳米级固体颗粒加入到可降解的微量润滑油中生成纳米流体，通过高压空气将纳米流体进行雾化，并以射流的方式送入磨削区。高压空气主要起冷却、除屑和输送流体的作用；微量润滑油主要起润滑作用；纳米粒子增加了磨削区流体的换热能力，起到了冷却作用，同时，纳米粒子具有良好的抗磨减摩性能特性和高的承载能力，因而，进一步提高了磨削区的润滑效果，使工件表面质量和烧伤现象得到显著改善，提高了砂轮的使用寿命，改善了工作环境。
现有技术中公开了一种超声振动三维螺线磨削方法，其砂轮轴向的超声振动使磨粒在工件表面上的轨迹相互干涉，从而实现了粗糙度的降低；同时砂轮径向的超声振动导致磨粒的最大切削深度增加，磨粒发生断续性切削作用，从而实现磨削力的降低以及材料去除率的提高。该方法可提高加工表面质量，减少表面损伤，提高生产效率，因此适用于难加工材料的高效精密加工。但是此方法并没有冷却与润滑的辅助磨削装置，将会有大量磨削热，而并没有很好的冷却效果。也不能方便准确的测量各个方向的磨削力和磨削温度的在线检测，没有对磨削状态进行实时监控。磨削力和磨削温度是评价磨削效果的关键因素，通过对磨削力和磨削温度的精确测量以及对实验数据的分析，可为磨削加工提供指导。
现有技术公开了一种多角度二维超声波振动辅助纳米流体微量润滑磨削装置，该装置将可变角度的二维超声波振动技术应用于磨削加工中，通过调节两个超声波振子的角度产生不同的合振方向，以此来改变磨粒与工件的相对运动轨迹。但是此超声波振动辅助磨削装置结构较复杂，测力仪和工件安装定位不方便，工艺系统刚度和定位稳定性不高；并且，该装置既能够提供轴向与切向这一种轨迹合成方式，限制了装置的磨削效果。
现有技术公开了一种超声振动辅助磨削装置，该装置通过旋转台上下底座的精确旋转实现了任意方向的超声振动；同时由于采用了对合的夹紧方式方便工件托台平面调整水平；测力仪只与旋转台下底座连接，可以保证变幅杆任意角度旋转时仍能够测量砂轮三个方向的力。该发明中超声波振子通过带有圆盘的支架支撑，仅有一个支撑点，无法保证系统的稳定性，而且一维超声波振动磨削有其局限性，需要满足一定的加工参数条件，才能实现理想的加工效果。
综上，现有技术中无法提供可调角度角度且三种振动方向(轴向、切向和径向)合成的超声波振动装置，而砂轮磨粒与工件的相对运动轨迹是一致的，长时间运转，容易对切削刃造成过度损伤，砂轮需要重新打磨，耽误工件加工周期；且长时间运转工件不易被冷却，容易造成对工件的热损伤，此外，现有技术无法实现对多种超声波振动方向的磨削力和磨削温度实时的在线检测。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统及方法，该实验系统的超声振动辅助装置将轴向可调支架与切向支架作为独立的两部分，无需配合，可通过磁力直接吸附在磁力工作台上，便于装夹固定，而径向的超声振动由固定在可振动底座上的压电陶瓷片直接提供。通过对切向支架和轴向可调支架之间角度的精确调整，可以实现多角度不同振动方向组合的二维超声波振动。通过测力装置和测温装置实时检测磨削力和磨削温度，同时配合纳米流体微量润滑，在砂轮与工件界面形成研磨的作用机理，进一步提高工件的加工质量，避免工件的热损伤。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明公开了一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统，包括：磁力工作台，工件夹具，测力仪和超声波振动装置；
所述超声波振动装置包括：切向超声波振动装置、轴向超声波振动装置、可振动底座和固定在可振动底座上的径向压电陶瓷片；所述切向超声波振动装置和轴向超声波振动装置分别固定在可振动底座上；
所述切向超声波振动装置和轴向超声波振动装置分别通过支架固定在磁力工作台上，所述测力仪固定在可震动底座上，所述工件夹具固定于测力仪上；
所述径向压电陶瓷片与超声波发生器连接，提供径向振动；所述径向压电陶瓷片与切向超声波振动装置和轴向超声波振动装置配合，实现径向、切向和轴向的不同振动方向的合成；通过调节切向超声波振动装置和轴向超声波振动装置之间的角度，使磨粒与工件产生不同的相对运动轨迹，实现不同的磨削效果。
进一步地，所述切向超声波振动装置与轴向超声波振动装置安装在同一水平面上，切向超声波振动装置平行于砂轮的磨削方向,轴向超声波振动装置垂直于砂轮的磨削方向；所述轴向超声波振动装置相对于切向超声波振动装置可旋转设置，夹角的调整范围为45°～165°。
角度的可调，使磨粒与工件产生不同的相对运动轨迹，从而实现不同的磨削效果，使工件磨削表面形成更加致密的织构纹路，提高工件表面质量。
进一步地，所述切向超声波振动装置通过纵向剖面呈L型形状的切向支架固定于所述的磁力工作台上，切向支架顶部支撑切向变幅杆，切向变幅杆一端与切向换能器连接，切向换能器一端与超声波发生器连接，另一端通过垫块和螺柱与可振动底座连接。
