多角度二維超聲波振動輔助納米流體微量潤滑磨削裝置的制作方法

本發明涉及磨削加工領域，具體涉及多角度二維超聲波振動輔助納米流體微量潤滑磨削裝置。

背景技術：

隨著科技的發展對硬脆性材料、難加工材料以及新型先進材料的需求日益增多，對關鍵零件的加工效率、加工質量以及加工精度提出了更高的要求，傳統的磨削方法因不可避免的產生較大的磨削力以及磨削熱，引起工件表面/亞表面損傷以及砂輪壽命低等一系列問題。尤其在精密與超精密加工領域，這些加工缺陷的存在嚴重制約著零件加工精度及加工效率的提高。因此，在磨削過程中降低磨削力和磨削熱以及提高磨削質量和效率是十分必要的。

納米流體微量潤滑磨削加工繼承了微量潤滑磨削加工的所有優點，又解決了微量潤滑磨削的換熱問題，是一種綠色環保、高效低耗的磨削加工技術。基于固體換熱能力大于液體，液體換熱能力大于氣體的強化換熱理論，將一定量的納米級固體顆粒加入到可降解的微量潤滑油中生成納米流體，通過高壓空氣將納米流體進行霧化，并以射流的方式送入磨削區。高壓空氣主要起冷卻、除屑和輸送流體的作用；微量潤滑油主要起潤滑作用；納米粒子增加了磨削區流體的換熱能力，起到了冷卻作用，同時，納米粒子具有良好的抗磨減摩性能特性和高的承載能力，因而，進一步提高了磨削區的潤滑效果，使工件表面質量和燒傷現象得到顯著改善，提高了砂輪的使用壽命，改善了工作環境。

超聲波振動是通過超聲波發生器將220V或380V的交流電轉換成功率為300W和頻率為16kHz以上的超聲頻電振蕩信號，在將電信號加到換能器上，使其產生同頻率的機械振動，此振動通過調幅器將振幅放大，最終在工具端部產生足夠大的機械振動幅值。超聲波發生器主要由振蕩器、電壓放大器、功率放大器和輸出變壓器等部分組成。其中，振蕩器是超聲頻發生器的核心。根據超聲波加工的需要，超聲波發生器的輸出波形可以是正弦波或是非正弦波，但以正弦波最為多見。超聲換能器是在超聲頻率范圍內將交變的電信號轉換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉換為電信號的能量轉換器件，常用的換能器有磁滯換能器和壓電換能器。超聲調幅器是超聲系統的重要組成部件，它被用來將換能器傳來的由電能轉換成的機械能傳遞給被加工工件，是功率超聲振幅的機械放大級，用以提高超聲加工功效。在磨削加工中，工件材料塑性變形的過程，已加工表面的變形大小以及砂輪的磨損程度等，都與磨削過程中磨粒與工件接觸表面相互作用的條件有關，亦即與它們所處的時間和空間條件有關。當給工藝系統加上超聲波振動以后，磨粒與工件各接觸表面的相互作用條件都與普通磨削有很大區別。小振幅的高頻振動雖然對工件表面尺寸和形狀不會有什么影響，但卻使磨粒摩擦和磨損條件產生很大變化，使磨粒與工件接觸表面產生附加的往復運動，從而使磨粒與工件接觸表面產生周期性的分離，磨削液可以更好的進入到砂輪與工件界面的摩擦區，減小磨削力及磨削熱的產生，也可以減小磨屑流出的阻力，實現高效清潔磨削區磨屑的作用。而且超聲波振動促使磨粒產生斷續切削作用，而沖擊載荷促使工件材料更容易卷積，在切削區生成較多的微觀裂紋擴展促使磨削力以及摩擦系數減小。磨削過程中材料的塑性變形主要發生在滑擦和耕犁作用階段，由于超聲波振動磨削是一種脈沖式的斷續磨削，促使滑擦和耕犁比例相對減小，從而比磨削能減小，表面熱損傷也顯著降低。

現有技術中，超聲振動磨削工具實現方式包括與數控機床或鉆床的刀柄相配合的連接件，連接件用于將超聲振動磨削復合加工工具和數控機床或鉆床的刀柄連接，可以根據不同的刀柄制作不同的連接件，此結構可以隨時拆卸做到一機多用。連接件上安裝有主軸，主軸上安裝有換能器，換能器與變幅桿相連，刀具安裝在變幅桿上，換能器還通過碳刷與超聲波發生器相連。超聲波振動施加在主軸上，涉及到對機床的改造，實現起來比較困難，且對機床主軸施加超聲波振動精度難以保證，對主軸的損耗也較大，還需要進一步的改進優化。

一種低溫冷卻與納米粒子射流微量潤滑耦合磨削介質供給系統，該系統包括至少一個微量潤滑和低溫冷卻噴嘴組合單元，該單元設置在砂輪的砂輪罩側面，并與工作臺上的工件相配合；所述單元包括微量潤滑霧化微量噴嘴和低溫冷卻噴嘴，微量潤滑霧化微量噴嘴與納米流體管路和壓縮空氣管路連接，低溫冷卻噴嘴與低溫冷卻液管路連接；每個單元的納米流體管路、壓縮空氣管路和低溫冷卻液管路均通過控制閥與納米流體供給系統、低溫介質供給系統和壓縮空氣供給系統連接，納米流體供給系統、低溫介質供給系統和壓縮空氣供給系統與控制裝置連接。該發明將低溫冷卻與納米粒子射流微量潤滑結合，降低了磨削熱，達到了很好的冷卻效果，而在磨削力方面沒有實現雙重的優化效果。

一種超聲振動輔助磨削裝置，該裝置包括置于測力儀上面的圓盤形旋轉臺下底座和圓盤形旋轉臺上底座、變幅桿夾緊裝置下底座和變幅桿夾緊裝置上底座、連接變幅桿的超聲波發生器以及工件托臺，所述圓盤形旋轉臺下底座與圓盤形旋轉臺上底座之間同心定位可轉動連接，所述變幅桿夾緊裝置下底座和變幅桿夾緊裝置上底座中間對合夾緊固定變幅桿。通過旋轉臺上下底座的精確旋轉實現了任意方向的超聲振動；同時由于采用了對合的夾緊方式方便工件托臺平面調整水平；測力儀只與旋轉臺下底座連接，可以保證變幅桿任意角度旋轉時仍能夠測量砂輪三個方向的力。該發明中超聲波振子通過帶有圓盤的支架支撐，僅有一個支撐點，無法保證系統的穩定性，而且一維超聲波振動磨削有其局限性，需要滿足一定的加工參數條件，才能實現理想的加工效果。