进一步地，所述轴向超声波振动装置通过纵向剖面呈L型形状的轴向可调支架固定于所述的磁力工作台上，所述轴向超声波振动装置包括轴向变幅杆，轴向变幅杆一端与轴向换能器连接，另一端连接可振动底座，轴向换能器与超声波发生器连接。
切向超声波振动装置与轴向超声波振动装置设于支架上，支架通过磁力直接吸附在磁力工作台上，超声波振动装置通过垫块和螺柱与可振动底座连接，可振动底座与测力仪连接，测力仪被设置为与磨削力控制系统连接。
轴向可调支架的高度等于切向支架的高度，轴向可调支架和切向支架的底部与底座下部接触的面为圆弧面，半径与底座下部相同，以此便于轴向可调支架的角度调整，也提高了切向支架的稳定性，减小了能量损耗。
进一步地，所述可振动底座与固定在磁力工作台上的底座连接，所述可振动底座与底座之间设有推力球轴承；推力球轴承是为了减小可振动底座与底座顶面之间的摩擦力，推力球轴承置于底座之中，底座上开有凹槽，推力球轴承上涂有润滑油，以减小摩擦产生的能力损耗。
所述可振动底座上开有安装径向压电陶瓷片的圆柱形槽，所述圆柱形槽的半径小于推力球轴承的内径，大于径向压电陶瓷片的半径。
可振动底座的圆柱形槽半径要小于推力球轴承内径，以避免妨碍可振动底座的转动，而径向压电陶瓷片的半径要小于圆柱形槽半径，以方便电线的接入。
径向压电陶瓷片，用螺钉固定在可振动底座上，螺钉不宜过大，以免与底座干涉，径向压电陶瓷片直接与超声波发生器连接。
进一步地，在所述可振动底座的圆柱面上设定位置处开有螺纹孔，用以调节轴向超声波振动装置和切向超声波振动装置之间的角度。
可振动底座底面与推力球轴承相配合，可振动底座的圆柱面上开有螺纹孔，开螺纹孔位置为0°，45°～165°上等间隔15°，这样就可以实现通过调节两个超声波振子的角度产生不同的合振方向，以此来改变磨粒与工件的相对运动轨迹。
可振动底座右侧面和前面开有螺纹孔，可用测力仪切向定位螺钉和测力仪轴向定位螺钉将测力仪利用六点定位原理进行定位，可振动底座底面开有沿切向的长槽，测力仪上开有沿轴向的长槽，测力仪和可振动底座再通过长槽用测力仪连接螺栓固定，此种结构的可振动底座大大方便了测力仪的安装定位，还起到了加强此工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。
进一步地，所述测力仪通过切向定位螺钉沿砂轮磨削的切向定位，限制沿Y轴方向的移动；
所述测力仪通过轴向定位螺钉沿砂轮磨削的轴向定位，限制沿X轴方向的移动和绕Z轴的转动；
所述测力仪固定在可振动底座上，限制了沿Z轴的移动，绕X轴的转动和绕Y轴的转动。
利用了六点定位原理将测力仪固定在可振动底座上，限制了测控仪的六个自由度，大大方便了测力仪的安装定位，还起到了加强此工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。
用于固定工件的工件夹具被用螺钉固定在测力仪上，工件夹具内设置可轴向位移的工件定位挡块，工件夹具内设置可切向位移的夹具螺栓或螺钉。
进一步地，本发明超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统还包括：纳米流体微量润滑磨削装置；所述纳米流体微量润滑磨削装置包括：用于磨削工件的砂轮和保护和固定砂轮的砂轮罩，所述砂轮罩两侧分别固定纳米流体输送管和压缩空气输送管，纳米流体输送管和压缩空气输送管在喷嘴处汇合，纳米流体与压缩空气在喷嘴内腔充分混合后形成气雾喷到砂轮与工件界面起到润滑冷却的作用。
进一步地，本发明超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统还包括：磨削力、磨削温度在线测量系统；所述磨削力、磨削温度在线测量系统包括磨削力测量装置和磨削温度测量装置；
所述磨削力测量装置包括：依次连接的磨削力控制系统、磨削力信息采集仪和放大器；所述放大器与测力仪连接；
磨削温度测量装置包括：依次连接的热电偶、磨削温度信息采集仪、低通滤波器和磨削温度控制系统。
本发明还公开了一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统的工作方法，包括：
首先，通过调节超声波发生器控制切向和轴向两个方向的超声电信号的相位差：
当相位差为π/2时，切向超声波振动与轴向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹；
当相位差为0和π时，切向超声波振动与轴向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成两组直线相互交叉的相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹；
调节超声波发生器控制径向和轴向两个方向的超声电信号的相位差：
当相位差为π/2时，径向压电陶瓷片产生的超声振动与轴向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹；
调节超声波发生器控制径向和切向两个方向的超声电信号的相位差：
当相位差为π/2时，径向压电陶瓷片产生的超声振动与切向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹；
其次，改变切向超声波振动装置与轴向超声波振动装置之间的角度，从而改变椭圆形运动轨迹的形状以及仿研磨运动轨迹中两组相互交叉直线的倾斜角度，使工件磨削表面形成更加致密的织构纹路；
最后，超声波振动与纳米流体微量润滑耦合，纳米流体作为磨料经由微量润滑系统输送到磨削区与二维超声波振动形成的研磨和珩磨的运动轨迹相配合，进一步提高磨削质量。
本发明有益效果：
本发明提供的一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统，实验系统的超声波振动辅助装置的轴向可调支架与切向支架作为独立的两部分，无需配合，可通过磁力直接吸附在磁力工作台上，便于装夹固定。其中，可振动底座中设有压电陶瓷片提供径向振动，由此装置可以实现三种方向中每两种振动方向的运动轨迹的合成，以提供不同的磨削效果，并通过对切向支架和轴向可调支架之间角度的精确调整，可以实现多角度且不同振动方向组合的的二维超声波振动。
通过对二维超声波振动角度的改变，砂轮磨粒与工件的相对运动轨迹也发生了变化，从而使得磨削力、磨削温度以及工件表面质量发生变化。
本发明在可振动底座部分设有压电陶瓷片，以提供超声径向振动。这样此超声波振动装置具有三个方向的振动，分别为轴向(X方向)、切向(Y方向)和径向(Z方向)。如此可以实现三种方向合成的运动轨迹分别为：轴向与切向合成、轴向与径向合成、切向与径向合成，而且每种合成方式均表现出不同的运动轨迹，并结合可调角度的轴向超声振动实现不同的磨削效果。
本发明可振动底座与测力仪通过几个不同方向螺栓固定，来限制测力仪的六个自由度，且在调整轴向可调支架的角度时不会影响侧力仪的位置，仍可方便准确的测量法向磨削力、切向磨削力和轴向磨削力；磨削温度测量装置采用夹式人工热电偶测温方法，对磨削状态进行实时监控。
本实验系统实现了磨削力和磨削温度的同时在线检测，即节省了时间，又避免了因多次装配而引起的加工误差。磨削力和磨削温度是评价磨削效果的关键因素，通过对磨削力和磨削温度的精确测量以及对实验数据的分析，为磨削加工提供指导。
说明书附图
图1为超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统轴测图；
图2为第一种实施例的第一部分超声波振动装置轴测图；
图3为第四种实施例的俯视图；
图4为图3中B-B的剖视图；
图5为第五种实施例的俯视图；
图6为图5中A-A的剖视图；
图7为第二种实施例的俯视图；
图8为第三种实施例的俯视图；
图9为第二部分纳米流体微量润滑磨削装置轴测图；
图10为第三部分磨削力、磨削温度在线测量装置轴测图；
图11为五种实施例的切向超声波振子与切向支架装夹定位示意图；
图12为工件定位夹紧装置结构示意图；
图13为测力仪与可振动底座安装定位示意图；
图14为底座三部分连接装配图；
图15为五种实施例的超声波换能器剖视图；
图16为五种实施例的超声波换能器中逆压电效应原理图；
图17为五种实施例的变幅杆结构示意图；
图18(a)为超声波振动磨削原理示意图；
图18(b)为切向和轴向组合的超声波振动砂轮磨粒研磨工件相对运动轨迹；
图18(c)为切向和径向组合的超声波振动砂轮磨粒研磨工件相对运动轨迹；
图18(d)为径向和轴向组合的超声波振动砂轮磨粒研磨工件相对运动轨迹；
图18(e)为切向和轴向组合的超声波振动砂轮磨粒珩磨工件相对运动轨迹；
图19五种实施例的超声波发生器控制图；
其中，Ⅰ-1-轴向负极铜片，Ⅰ-2-轴向换能器，Ⅰ-3-轴向可调支架，Ⅰ-4-轴向可调支架盖，Ⅰ-5-轴向可调支架盖螺钉，Ⅰ-6-轴向变幅杆，Ⅰ-7-垫块，Ⅰ-8-可振动底座，Ⅰ-9-测力仪，Ⅰ-10-测力仪连接螺丝，Ⅰ-11-夹具螺钉，Ⅰ-12-工件，Ⅰ-13-工件定位挡块，Ⅰ-14-工件轴向定位螺钉，Ⅰ-15-工件切向定位螺钉，Ⅰ-16-工件夹具，Ⅰ-17-切向支架盖，Ⅰ-18-切向支架盖螺钉，Ⅰ-19-切向支架，Ⅰ-20-切向换能器，Ⅰ-21-切向正极铜片，Ⅰ-22-切向负极铜片，Ⅰ-23-底座中，Ⅰ-24-底座下，Ⅰ-25-底座上，Ⅰ-26-推力球轴承，Ⅰ-27-轴向负极铜片，Ⅰ-28-测力仪输出连接螺母，Ⅰ-29-螺柱，Ⅰ-30-测力仪连接螺母，Ⅰ-31-底座连接螺钉，Ⅰ-32-