綜上所述，現有技術砂輪磨粒與工件的相對運動軌跡是一致的，長時間運轉，容易對切削刃造成過度損傷，砂輪需要重新打磨，耽誤工件加工周期；且長時間運轉工件不易被冷卻，容易造成對工件的熱損傷，此外，現有技術無法實現對磨削力和磨削溫度的實時的在線檢測。

技術實現要素：

針對上述問題，為了解決現有技術的不足，本發明的目的是提供多角度二維超聲波振動輔助納米流體微量潤滑磨削裝置，該裝置將可變角度的二維超聲波振動技術應用于磨削加工中，通過調節兩個超聲波振子的角度產生不同的合振方向，以此來改變磨粒與工件的相對運動軌跡。通過測力裝置和測溫裝置實時檢測磨削力和磨削溫度，同時配合納米流體微量潤滑，在砂輪與工件界面形成研磨的作用機理，進一步提高工件的加工質量，避免工件的熱損傷。

本發明提供的方案是：

多角度二維超聲波振動輔助納米流體微量潤滑磨削裝置，包括用于夾持工件的工件夾具和用于對工件進行磨削的砂輪，工件夾具與二維超聲波振動裝置連接，以對砂輪切削刃鋒利程度的保持包括用于夾持工件的工件夾具和用于對工件進行磨削的砂輪，工件夾具與二維超聲波振動裝置連接，以對砂輪切削刃鋒利程度的保持；為了避免對工件的熱損上，所述砂輪一側設有用于向工件噴射納米流體的噴射機構，二維超聲波振動裝置與噴射機構噴射的納米流體對工件形成二維超聲波振動與納米流體微量潤滑磨削耦合；納米流體通過油氣兩相流噴嘴進行霧化噴射到磨削區，與超聲波振動耦合形成研磨的作用機理；提高磨削過程中的冷卻潤滑性能的同時，進一步提高了工件的表面質量，有效降低磨削熱。

所述二維超聲波振動裝置包括切向超聲波振動裝置和軸向超聲波振動裝置，切向超聲波振動裝置設于軸向超聲波振動裝置的上方或者下方，切向超聲波振動裝置平行于砂輪的磨削方向；

切向超聲波振動裝置相對于軸向超聲波振動裝置可旋轉設置，夾角的調整范圍為40°—180°，角度的可調，使磨粒與工件產生不同的相對運動軌跡，從而實現不同的磨削效果，使工件磨削表面形成更加致密的織構紋路，提高工件表面質量。

所述切向超聲波振動裝置設于固定板上，固定板設于工作臺上，軸向超聲波振動裝置設于切向超聲波振動裝置的上方，固定板與測力儀連接，測力儀被設置為與磨削力控制系統連接。

在工件夾具上或者工件上設置溫度采集元件，溫度采集元件與溫度控制系統連接；其中，在工件上打通孔，將溫度采集元件如熱電偶絲埋入孔中，并且從工件底部引出與溫度控制系統連接。

所述切向超聲波振動裝置通過縱向剖面呈L型形狀的切向支架固定于所述的固定板上，切向支架頂部支撐切向變幅桿，切向變幅桿一端與切向換能器連接，切向換能器與超聲波發生器連接，另一端通過萬向節與滑軌支撐座固定，滑軌支撐座支撐所述的工件夾具；萬向節為球形萬向節，球形萬向節包含萬向節球芯、萬向節球殼和萬向節螺帽三部分，且這三部分接觸區均應涂抹凡士林油，以減小超聲振動傳遞過程中的能量損失。

所述軸向超聲波振動裝置包括軸向變幅桿，軸向變幅桿一端與軸向換能器連接，另一端連接軸向支座，軸向支座通過T形滑塊設于在所述的滑軌支撐座下表面或者滑軌支撐座下表面的內凹處；軸向換能器與超聲波發生器連接；

在所述固定板上設置用于限制軸向超聲波振動裝置運動軌跡的弧形滑槽，所述軸向可調支架設置滑桿，滑槽沿著弧形滑軌移動；

進一步地，滑槽為T型滑槽，滑桿可被定位螺栓替換。

所述T形滑塊的至少一側面設置滑塊滾珠，以避免滑軌支撐座與軸向支座的振動損傷；

或者，所述T型滑塊底部設置千斤頂，千斤頂與T形滑塊接觸表面設置千斤頂滾珠，以降低T形滑塊底面與千斤頂摩擦所消耗的能量，千斤頂為油壓千斤頂，其包括升降套筒，升降套筒設于殼體內，殼體底部設有液壓油進出口，通過外設壓油裝置將液壓油壓入油腔內。

超聲波發生器主要由電壓放大器、功率放大器、振蕩器和輸出變壓器等部分組成，振蕩器是其核心。超聲波發生器具備信號反饋功能，能夠提供頻率跟蹤信號和輸出功率反饋信號。在電壓不穩定的情況下，超聲波發生器的輸出功率會發生變化，導致換能器產生的機械振動不穩定。通過功率反饋信號調整功率放大器，可以輸出功率穩定的信號。通過頻率跟蹤信號調整振蕩器，使輸出信號的頻率能夠跟蹤換能器的諧振頻率點。且超聲波發生器具備相位檢測以及相位調整功能，使兩個不同方向的超聲波振子分別產生具有相位差的超聲波振動信號；

切向換能器與軸向換能器均為壓電式換能器，利用壓電式換能器的壓電逆效應在電場力作用下壓電陶瓷晶體內正負離子發生相對位移，導致晶體產生內應力，引起晶體發生機械形變，從而產生與超聲電信號同頻率的機械振動。

切向變幅桿與軸向變幅桿均用于增大換能器產生的機械振動的振幅變幅桿與換能器接觸的端面設有螺紋孔，且在兩者接觸的端面之間涂抹凡士林油，以減小換能器與變幅桿之間的能量傳遞損失，其中變幅桿由大端面變為小端面處設有軸肩，使之與支架卡槽形成過盈配合，用于將切向超聲波振子和軸向超聲波振子分別固定在切向支架和軸向可調支架上，兩變幅桿由大端面變為小端面處設有軸肩，使之與支架卡槽形成過盈配合，用于將切向超聲波振子和軸向超聲波振子分別固定在切向支架和軸向可調支架上。

進一步地，切向支架頂部設有軸肩卡槽，所述切向變幅桿圓周設有與軸肩卡槽配合的軸肩，使之與軸肩卡槽形成過盈配合，切向支架蓋覆蓋軸肩與切向支架固定；

其中，滑軌支撐座表面設有用于固定工件的工件凹槽，工件凹槽內設置可軸向位移的工件定位擋塊，工件凹槽內設置可切向位移的夾具螺栓或螺釘。

在所述切向支架上切向支架與固定板固定的另一側設有凸起，軸向可調支架通過凸起可旋轉固定于切向支架，所述軸向超聲波振動裝置通過軸向可調支架進行支撐；

進一步地，在切向支架凸起的四周設置刻度盤，以指示軸向可調支架相對于切向支架的旋轉角度；

進一步地，軸向可調支架的縱向剖面呈L型形狀；

進一步地，軸向可調支架的高度低于切向支架的高度。

所述噴射機構包括噴嘴，所述砂輪部分固定于砂輪罩內，砂輪底部的一側或兩側分別固定噴嘴，噴嘴與納米流體輸送管、壓縮空氣輸送管分別單獨連接；

進一步地，納米流體輸送管、壓縮空氣輸送管通過磁力吸盤固定于所述砂輪罩的側面。

本發明的有益效果是：

本發明提供的一種多角度二維超聲波振動輔助納米流體微量潤滑磨削裝置及其磨削力和磨削溫度的測量裝置，可以直接安裝到精密磨床的磁力工作臺上，無需對精密磨床的加工主軸進行改造，保證了機床的加工精度及超聲振動能量的有效傳遞。通過對切向支架和軸向可調支架之間角度的精確調整，可以實現多角度的二維超聲波振動。

通過對二維超聲波振動角度的改變，砂輪磨粒與工件的相對運動軌跡也發生了變化，從而使得磨削力、磨削溫度以及工件表面質量發生變化，具體為：首先通過調節超聲波發生器控制兩個方向的超聲電信號的相位差，當相位差為π/2時，切向超聲波振動與軸向超聲波振動耦合，使砂輪磨粒與工件形成橢圓形相對運動軌跡，加以工作臺的進給方向，形成仿研磨的運動軌跡，當相位差為0和π時，切向超聲波振動與軸向超聲波振動耦合，使砂輪磨粒與工件形成兩組直線相互交叉的相對運動軌跡，加以工作臺的進給方向，形成仿珩磨的運動軌跡；其次，調節切向支架和軸向可調支架，改變兩個方向的超聲波振動所夾的角度，從而進一步改變橢圓形運動軌跡的形狀以及兩組相互交叉直線的傾斜角度，使工件磨削表面形成更加致密的織構紋路，提高工件表面質量；最后，多角度二維超聲波振動與納米流體微量潤滑耦合，納米流體起到冷卻潤滑作用的同時，可作為磨料經由微量潤滑系統輸送到磨削區與二維超聲波振動形成的研磨和珩磨的運動軌跡相配合，進一步提高磨削質量。

本發明的切向支架與軸向可調支架通過固定板連接到測力儀上，且在調整軸向可調支架的角度時不會影響側力儀的位置，仍可方便準確的測量法向磨削力、切向磨削力和軸向磨削力；磨削溫度測量裝置采用人工熱電偶測溫方法，對磨削狀態進行實時監控。本裝置實現了磨削力和磨削溫度的同時在線檢測，即節省了時間，又避免了因多次裝配而引起的加工誤差。磨削力和磨削溫度是評價磨削效果的關鍵因素，通過對磨削力和磨削溫度的精確測量以及對實驗數據的分析，為磨削加工提供指導。