压电陶瓷，Ⅰ-33-压电陶瓷定位螺钉，Ⅰ-34-测力仪切向定位螺钉，Ⅰ-35-测力仪轴向定位螺钉，Ⅰ-36-径向压电陶瓷片，Ⅰ-37-径向压电陶瓷片固定螺钉，Ⅱ-1-砂轮罩，Ⅱ-2-磁力吸盘，Ⅱ-3-砂轮，Ⅱ-4-纳米流体输送管，Ⅱ-5-压缩空气输送管，Ⅱ-6-喷嘴，Ⅱ-7-磁力工作台，Ⅲ-1-磨削力控制系统，Ⅲ-2-磨削力信息采集仪，Ⅲ-3-放大器，Ⅲ-4-热电偶，Ⅲ-5-磨削温度信息采集仪，Ⅲ-6-磨削温度控制系统，Ⅲ-7-低通滤波器，Ⅲ-8-超声波发生器，Ⅲ-9-负极导线，Ⅲ-10-正极导线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍。
本发明的第一种实施例如图1至2、图9至17、图18(a)和图18(b)及图19所示，是关于平行于磨削方向的切向和垂直于磨削方向的轴向耦合超声波振动辅助纳米流体微量润滑磨削装置及其磨削力、磨削温度测量装置。
如图1所示，超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统由超声波振动装置Ⅰ、纳米流体微量润滑磨削装置Ⅱ以及磨削力、磨削温度测量装置Ⅲ三部分构成。
如图2所示，切向支架Ⅰ-19和轴向可调支架Ⅰ-3直接置于磁力工作台Ⅱ-7上；切向支架Ⅰ-19和轴向可调支架Ⅰ-3的底部与底座下Ⅰ-24配合的面都呈圆弧形，且半径与底板半Ⅰ-24径相同，以此可约束轴向可调支架Ⅰ-3的运动轨迹；底座下Ⅰ-24、底座中Ⅰ-23和底座上Ⅰ-25用四个底座连接螺钉Ⅰ-31连接，其中底座上Ⅰ-25的螺纹孔开有沉头孔，以便推力球轴承Ⅰ-26的安装；切向变幅杆和轴向变幅杆Ⅰ-6分别通过切向支架盖Ⅰ-17和轴向可调支架盖Ⅰ-4固定在切向支架Ⅰ-19和轴向可调支架Ⅰ-3上；工件夹具Ⅰ-16通过三个成L形排列的夹具螺钉Ⅰ-11固定在测力仪Ⅰ-9上。
如图2所示，可以看出第一种实施例的安装方式，分别装夹在切向支架Ⅰ-19和轴向可调支架Ⅰ-3上的切向超声波振子与轴向超声波振子的夹角成90°，其中，变幅杆Ⅰ-6上的轴肩与切向支架Ⅰ-19和轴向可调支架Ⅰ-3上开设的卡槽之间的配合用的是过盈配合，这样可保证安装的可靠性和稳定性也避免引起局部冲击；
如图9所示，纳米流体微量润滑磨削装置包含了砂轮罩Ⅱ-1、磁力吸盘Ⅱ-2、砂轮Ⅱ-3、纳米流体输送管Ⅱ-4、压缩空气输送管Ⅱ-5、喷嘴Ⅱ-6、磁力工作台Ⅱ-7，其中砂轮罩Ⅱ-1两侧各有一个磁力吸盘Ⅱ-2，用来固定纳米流体输送管Ⅱ-4和压缩空气输送管Ⅱ-5；纳米流体输送管Ⅱ-4和压缩空气输送管Ⅱ-5在喷嘴Ⅱ-6处汇合，使纳米流体与压缩空气在喷嘴Ⅱ-6内腔充分混合后形成气雾喷到砂轮Ⅱ-3与工件Ⅰ-12界面磨起到润滑冷却的作用。
如图10所示，测力仪Ⅰ-9通过可振动底座Ⅰ-8与超声波振动装置连接，测力仪Ⅰ-9借助磁力吸附固定在磁力工作台Ⅱ-7上；磨削力测量装置包含磨削力控制系统Ⅲ-1、磨削力信息采集仪Ⅲ-2、放大器Ⅲ-3、测力仪Ⅰ-9，当工件Ⅰ-12受到磨削力时，测量信号经放大器Ⅲ-3放大后传给磨削力信息采集仪Ⅲ-2，最后传到磨削力控制系统Ⅲ-1，并显示磨削力的大小；磨削温度测量装置包含热电偶Ⅲ-4、磨削温度信息采集仪Ⅲ-5、低通滤波器Ⅲ-7、磨削温度控制系统Ⅲ-6，测量信号经热电偶Ⅲ-4传给磨削温度信息采集仪Ⅲ-5，然后传到低通滤波器Ⅲ-7，将一些干扰信号过滤，最后传到磨削温度控制系统Ⅲ-6，并显示热电偶Ⅲ-4工作端温度即工件Ⅰ-12的温度。超声波发生器Ⅲ-8同时为切向换能器Ⅰ-20和轴向换能器Ⅰ-2提供超声频电信号，超声频电信号通过正极导线Ⅲ-10和负极导线Ⅲ-9传递给轴向正极铜片Ⅰ-1和轴向负极铜片Ⅰ-27。
如图11所示，切向超声波振子与切向支架Ⅰ-19的装夹方式，通过切向支架盖Ⅰ-17将切向超声波振子固定在切向支架Ⅰ-19上，通过两个切向支架盖螺钉Ⅰ-18将切向支架盖Ⅰ-17与切向支架Ⅰ-19固定；同时，切向变幅杆切向支架Ⅰ-6设有轴肩与切向支架Ⅰ-19上开的轴肩卡槽配合固定；轴向超声波振子和轴向可调支架Ⅰ-3的装夹方式与切向超声波振子和切向支架Ⅰ-19的装夹方式相同。
如图12所示，测力仪Ⅰ-9上的工件夹具Ⅰ-16通过三个成L形排列的夹具螺钉Ⅰ-11定位夹紧；工件Ⅰ-12的轴向通过工件定位挡块Ⅰ-13和两个轴向定位螺钉Ⅰ-14实现定位夹紧；切向通过两个切向定位螺钉Ⅰ-15实现定位夹紧；使用工件定位挡块Ⅰ-13是因为工件Ⅰ-12的大小不一，仅通过两个轴向定位螺钉Ⅰ-14难以让工件Ⅰ-12保持稳定，因此通过工件定位挡块Ⅰ-13可以让不同大小的工件Ⅰ-12实现稳定装夹。
如图13所示，测力仪Ⅰ-9与可振动底座Ⅰ-8用测力仪切向定位螺钉Ⅰ-34和测力仪轴向定位螺钉Ⅰ-35定位，用测力仪连接螺栓Ⅰ-10测力仪连接螺母Ⅰ-30连接固定，其中，测力仪连接螺栓Ⅰ-10长度选择不易过长，测力仪连接螺母Ⅰ-30高度选择也不宜过大，这样避免轴向可调支架Ⅰ-3作转动调整角度时，轴向变幅杆Ⅰ-6与其发生干涉。