附圖說明

圖1為多角度二維超聲波振動輔助納米流體微量潤滑磨削裝置軸測圖；

圖2為第一種、第二種、第三種實施例的第一部分多角度二維超聲波振動裝置軸測圖；

圖3為第一種、第二種、第三種實施例的俯視圖；

圖4為圖3中A-A的旋轉剖視圖；

圖5為第四種實施例的俯視圖；

圖6為第五種實施例的俯視圖；

圖7為第二部分納米流體微量潤滑磨削裝置軸測圖；

圖8為第三部分磨削力、磨削溫度在線測量裝置軸測圖；

圖9為五種實施例的固定板與測力儀裝夾定位示意圖；

圖10為五種實施例的切向支架與固定板裝夾定位示意圖；

圖11為五種實施例的軸向可調支架與固定板裝夾定位示意圖；

圖12為五種實施例的軸向可調支架與切向支架的裝配示意圖；

圖13為五種實施例的切向超聲波振子與切向支架裝夾定位示意圖；

圖14為五種實施例的滑軌支撐座、滑塊以及軸向支座裝配結構圖；

圖15為圖14的仰視圖；

圖16為工件定位夾緊裝置結構示意圖；

圖17為五種實施例的油壓千斤頂的剖視圖；

圖18(a)為五種實施例的超聲波換能器剖視圖；

圖18(b)為五種實施例的超聲波換能器中逆壓電效應原理圖；

圖19為五種實施例的變幅桿結構示意圖；

圖20(a)為二維超聲波振動砂輪磨粒與工件相對運動軌跡；

圖20(b)為二維超聲波振動砂輪磨粒研磨工件相對運動軌跡；

圖20(c)為二維超聲波振動砂輪磨粒珩磨工件相對運動軌跡；

圖20(d)為一維切向超聲波振動砂輪磨粒與工件相對運動軌跡；

圖20(e)為一維軸向超聲波振動砂輪磨粒與工件相對運動軌跡；

圖21為五種實施例的超聲波發生器控制圖；

其中，Ⅰ-1-軸向負極銅片，Ⅰ-2-軸向換能器，Ⅰ-3-軸向變幅桿，Ⅰ-4-軸向可調支架蓋螺釘，Ⅰ-5-軸向可調支架蓋，Ⅰ-6-固定板，Ⅰ-7-軸向支座，Ⅰ-8-滑軌支撐座，Ⅰ-9-工件夾具，Ⅰ-10-夾具螺釘，Ⅰ-11-工件切向定位螺釘，Ⅰ-12-工件，Ⅰ-13-工件定位擋塊，Ⅰ-14-工件軸向定位螺釘，Ⅰ-15-定位螺釘，Ⅰ-16-油壓千斤頂殼體，Ⅰ-17-萬向節球芯，Ⅰ-18-萬向節螺母，Ⅰ-19-萬向節球殼，Ⅰ-20-千斤頂定位螺釘，Ⅰ-21-切向支架蓋，Ⅰ-22-切向支架蓋螺釘，Ⅰ-23-刻度盤，Ⅰ-24-切向變幅桿，Ⅰ-25-切向換能器，Ⅰ-26-切向正極銅片，Ⅰ-27-切向負極銅片，Ⅰ-28-切向支架，Ⅰ-29-切向支架定位螺釘，Ⅰ-30-固定板定位螺釘，Ⅰ-31-軸向可調支架定位螺帽，Ⅰ-32-軸向可調支架定位螺栓，Ⅰ-33-軸向可調支架，Ⅰ-34-軸向正極銅片，Ⅰ-35-千斤頂滾珠，Ⅰ-36-T形滑塊，Ⅰ-37-滑塊滾珠，Ⅰ-38-T形滑槽，Ⅰ-39-軸肩卡槽，Ⅰ-40-變幅桿軸肩，Ⅰ-41-凸臺螺紋孔，Ⅰ-42-切向支架凸臺，Ⅰ-43-千斤頂滾珠定位螺釘，Ⅰ-44-升降套筒，Ⅰ-45-進出油口，Ⅰ-46-壓電陶瓷，Ⅰ-47-壓電陶瓷定位螺釘，Ⅱ-1-砂輪罩，Ⅱ-2-磁力吸盤，Ⅱ-3-砂輪，Ⅱ-4-納米流體輸送管，Ⅱ-5-壓縮空氣輸送管，Ⅱ-6-噴嘴，Ⅱ-7-磁力工作臺，Ⅲ-1-磨削力控制系統，Ⅲ-2-磨削力信息采集儀，Ⅲ-3-放大器，Ⅲ-4-測力儀，Ⅲ-5-熱電偶，Ⅲ-6-磨削溫度信息采集儀，Ⅲ-7-低通濾波器，Ⅲ-8-磨削溫度控制系統，Ⅲ-9-超聲波發生器，Ⅲ-10-負極導線，Ⅲ-11-正極導線。

具體實施方式

下面結合說明書附圖具體實施例對本發明作進一步的描述：

本發明的第一種實施例如圖1至4、圖7至19、圖20(a)至20(c)及圖21所示，是關于平行于磨削方向的切向和垂直于磨削方向的軸向耦合多角度二維超聲波振動輔助納米流體微量潤滑磨削裝置及其磨削力、磨削溫度測量裝置。

如圖1所示，多角度二維超聲波振動輔助納米流體微量潤滑磨削裝置及其磨削力、磨削溫度測量裝置由多角度二維超聲波振動裝置Ⅰ、納米流體微量潤滑磨削裝置Ⅱ以及磨削力、磨削溫度測量裝置Ⅲ三部分構成。

如圖2所示，切向支架Ⅰ-28和軸向可調支架Ⅰ-33分別通過切向支架定位螺釘Ⅰ-29和軸向可調支架定位螺栓Ⅰ-32及軸向可調支架定位螺帽Ⅰ-31定位夾緊在固定板Ⅰ-6上；切向支架凸臺Ⅰ-42作為軸向可調支架Ⅰ-33的旋轉中心，為了實現準確定位，軸向可調支架Ⅰ-33底部與切向支架凸臺Ⅰ-42配合部分設有刻度盤Ⅰ-23；切向支架凸臺Ⅰ-42上設有三個沿圓周成120°角排列的螺紋孔，通過三個千斤頂定位螺釘Ⅰ-20將油壓千斤頂殼體Ⅰ-16和切向支架Ⅰ-28進行定位連接；切向變幅桿Ⅰ-24和軸向變幅桿Ⅰ-3分別通過切向支架蓋Ⅰ-21和軸向可調支架蓋Ⅰ-5固定在切向支架Ⅰ-28和軸向可調支架Ⅰ-33上；切向變幅桿Ⅰ-24與滑軌支撐座Ⅰ-8通過球形萬向節連接，且萬向節球芯Ⅰ-17與滑軌支撐座Ⅰ-8通過螺紋連接，萬向節球殼Ⅰ-19與切向變幅桿Ⅰ-24通過螺紋連接，萬向節球殼Ⅰ-19外層設有螺紋與萬向節球芯Ⅰ-17通過萬向節螺母Ⅰ-18連接；工件夾具Ⅰ-9通過三個成L形排列的夾具螺釘固定在滑軌支撐座Ⅰ-8上。

如圖3和圖4所示，可以更為直觀的看出第一種實施例的安裝方式，裝夾在固定板Ⅰ-6上的切向超聲波振子與軸向超聲波振子的夾角成90°，為了提高整個超聲波系統的穩定性，在滑塊Ⅰ-36下方安裝油壓千斤頂，油壓千斤頂通過千斤頂滾珠Ⅰ-35與T形滑塊Ⅰ-36底面接觸，在起到支撐作用，提高穩定性的同時，可以有效降低T形滑塊底面與油壓千斤頂摩擦所消耗的能量；固定板Ⅰ-6上開有滑槽Ⅰ-38，用于約束軸向可調支架Ⅰ-33的運動軌跡，軸向可調支架定位螺栓Ⅰ-32安裝在滑槽中，在方便調節軸向可調支架Ⅰ-33的同時，用于將軸向可調支架Ⅰ-33固定在固定板Ⅰ-6上；T形滑塊Ⅰ-36通過上頂面和兩側各設有的滑塊滾珠Ⅰ-37與滑軌支撐座Ⅰ-8形成過盈配合，采用這種排布方式一方面是為最大限度的減小滑軌支撐座Ⅰ-8與T形滑塊Ⅰ-36之間的摩擦，另一方面可以保證滑軌支撐座Ⅰ-8的穩定性，采用過盈配合是為了避免引起局部沖擊，使T形滑塊Ⅰ-36與滑軌支撐座Ⅰ-8產生沖擊損傷。

如圖7所示，納米流體微量潤滑磨削裝置包含了砂輪罩Ⅱ-1、磁力吸盤Ⅱ-2、砂輪Ⅱ-3、納米流體輸送管Ⅱ-4、壓縮空氣輸送管Ⅱ-5、噴嘴Ⅱ-6、磁力工作臺Ⅱ-7，其中砂輪罩Ⅱ-1兩側各有一個磁力吸盤Ⅱ-2，用來固定納米流體輸送管Ⅱ-4和壓縮空氣輸送管Ⅱ-5；納米流體輸送管Ⅱ-4和壓縮空氣輸送管Ⅱ-5在噴嘴Ⅱ-6處匯合，使納米流體與壓縮空氣在噴嘴Ⅱ-6內腔充分混合后形成氣霧噴到砂輪Ⅱ-3與工件Ⅰ-12界面磨起到潤滑冷卻的作用。

如圖8所示，測力儀Ⅲ-4通過固定板Ⅰ-6與多自由度二維超聲波振動裝置連接，測力儀Ⅲ-4借助磁力吸附固定在磁力工作臺Ⅱ-7上；磨削力測量裝置包含磨削力控制系統Ⅲ-1、磨削力信息采集儀Ⅲ-2、放大器Ⅲ-3、測力儀Ⅲ-4，當工件Ⅰ-12受到磨削力時，測量信號經放大器Ⅲ-3放大后傳給磨削力信息采集儀Ⅲ-2，最后傳到磨削力控制系統Ⅲ-1，并顯示磨削力的大小；磨削溫度測量裝置包含熱電偶Ⅲ-5、磨削溫度信息采集儀Ⅲ-6、低通濾波器Ⅲ-7、磨削溫度控制系統Ⅲ-8，測量信號經熱電偶Ⅲ-5傳給磨削溫度信息采集儀Ⅲ-6，然后傳到低通濾波器Ⅲ-7，將一些干擾信號過濾，最后傳到磨削溫度控制系統Ⅲ-8，并顯示熱電偶Ⅲ-5工作端溫度即工件Ⅰ-12的溫度。超聲波發生器Ⅲ-9同時為切向換能器Ⅰ-25和軸向換能器Ⅰ-2提供超聲頻電信號，超聲頻電信號通過正極導線Ⅲ-11和負極導線Ⅲ-10傳遞給軸向正極銅片Ⅰ-34和軸向負極銅片Ⅰ-1。

如圖9所示，測力儀Ⅲ-4通過四個固定板定位螺釘Ⅰ-30與固定板Ⅰ-6連接，固定板Ⅰ-6的穩固與否將直接影響整個二維超聲波振動系統的穩定性，因此四個固定板定位螺釘Ⅰ-30跨度盡可能的大，而且為了不阻礙軸向可調支架Ⅰ-33的轉動以及切向支架Ⅰ-28的安裝，固定板定位螺釘Ⅰ-30的頂面應與固定板Ⅰ-6上底面平齊。

如圖10所示，切向支架Ⅰ-28通過四個切向支架定位螺釘Ⅰ-29固定在固定板Ⅰ-6上；滑槽Ⅰ-38并沒有延伸到切向支架Ⅰ-28底部，這是因為切向支架Ⅰ-28和軸向可調支架Ⅰ-33均具有一定的寬度，有一定的限位；且考慮到固定板Ⅰ-6的剛度和軸向可調支架Ⅰ-33的穩定性，滑槽Ⅰ-38并沒有設計成鏤空。

如圖11所示，軸向可調支架Ⅰ-33通過兩組軸向可調支架定位螺栓Ⅰ-32和軸向可調支架定位螺帽Ⅰ-31與固定板Ⅰ-6定位夾緊；兩組軸向可調支架定位螺栓Ⅰ-32嵌在滑槽Ⅰ-38中，沿滑槽Ⅰ-38約束的軌跡運動。

如圖12所示，軸向可調支架Ⅰ-33通過切向支架Ⅰ-28上的切向支架凸臺Ⅰ-42與之配合；切向支架凸臺Ⅰ-42上的刻線可以準確的指示軸向可調支架Ⅰ-33上刻度盤Ⅰ-23的角度，從而完成精確地角度調整，此時為第一種實施例時軸向可調支架Ⅰ-33與切向支架Ⅰ-28的位置關系，刻線的指示是90°；切向支架凸臺Ⅰ-42上的三個成120°角的凸臺螺紋孔Ⅰ-41，與油壓千斤頂外殼Ⅰ-16上的螺紋孔配合，通過Ⅰ-20-千斤頂定位螺釘固定。

如圖13所示，切向超聲波振子與切向支架Ⅰ-28的裝夾方式，通過切向支架蓋Ⅰ-21將切向超聲波振子固定在切向支架Ⅰ-28上，通過兩個切向支架蓋螺釘Ⅰ-22將切向支架蓋Ⅰ-21與切向支架Ⅰ-28固定；同時，切向變幅桿切向支架Ⅰ-24設有軸肩Ⅰ-40與切向支架Ⅰ-28上開的軸肩卡槽配合固定；軸向超聲波振子和軸向可調支架切向支架Ⅰ-33的裝夾方式與切向超聲波振子和切向支架Ⅰ-28的裝夾方式相同。