如图14所示，底座下Ⅰ-24、底座中Ⅰ-23和底座上Ⅰ-25上都开有大小相同的螺纹孔，三者用底座连接螺钉Ⅰ-31连接，为了方便底座上Ⅰ-25上推力球轴承Ⅰ-26的安装，底座上Ⅰ-25的螺纹孔为沉头孔，且开有环形槽，推理球轴承避免了可振动底座Ⅰ-8的底面和底座上Ⅰ-25的上面的直接接触，大大地减小了摩擦力，从而减小了能量的损耗。
如图15和图16所示，切向换能器Ⅰ-20中设置有四个压电陶瓷片Ⅰ-32，且通过压电陶瓷定位螺钉Ⅰ-33使其与切向换能器Ⅰ-20连接固定；且四个压电陶瓷片Ⅰ-32之间交叉设有切向正极铜片Ⅰ-21和切向负极铜片Ⅰ-22；切向换能器Ⅰ-20通过压电陶瓷Ⅰ-32的压电逆效应将超声波发生器Ⅲ-8产生的超声频电信号转变成机械振动，当在压电陶瓷Ⅰ-32的晶体表面加一定数量电荷时，晶体会发生变形，这就是压电逆效应，在电场力作用下晶体内正负离子发生相对位移，导致晶体产生内应力，引起晶体发生机械形变；轴向换能器Ⅰ-2内部的装夹方式及工作原理与切向换能器Ⅰ-20相同
如图17所示，轴向变幅杆Ⅰ-6之所以能放大超声振动振幅，是由于通过它的任一截面的振动能量是不变的，因此截面小的地方，能量密度较大。而能量密度又正比于振幅A2，若截面小的地方，能量密度较大，则振幅也较大，即变幅杆截面小的地方振幅就得到了放大。切向变幅杆的工作原理与轴向变幅杆相同。
先要确定变幅杆的输入端直径，由于输入端和换能器相连，结合系统结构要求，设定变幅杆输入端直径为D1，输出端直径为D2，则有：
面积系数N:N＝D1/D2 (1)
波长λ：
圆波数k：
求共振长度L:
由
结合式(1)、(2)、(3)、(4)和式(5)，运用Matlab可计算出kL的值；
由
可得共振长度L，然后取整即可；
式中c为超声波在介质中的传播速度，f为超声波振动频率，考虑到经济成本和实验条件，选用45#钢作为变幅杆的材料，超声波在45#钢中传播速度c＝5170m/s，频率f＝20KHz。
求位移节点x0：
将k和a的值代入下式
得
可计算得位移节点x0，然后取整即可；
求放大系数MP：
由
可计算得放大系数MP；
图17中D1、2为变福杆输入端和输出端直径(mm)。根据所需变幅杆的放大系数，来设定输入端和输出端的直径。
如图18(a)、图18(b)和图18(e)所示，切向振动和轴向振动组合的超声波振动辅助纳米流体微量润滑磨削砂轮磨粒与工件相对运动轨迹共有两种，分别为仿研磨运动轨迹和仿研磨运动轨迹；这两种相对运动轨迹是通过超声波发生器中的相位调整环节产生，当相位差为π/2时，切向超声波振动与轴向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台的进给方向，形成仿研磨的运动轨迹；当相位差为0和π时，切向超声波振动与轴向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成两组直线相互交叉的相对运动轨迹，加以磁力工作台的进给方向，形成仿研磨的运动轨迹。
如图18(a)、图18(c)和图18(d)所示，径向振动和切向振动组合、径向振动和轴向振动组合的超声波振动辅助纳米流体微量润滑磨削砂轮磨粒与工件相对运动轨迹只有一种，为仿研磨运动轨迹；这种相对运动轨迹也是通过超声波发生器中的相位调整环节产生，当相位差为π/2时，径向超声波振动与切向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台的进给方向，形成仿研磨的运动轨迹；径向超声波振动与轴向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台的进给方向，形成仿研磨的运动轨迹。
如图19所示，220V的交流电源为超声波发生器Ⅲ-8中的振荡级、功率级以及相位检测部分供电，振荡级产生超声频信号后经放大级放大，通过功率级提高超声信号的功率，然后通过阻抗匹配传递给换能器，采样信号反馈将超声波发生器Ⅲ-8的输出功率与换能器功率比较，若不相等，则将信号反馈给振荡级和功率级，来产生与换能器相等的功率；相位检测与相位调整部分可以检测控制两个方向的超声波振动的相位，以此来实现不同的相位差，从而产生不同的运动轨迹。
图7、图9至图17及图19为本发明的第二种实施例，第二种实例中的超声波振动装置Ⅰ、纳米流体微量润滑磨削装置Ⅱ以及磨削力、磨削温度测量装置Ⅲ均与第一种实施例相同，不同之处在于通过调整轴向可调支架Ⅰ-3使轴向超声波振子与切向超声波振子的振动方向成锐角，以此进一步改变砂轮Ⅱ-3磨粒与工件Ⅰ-12的相对运动轨迹，可以使仿研磨和仿研磨的运动轨迹更加致密，从而达到理想的磨削效果。
图8、图9至图17及图19为本发明的第三种实施例，且第三种实例中的超声波振动装置Ⅰ、纳米流体微量润滑磨削装置Ⅱ以及磨削力、磨削温度测量装置Ⅲ均与第一种实施例相同，不同之处在于通过调整轴向可调支架Ⅰ-3使轴向超声波振子与切向超声波振子的振动方向成钝角，以此进一步改变砂轮Ⅱ-3磨粒与工件Ⅰ-12的相对运动轨迹，可以使仿研磨和仿研磨的运动轨迹更加致密，从而达到理想的磨削效果。
图3、图4、图18(c)为本发明的第四种实施例，且第四种实例中的超声波振动装置Ⅰ、纳米流体微量润滑磨削装置Ⅱ以及磨削力、磨削温度测量装置Ⅲ均与第一种实施例相同，不同之处在于通过调节超声波发生器控制径向和切向两个方向的超声电信号的相位差，实现径向和切向超声振动组合；当相位差为π/2时，径向压电陶瓷片产生的超声振动与切向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹。
图5、图6、图18(d)为本发明的第五种实施例，且第五种实例中的超声波振动装置Ⅰ、纳米流体微量润滑磨削装置Ⅱ以及磨削力、磨削温度测量装置Ⅲ均与第一种实施例相同，不同之处在于通过调节超声波发生器控制径向和轴向两个方向的超声电信号的相位差，实现径向和轴向超声振动组合。
当相位差为π/2时，径向压电陶瓷片产生的超声振动与轴向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹。
本方案具体工作过程如下：
以第一种实施例为例，超声波发生器Ⅲ-8产生与轴向换能器Ⅰ-2和切向换能器Ⅰ-20功率相匹配的超声频电信号，经过负极导线Ⅲ-9和正极导线Ⅲ-10传递给轴向换能器Ⅰ-2或切向换能器Ⅰ-20，轴向换能器Ⅰ-2与切向换能器Ⅰ-20将超声频电信号转变为超声频的机械振动后传递给轴向变幅杆Ⅰ-6与切向变幅杆，经由变幅杆将超声频机械振动的振幅放大一定倍数后传递给垫块Ⅰ-7、可振动底座Ⅰ-8和测力仪Ⅰ-9，从而带动工件Ⅰ-12与砂轮磨粒产生相对运动轨迹。通过控制如图19所示的超声波发生器Ⅲ-8中的相位调整环节，使轴向超声波振子与切向超声波振子产生不同相位差的超声波振动信号。在第二种和第三种实施例中通过调整轴向可调支架Ⅰ-3的角度，进一步改变砂轮磨粒与工件的相对运动轨迹的形状，使得仿研磨运动轨迹的纹路更加致密，从而得到理想的工件表面质量和磨削效果。
砂轮Ⅱ-3磨削工件Ⅰ-12产生的磨削力经工件夹具Ⅰ-16传递给测力仪Ⅰ-9，切向磨削力、法向磨削力和轴向磨削力通过三种相同的路径传递到测力仪Ⅰ-9上，测量信号经放大器Ⅲ-3放大后传给磨削力信息采集仪Ⅲ-2，最后传到磨削力控制系统Ⅲ-1，并显示磨削力的大小。
砂轮Ⅱ-3磨削工件Ⅰ-12产生的磨削温度经热电偶Ⅲ-5.传给磨削温度信息采集仪Ⅲ-5，然后传到低通滤波器Ⅲ-7，将一些干扰信号过滤，最后传到磨削温度控制系统Ⅲ-6，并显示热电偶Ⅲ-4工作端温度即工件Ⅰ-12的温度。
待超声波振动装置完成实验加工任务之后，磁力工作台Ⅱ-7消磁，测力仪Ⅰ-9及整个装备即可卸下。
超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统磨削表面创成机理：
二维磨削过程中单颗磨粒由于在工件上引入二维超声振动激励，使其在磨削区作螺旋式或是直线交错式切削，在一个振动周期内，磨粒周期性改变切削方向使得磨粒周围多个磨刃参与切削，形成一种“多刃切削”过程，有利于磨粒切削刃锋利的保持及工件表面的磨削温度的冷却，已不同于普通磨削过程中磨粒微小弧式的切削方式，其切削路径比普通磨削长，即单颗磨粒切削作用区增大，并且使得单颗磨粒各个面上的切削刃周期性地与工件材料接触并进行切削，在微观加工区内形成了时而切削，时而分离的断续加工状态，是宏观上连续，微观上呈断续状态的切削过程。二维磨削过程中，砂轮上众多磨粒所形成的螺旋式切削轨迹相互干涉，在磨削表面形成相互交织的切削轨迹，从而形成了二维超声辅助磨削独特的微分化切削效果。二维超声辅助磨削表面的创成过程已不局限于没有后续切削刃的磨粒切削痕迹，而是众多磨粒螺旋式或者直线交错式切削轨迹，一定程度上的干涉轨迹，可使单颗磨粒切削沟槽变宽，轴向超声振幅越大，磨粒切削沟槽越宽，单位时间内去除的材料体积增加，提高了材料去除率，同时增加了众多磨粒的干涉，磨粒间的未切除痕迹在宽度及高度上都有明显的减小，降低了磨削表面粗糙度，大大提高了磨削表面的质量。
在二维超声波辅助振动磨削过程中，以XOY面的运动轨迹为例，在工件上施加平行于砂轮线速度方向(X方向)和垂直于砂轮线速度方向(Y方向)的二维超声波振动，磨粒相对工件运动轨迹方程为：
x＝A cos(2πft)+vt (10)
y＝B cos(2πft+φ) (11)
式中，A为切向超声波振动的振幅，B为轴向超声波振动的振幅，f为超声波振动频率，v磁力工作台进给速度，为切向超声波振动与轴向超声波振动的相位差。