如圖14所示，支座共包含了三部分，分別為：滑軌支撐座Ⅰ-8、T形滑塊Ⅰ-36和軸向支座Ⅰ-7；為了方便軸向支座Ⅰ-7的旋轉通過三個成120°角的定位螺釘Ⅰ-15與他T形滑塊Ⅰ-36夾緊定位；T形滑塊Ⅰ-36通過滑塊滾珠Ⅰ-37與滑軌支撐座Ⅰ-8接觸配合；為了保證滑軌支撐座Ⅰ-8的穩定性，軸向支座Ⅰ-7與T形滑塊Ⅰ-36的裝夾至關重要，因此在裝夾這兩部分時，應確保定位螺釘Ⅰ-15擰緊。

如圖15所示，從支座的仰視圖可以清楚地看到滑軌支撐座Ⅰ-8、T形滑塊Ⅰ-36和軸向支座Ⅰ-7這三部分裝配的位置關系，其中，T形滑塊Ⅰ-36兩側均有一排滑塊滾珠Ⅰ-37與滑軌支撐座Ⅰ-8兩個內側面接觸，減少摩擦；且T形滑塊Ⅰ-36與滑軌支撐座Ⅰ-8之間有切向的位移運動，是由滑軌支撐座Ⅰ-8產生一定的振幅決定的，因此T形滑塊Ⅰ-36沿切向與滑軌支撐座Ⅰ-8之間有一定的間隙，為滑軌支撐座Ⅰ-8提供位移空間。

如圖16所示，滑軌支撐座Ⅰ-8上的工件夾具Ⅰ-9通過三個成L形排列的夾具螺釘Ⅰ-10定位夾緊；工件Ⅰ-12的軸向通過工件定位擋塊Ⅰ-13和兩個軸向定位螺釘Ⅰ-14實現定位夾緊；切向通過兩個切定位螺釘Ⅰ-11實現定位夾緊；使用工件定位擋塊Ⅰ-13是因為工件Ⅰ-12的大小不一，僅通過兩個軸向定位螺釘Ⅰ-14難以讓工件Ⅰ-12保持穩定，因此通過工件定位擋塊Ⅰ-13可以讓不同大小的工件Ⅰ-12實現穩定裝夾。

如圖17所示，油壓千斤頂包含了千斤頂滾珠Ⅰ-35、油壓千斤頂殼體Ⅰ-16、升將套筒Ⅰ-44；其中，千斤頂滾珠Ⅰ-35通過四個千斤頂滾珠定位螺釘Ⅰ-43固定在升將套筒Ⅰ-44頂端；升將套筒Ⅰ-44與油壓千斤頂殼體Ⅰ-16內腔接觸區設置密封圈，以防止液壓油泄露；在油壓千斤頂殼體Ⅰ-16底部設有進出油口Ⅰ-45，用外設泵油設備通過進出油口Ⅰ-45將液壓油泵入油壓千斤頂殼體Ⅰ-16內，由此實現升將套筒Ⅰ-44的上下移動。

如圖18(a)和18(b)所示，切向換能器Ⅰ-25中設置有四個Ⅰ-46，且通過壓電陶瓷定位螺釘Ⅰ-47使其與切向換能器Ⅰ-25連接固定；且四個壓電陶瓷片Ⅰ-46之間交叉設有切向正極銅片Ⅰ-26和切向負極銅片Ⅰ-27；切向換能器Ⅰ-25通過壓電陶瓷Ⅰ-46的壓電逆效應將超聲波發生器Ⅲ-9產生的超聲頻電信號轉變成機械振動，當在壓電陶瓷Ⅰ-46的晶體表面加一定數量電荷時，晶體會發生變形，這就是壓電逆效應，在電場力作用下晶體內正負離子發生相對位移，導致晶體產生內應力，引起晶體發生機械形變；軸向換能器Ⅰ-2內部的裝夾方式及工作原理與切向換能器Ⅰ-25相同。

如圖19所示，切向變幅桿Ⅰ-25之所以能放大超聲振動振幅，是由于通過它的任一截面的振動能量是不變的，因此截面小的地方，能量密度較大。而能量密度又正比于振幅A²，若截面小的地方，能量密度較大，則振幅也較大，即變幅桿截面小的地方振幅就得到了放大。軸向變幅桿Ⅰ-3的工作原理與切向變幅桿Ⅰ-25相同。

諧振長度L的計算公式為：

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}---\left(1\right)$

式中L為諧振長度，λ超聲波的波長，可通過以下公式計算：

$\mathrm{\λ}=\frac{c}{f}---\left(2\right)$

式中c為超聲波在介質中的傳播速度，f為超聲波振動頻率，考慮到經濟成本和實驗條件，選用45^#鋼作為變幅桿的材料，超聲波在45^#鋼中傳播速度c＝5170m/s，頻率f＝20KHz，通過計算所得超聲波的波長λ＝258.5mm，從而得到諧振長度L＝129.25mm。

計算位移節點公式：

$x_0=\frac{\mathrm{\λ}}{4}---\left(3\right)$

得到位移節點x₀＝64.625mm。

放大系數計算公式：

M_P＝N² (4)

$N=\frac{S_1}{S_2}---\left(5\right)$

式中Mp為放大系數，N為面積系數，S_1、2為變幅桿輸入輸出端面積(mm2)，圖19中D_1、2為變福桿輸入端和輸出端直徑(mm)。根據所需變幅桿的放大系數，來設定輸入端和輸出端的直徑。

如圖20(a)至20(c)所示，沿著平行于磨削方向和垂直于磨削方向的二維超聲波振動輔助納米流體微量潤滑磨削砂輪磨粒與工件相對運動軌跡共有兩種，分別為仿研磨運動軌跡和仿珩磨運動軌跡；這兩種相對運動軌跡是通過超聲波發生器中的相位調整環節產生，當相位差為π/2時，切向超聲波振動與軸向超聲波振動耦合，使砂輪磨粒與工件形成橢圓形相對運動軌跡，加以工作臺的進給方向，形成仿研磨的運動軌跡；當相位差為0和π時，切向超聲波振動與軸向超聲波振動耦合，使砂輪磨粒與工件形成兩組直線相互交叉的相對運動軌跡，加以工作臺的進給方向，形成仿珩磨的運動軌跡。