当磁力工作台静止时，磁力工作台进给速度v＝0，公式(10)和公式(11)这两个方程是用参数t来表示的砂轮磨粒与工件相对运动轨迹的参数方程，把参数t消去后，就得到轨迹的直角坐标方程，公式为：
这是椭圆方程，即为砂轮磨粒与工件相对运动轨迹的直角坐标方程。椭圆的形状由切向超声波振动与轴向超声波振动的相位差决定，下面讨论几种特殊的情形：
当φ＝0时，即切向超声波振动与轴向超声波振动的相位差相等，此时由公式(12)得到：
因此，砂轮磨粒与工件的相对运动轨迹是一条过原点的直线，斜率为两个振幅之比在时刻t，砂轮磨粒离开平衡位置的位移：
所以切向超声波振动与轴向超声波振动的谐振动的频率与原来的频率相等，振幅等于沿直线振动。
时，切向超声波振动与轴向超声波振动的相位相反，即砂轮磨粒在另一条直线上作同频率、同振幅的谐振动。将和时的砂轮磨粒与工件相对运动轨迹合成即为图18(e)所示的仿研磨的运动轨迹。
当时，此时由公式(12)得到：
即砂轮磨粒与工件的相对运动轨迹是以坐标轴为主轴的椭圆，砂轮磨粒沿椭圆轨迹的运动方向，如图18(a)所示。在砂轮磨粒做椭圆运动的同时，并以进给速度v沿切向做匀速直线运动得到的相对运动轨迹如图18(b)所示仿研磨的运动轨迹。同理YOZ面和XOZ面的运动轨迹分别如图18(c)、图18(d)。
在控制超声波发生器的相位调整部分使砂轮磨粒与工件产生不同的相对运动轨迹的基础上，通过调整轴向可调支架的角度，进一步改变螺旋式和直线交错式运动轨迹的倾斜角度，与纳米流体微量润滑磨削工况配合，使砂轮磨粒在工件表面形成更加致密的织构纹路，从而得到更高的工件表面质量和磨削效果。
本发明超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统的工作方法具体为：首先，通过调节超声波发生器控制切向和轴向两个方向的超声电信号的相位差：当相位差为π/2时，切向超声波振动与轴向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹；
当相位差为0和π时，切向超声波振动与轴向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成两组直线相互交叉的相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹；
调节超声波发生器控制径向和轴向两个方向的超声电信号的相位差：
当相位差为π/2时，径向压电陶瓷片产生的超声振动与轴向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹；
调节超声波发生器控制径向和切向两个方向的超声电信号的相位差：
当相位差为π/2时，径向压电陶瓷片产生的超声振动与切向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹；
其次，改变切向超声波振动装置与轴向超声波振动装置之间的角度，从而改变椭圆形运动轨迹的形状以及仿研磨运动轨迹中两组相互交叉直线的倾斜角度，使工件磨削表面形成更加致密的织构纹路；
最后，超声波振动与纳米流体微量润滑耦合，纳米流体作为磨料经由微量润滑系统输送到磨削区与二维超声波振动形成的研磨和珩磨的运动轨迹相配合，进一步提高磨削质量。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统，其特征在于，包括：磁力工作台，工件夹具，测力仪和超声波振动装置；
所述超声波振动装置包括：切向超声波振动装置、轴向超声波振动装置、可振动底座和固定在可振动底座上的径向压电陶瓷片；所述切向超声波振动装置和轴向超声波振动装置分别与可振动底座连接；
所述切向超声波振动装置和轴向超声波振动装置分别通过支架固定在磁力工作台上，所述测力仪固定在可震动底座上，所述工件夹具固定于测力仪上；
所述径向压电陶瓷片与超声波发生器连接，提供径向振动；所述径向压电陶瓷片与切向超声波振动装置和轴向超声波振动装置配合，实现径向、切向和轴向的不同振动方向的合成；通过调节切向超声波振动装置和轴向超声波振动装置之间的角度，使磨粒与工件产生不同的相对运动轨迹，实现不同的磨削效果。
2.如权利要求1所述的一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统，其特征在于，所述切向超声波振动装置与轴向超声波振动装置安装在同一水平面上，切向超声波振动装置平行于砂轮的磨削方向,轴向超声波振动装置垂直于砂轮的磨削方向；所述轴向超声波振动装置相对于切向超声波振动装置可旋转设置，夹角的调整范围为45°～165°。
3.如权利要求1所述的一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统，其特征在于，所述切向超声波振动装置通过纵向剖面呈L型形状的切向支架固定于所述的磁力工作台上，切向支架顶部支撑切向变幅杆，切向变幅杆一端与切向换能器连接，切向换能器一端与超声波发生器连接，另一端通过垫块和螺柱与可振动底座连接。
4.如权利要求1所述的一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统，其特征在于，所述轴向超声波振动装置通过纵向剖面呈L型形状的轴向可调支架固定于所述的磁力工作台上，所述轴向超声波振动装置包括轴向变幅杆，轴向变幅杆一端与轴向换能器连接，另一端连接可振动底座，轴向换能器与超声波发生器连接。
5.如权利要求1所述的一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统，其特征在于，所述可振动底座与固定在磁力工作台上的底座连接，所述可振动底座与底座之间设有推力球轴承；
所述可振动底座上开有安装径向压电陶瓷片的圆柱形槽，所述圆柱形槽的半径小于推力球轴承的内径，大于径向压电陶瓷片的半径。
6.如权利要求1所述的一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统，其特征在于，在所述可振动底座的圆柱面上设定位置处开有螺纹孔，用以调节轴向超声波振动装置和切向超声波振动装置之间的角度。
7.如权利要求1所述的一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统，其特征在于，所述测力仪通过切向定位螺钉沿砂轮磨削的切向定位，限制沿Y轴方向的移动；
所述测力仪通过轴向定位螺钉沿砂轮磨削的轴向定位，限制沿X轴方向的移动和绕Z轴的转动；
所述测力仪固定在可振动底座上，限制了沿Z轴的移动，绕X轴的转动和绕Y轴的转动。
8.如权利要求1所述的一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统，其特征在于，还包括：纳米流体微量润滑磨削装置；所述纳米流体微量润滑磨削装置包括：用于磨削工件的砂轮和保护和固定砂轮的砂轮罩，所述砂轮罩两侧分别固定纳米流体输送管和压缩空气输送管，纳米流体输送管和压缩空气输送管在喷嘴处汇合，纳米流体与压缩空气在喷嘴内腔充分混合后形成气雾喷到砂轮与工件界面起到润滑冷却的作用。
9.如权利要求1所述的一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统，其特征在于，还包括：磨削力、磨削温度在线测量系统；所述磨削力、磨削温度在线测量系统包括磨削力测量装置和磨削温度测量装置；
所述磨削力测量装置包括：依次连接的磨削力控制系统、磨削力信息采集仪和放大器；所述放大器与测力仪连接；
磨削温度测量装置包括：依次连接的热电偶、磨削温度信息采集仪、低通滤波器和磨削温度控制系统。
10.一种如权利要求1所述的超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统的工作方法，其特征在于，包括：
首先，通过调节超声波发生器控制切向和轴向两个方向的超声电信号的相位差：
当相位差为π/2时，切向超声波振动与轴向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹；
当相位差为0和π时，切向超声波振动与轴向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成两组直线相互交叉的相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹；
调节超声波发生器控制径向和轴向两个方向的超声电信号的相位差：
当相位差为π/2时，径向压电陶瓷片产生的超声振动与轴向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹；
调节超声波发生器控制径向和切向两个方向的超声电信号的相位差：
当相位差为π/2时，径向压电陶瓷片产生的超声振动与切向超声波振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台沿Y方向移动实现进给，形成仿研磨的运动轨迹；
其次，改变切向超声波振动装置与轴向超声波振动装置之间的角度，从而改变椭圆形运动轨迹的形状以及仿研磨运动轨迹中两组相互交叉直线的倾斜角度，使工件磨削表面形成更加致密的织构纹路；
最后，超声波振动与纳米流体微量润滑耦合，纳米流体作为磨料经由微量润滑系统输送到磨削区与二维超声波振动形成的研磨和珩磨的运动轨迹相配合，进一步提高磨削质量。
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