如圖21所示，220V的交流電源為超聲波發生器Ⅲ-9中的振蕩級、功率級以及相位檢測部分供電，振蕩級產生超聲頻信號后經放大級放大，通過功率級提高超聲信號的功率，然后通過阻抗匹配傳遞給換能器，采樣信號反饋將超聲波發生器Ⅲ-9的輸出功率與換能器功率比較，若不相等，則將信號反饋給振蕩級和功率級，來產生與換能器相等的功率；相位檢測與相位調整部分可以檢測控制兩個方向的超聲波振動的相位，以此來實現不同的相位差，從而產生不同的運動軌跡。

圖5、圖7至19及圖21為本發明的第二種實施例，多角度二維超聲波振動輔助納米流體微量潤滑磨削裝置，第二種是實例中的多角度二維超聲波振動裝置Ⅰ、納米流體微量潤滑磨削裝置Ⅱ以及磨削力、磨削溫度測量裝置Ⅲ均與第一種實施例相同，不同之處在于通過調整軸向可調支架Ⅰ-33使軸向超聲波振子與切向超聲波振子的振動方向成銳角，以此進一步改變砂輪Ⅱ-3磨粒與工件Ⅰ-12的相對運動軌跡，可以使仿研磨和仿珩磨的運動軌跡更加致密，從而達到理想的磨削效果。

圖6、圖7至19及圖21為本發明的第三種實施例，且第三種實例中的多角度二維超聲波振動裝置Ⅰ、納米流體微量潤滑磨削裝置Ⅱ以及磨削力、磨削溫度測量裝置Ⅲ均與第一種實施例相同，不同之處在于通過調整軸向可調支架Ⅰ-33使軸向超聲波振子與切向超聲波振子的振動方向成鈍角，以此進一步改變砂輪Ⅱ-3磨粒與工件Ⅰ-12的相對運動軌跡，可以使仿研磨和仿珩磨的運動軌跡更加致密，從而達到理想的磨削效果。

圖1至4、圖7至19、圖20(d)及圖21為本發明的第四種實施例，切向超聲波振動輔助納米流體微量潤滑磨削裝置及其磨削力、磨削溫度測量裝置，與第一種實施例的多角度二維超聲波振動裝置Ⅰ、納米流體微量潤滑磨削裝置Ⅱ以及磨削力、磨削溫度測量裝置Ⅲ相同，僅控制超聲波發生器即可實現，通過控制超聲波發生器Ⅲ-9僅輸出切向超聲波信號，由于滑軌支撐座Ⅰ-8通過T形滑塊Ⅰ-38與軸向支座Ⅰ-7相連，因此切向超聲波振子產生振幅時，滑軌支撐座Ⅰ-8可以自由沿切向振動而不被軸向支座Ⅰ-7干涉，從而產生圖20(d)所示的砂輪Ⅱ-3磨粒與工件Ⅰ-12的相對運動軌跡。

圖1至4、圖7至19、圖20(e)及圖21為本發明的第五種實施例，軸向超聲波振動輔助納米流體微量潤滑磨削裝置及其磨削力、磨削溫度測量裝置，與第一種實施例的多角度二維超聲波振動裝置Ⅰ、納米流體微量潤滑磨削裝置Ⅱ以及磨削力、磨削溫度測量裝置Ⅲ相同，僅控制超聲波發生器即可實現，通過控制超聲波發生器Ⅲ-9僅輸出軸向超聲波信號，軸向超聲波振子帶動軸向支座產生振幅傳遞給滑軌支撐座Ⅰ-8，由于滑軌支撐座Ⅰ-8通過球形萬向節與切向超聲波振子連接，因此滑軌支撐座Ⅰ-8的軸向振動不會被干涉，從而產生如圖20(e)所示的砂輪Ⅱ-3磨粒與工件Ⅰ-12的相對運動軌跡。

本方案具體工作過程如下：

以第一種實施例為例，超聲波發生器Ⅲ-9產生與軸向換能器Ⅰ-2和切向換能器Ⅰ-25功率相匹配的超聲頻電信號，經過負極導線Ⅲ-10和正極導線Ⅲ-11傳遞給軸向換能器Ⅰ-2或切向換能器Ⅰ-25，軸向換能器Ⅰ-2與切向換能器Ⅰ-25將超聲頻電信號轉變為超聲頻的機械振動后傳遞給軸向變幅桿Ⅰ-2與切向變幅桿Ⅰ-25，經由變幅桿將超聲頻機械振動的振幅放大一定倍數后傳遞給軸向支座Ⅰ-7和滑軌支撐座Ⅰ-8，從而帶動工件Ⅰ-12與砂輪磨粒產生相對運動軌跡，采用球形萬向節和滑軌、滑塊連接，因此滑軌支撐座Ⅰ-8在受到軸向和且向振動時不會產生系統內力，避免了超聲波振動系統內各連接件的振動沖擊損傷。通過控制如圖21所示的超聲波發生器Ⅲ-9中的相位調整環節，使軸向超聲波振子與切向超聲波振子產生不同相位差的超聲波振動信號，當相位差為π/2時，切向超聲波振動與軸向超聲波振動耦合，使砂輪磨粒與工件形成橢圓形相對運動軌跡，加以工作臺的進給方向，形成如圖20(b)所示的仿研磨的運動軌跡；當相位差為0和π時，切向超聲波振動與軸向超聲波振動耦合，使砂輪磨粒與工件形成兩組直線相互交叉的相對運動軌跡，加以工作臺的進給方向，形成如圖20(c)所示的仿珩磨的運動軌跡。在第二種和第三種實施例中又通過調整軸向可調支架Ⅰ-33的角度，進一步改變砂輪磨粒與工件的相對運動軌跡的形狀，使得仿研磨與仿珩磨運動軌跡的紋路更加致密，從而得到理想的工件表面質量和磨削效果。

砂輪Ⅱ-3磨削工件Ⅰ-12產生的磨削力經工件夾具Ⅰ-9傳遞給滑軌支撐座Ⅰ-8，切向磨削力、法向磨削力和軸向磨削力分別通過三種不同的路徑傳遞到固定板Ⅰ-6上。其中，切向磨削力經球形萬向節傳遞給切向變幅桿Ⅰ-24，切向變幅桿Ⅰ-24與切向支架Ⅰ-28為剛性連接，于是切向支架Ⅰ-28受到切向磨削力，然后傳遞到固定板Ⅰ-6上；法向磨削力經T形滑塊Ⅰ-36傳遞給千斤頂滾珠Ⅰ-35，進而傳遞到切向支架凸臺Ⅰ-42，最后傳遞給固定板Ⅰ-6；軸向磨削力經T形滑塊Ⅰ-36傳遞給軸向支座Ⅰ-7，進而傳遞給軸向變幅桿Ⅰ-3，軸向變幅桿Ⅰ-3與軸向可調支架Ⅰ-33為剛性連接，于是軸向可調支架Ⅰ-33受到軸向磨削力，最后傳遞到固定板Ⅰ-6上。三個方向的磨削力經固定板Ⅰ-6傳遞給測力儀Ⅲ-4，測量信號經放大器Ⅲ-3放大后傳給磨削力信息采集儀Ⅲ-2，最后傳到磨削力控制系統Ⅲ-1，并顯示磨削力的大小。

砂輪Ⅱ-3磨削工件Ⅰ-12產生的磨削溫度經熱電偶Ⅲ-5傳給磨削溫度信息采集儀Ⅲ-6，然后傳到低通濾波器Ⅲ-7，將一些干擾信號過濾，最后傳到磨削溫度控制系統Ⅲ-8，并顯示熱電偶Ⅲ-5工作端溫度即工件Ⅰ-12的溫度。

待超聲波振動裝置完成實驗加工任務之后，磁力工作臺Ⅱ-7消磁，測力儀Ⅲ-4及整個裝備即可卸下。

多角度二維超聲波振動輔助納米流體微量潤滑磨削表面創成機理：

二維磨削過程中單顆磨粒由于在工件上引入二維超聲振動激勵，使其在磨削區作螺旋式或是直線交錯式切削，在一個振動周期內，磨粒周期性改變切削方向使得磨粒周圍多個磨刃參與切削，形成一種“多刃切削”過程，有利于磨粒切削刃鋒利的保持及工件表面的磨削溫度的冷卻，已不同于普通磨削過程中磨粒微小弧式的切削方式，其切削路徑比普通磨削長，即單顆磨粒切削作用區增大，并且使得單顆磨粒各個面上的切削刃周期性地與工件材料接觸并進行切削，在微觀加工區內形成了時而切削，時而分離的斷續加工狀態，是宏觀上連續，微觀上呈斷續狀態的切削過程。二維磨削過程中，砂輪上眾多磨粒所形成的螺旋式切削軌跡相互干涉，在磨削表面形成相互交織的切削軌跡，從而形成了二維超聲輔助磨削獨特的微分化切削效果。二維超聲輔助磨削表面的創成過程已不局限于沒有后續切削刃的磨粒切削痕跡，而是眾多磨粒螺旋式或者直線交錯式切削軌跡，一定程度上的干涉軌跡，可使單顆磨粒切削溝槽變寬，軸向超聲振幅越大，磨粒切削溝槽越寬，單位時間內去除的材料體積增加，提高了材料去除率，同時增加了眾多磨粒的干涉，磨粒間的未切除痕跡在寬度及高度上都有明顯的減小，降低了磨削表面粗糙度，大大提高了磨削表面的質量。

在二維超聲波輔助振動磨削過程中，在工件上施加平行于砂輪線速度方向(x方向)和垂直于砂輪線速度方向(y方向)的二維超聲波振動，磨粒相對工件運動軌跡方程為：

x＝A cos(2πft)+vt (6)

式中，A為切向超聲波振動的振幅，B為軸向超聲波振動的振幅，f為超聲波振動頻率，v工作臺進給速度，為切向超聲波振動與軸向超聲波振動的相位差。

當工作臺靜止時，工作臺進給速度v＝0，公式(6)和公式(7)這兩個方程是用參數t來表示的砂輪磨粒與工件相對運動軌跡的參數方程，把參數t消去后，就得到軌跡的直角坐標方程，公式為：

這是橢圓方程，即為砂輪磨粒與工件相對運動軌跡的直角坐標方程。橢圓的形狀由切向超聲波振動與軸向超聲波振動的相位差決定，下面討論幾種特殊的情形：

當時，即切向超聲波振動與軸向超聲波振動的相位差相等，此時由公式(8)得到：

$\frac{x}{y}=\frac{A}{B}---\left(9\right)$

因此，砂輪磨粒與工件的相對運動軌跡是一條過原點的直線，斜率為兩個振幅之比在時刻t，砂輪磨粒離開平衡位置的位移：

所以切向超聲波振動與軸向超聲波振動的諧振動的頻率與原來的頻率相等，振幅等于沿直線振動。

時，切向超聲波振動與軸向超聲波振動的相位相反，即砂輪磨粒在另一條直線上作同頻率、同振幅的諧振動。將和時的砂輪磨粒與工件相對運動軌跡合成即為圖20(c)所示的仿珩磨的運動軌跡。

當時，此時由公式(8)得到：

$\frac{x^2}{A^2}+\frac{y^2}{B^2}=1---\left(11\right)$

即砂輪磨粒與工件的相對運動軌跡是以坐標軸為主軸的橢圓，砂輪磨粒沿橢圓軌跡的運動方向，如圖20(a)所示。在砂輪磨粒做橢圓運動的同時，并以進給速度v沿切向做勻速直線運動得到的相對運動軌跡如圖20(b)所示仿研磨的運動軌跡。

在控制超聲波發生器的相位調整部分使砂輪磨粒與工件產生不同的相對運動軌跡的基礎上，通過調整軸向可調支架的角度，進一步改變螺旋式和直線交錯式運動軌跡的傾斜角度，與納米流體微量潤滑磨削工況配合，使砂輪磨粒在工件表面形成更加致密的織構紋路，從而得到更高的工件表面質量和磨削效果。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不是本發明的全部實施例，不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。

除說明書所述技術特征外，其余技術特征均為本領域技術人員已知技術，為了突出本發明的創新特點，上述技術特征在此不再贅述。