文献翻译振动加工在航空业的现状工业界和学术界的观点文档格式.docx

1、振动加工是大量磨料包围下的一个过程。光整加工由研磨性的加工过程组成，磨料由金属或其它材料组成，可以同时加工一种或几种不同的表面，比如,去毛刺、边缘倒角、提高表面光洁度、改善表面粗糙度和消除应力等等。随着该加工方式被大量的应用，该过程被制造业广泛使用。光整加工固有的经济性，灵活性和适应性，使其成为用于改善大量工业零部件质量的唯一方式。不进行表面光整加工的结果可能相当严重: 由于负载能力的下降，耐腐蚀性和耐疲劳性减弱，零件将表现不佳。 本文对光整加工过程做了概述，如何进行光整加工已经发展了很多年，并重点介绍了机械和机械特性对表面光整的影响，特别是对振动加工过程做了更详细的概述。用于振动光饰过程的关

2、键变量在航空工业是非常重要的，在振动光饰过程中，先进技术对减小长周期特别有效，对该经验过程的理解已经做了大量的研究，所做的研究也将做简要的讨论。2光整加工及其历史背景光整加工是研磨工业过程的一个通称，称为磨料的松散的粒子连同混合物一起放置于一个容器中，工件被埋没于磨料里。滚磨、振动研磨、离心式滚磨，拖曳式滚磨等加工过程包括在光整加工的范围内。能量通过各种各样的周期性振动传递给研磨介质，使其与零件表面发生相互作用。到目前为止,振动加工是最广为人知的光整加工过程。光整加工过程于上世纪初期在行业中建立了自己的位置。滚磨加工据说是最早的光整加工方式。第一次光整加工过程是用古中国人和古埃及人把天然的石头

3、放在滚筒中来抛光他们的武器和首饰。光整加工在技术上被发展和创新，这导致了许多变体桶加工，振动光饰，离心式滚磨，推拽式滚磨。虽然关键性过程变量（kpvs）会随光整加工方式的变化而变化，但是他们仍可分成四大类 ，如图1所示。因为这四个即KPVs-media、复合、机器和工件高度相互依存,它们可以被可视化为四面体称为“四面体相互依存”。各种工艺参数的功能如下1. 磨料: 磨料是最主要的元素，它负责把零件加工到想要的表面质量，它可以是研磨性的，也可以是非研磨性的。图12. 复合物：复合物是水性润滑剂和冷却液的过程。它有很多用途，如排出磨损材料，清洗加工表面 和控制加工过程中的PH值。3. 设备类型：光

4、整加工设备自诞生之初就发展了。从滚槽式到拖曳式，有了技术与效率的不断演进。不同的机器在自身运动和磨料运动方面各有不同。4. 工件: 工件是加工过程中最重要的变量。工件决定上述所有参数。例如，要处理的工件的大小和材料决定了机器和磨料的类型。一个大的零件进行抛光，将要在一个大型机器上通过合适的磨料和复合物进行抛光。光整加工的固有程序磨料，复合物和及设备类型，光整加工见证了工业部署以来的多次改进。最重要的是在机器类型方面。技术的发展如图2所示。图2 光整加工的演变5, 63 航空工业的振动加工：Davidson 及时总结了为什么边缘和表面处理是至关重要的：“有时，为了充分了解边缘和表面质量问题的意义

5、，就需要了解在边缘和表面质量得不到足够的重视的情况下所造成的后果。”航空业产品与人们生活息息相关，因此当涉及到产品的相关过程时一定要对边缘表面条件足够地重视。航空航天工业对风机、涡轮叶片等零件的表面光洁度要求很好。如果风扇叶片有光滑的表面，存在于机翼的风险就会降低。机翼表面越平滑，引擎操作温度越低。这便实现比额定值更大的排气温度范围和发动机之间的“红线”最大废气温度（MEGT）范围,如图3所示。这个温度降低提高了飞机发动机大修的时间，他们可以在大修之前保持更长的服务时间8。提高涡轮叶片的表面质量的同时，提高了加速度和涡轮机中的压缩气团流，同时也会节省燃料. 降低表面粗糙度也有助于提高疲劳寿命。

6、因为飞机部件在运行过程中应受到不同的应力的变化，所以较低的表面粗糙度是至关重要的。图3 表面光洁度对飞机发动机排气温度的影响 发动机中的零件，例如风扇或涡轮叶片，由于尖角和毛边的作用会产生应力集中，去毛刺和倒圆角可以减少应力集中现象进而增加抗断裂和疲劳寿命。现在已观察到,大多数疲劳裂纹发生在表面部分,而不是内部。因此,表面处理对于增加使用寿命非常关键，尤其是在航空航天工业。装配期间,粗糙表面和锋利外边缘也可能损伤涂层或表面。结构上尖锐的外角充当电荷蓄电池,可能引发静态放电风险。在飞行操作,锐利的边缘可能有不平衡电荷,成为引发电压。这种潜在的差异可能由于静电或雷击造成的。 振动加工是一种应用广泛

7、的加工过程，能达到航空局和相关零件规定的表面光洁度的要求，以应对上述现象所造成的潜在的危害。该加工过程对许多零件（通常是航空航天零件）的复杂几何形状是非常有效的，可以在最小的工时下完成工艺规程。由于所有部分的加工过程是相同的，振动光饰可以形成残余压应力，以及为整个零件提供应力平衡。产生的压应力将抵消由裂纹引起的拉伸应力，并有助于遏制裂纹的产生。许多机械加工和磨削过程往往会在零件表面产生残余拉应力。当承受周期性压力时，这些残余拉应力容易使零件发生过早断裂和失效。振动光饰会产生残余压应力。然而，振动光饰需要与此过程相结合的长周期加工过程。由于缺乏科学的认知，所以对振动光饰加工能力的理解存在障碍。

8、在航空航天工业中，有一个长度为1200毫米，宽度为500毫米的典型的风扇叶片,用槽式振动光饰机来加工这些叶片。小型旋转的航空航天零件如涡轮叶片、整体叶盘、压气机盘是在碗式振动机光饰来加工。加工光整过程中，夹具是用来装夹这些工件，以防止划伤或对易损边缘的碰撞所带来的损伤。夹具的作用将在第4.2和6.4节中详细阐述。飞机机身的结构部件和翼梁需要在大型槽式振动器中进行去毛刺和倒角。去毛刺的零件与锐利的边缘相对有光滑的半径和更高的抗疲劳裂能力。在零件边上的油漆附着性也有改善，这对下一步的生产工艺有很好的改善。 4振动光饰中的关键性过程变量 振动光饰是一个复杂的过程，每一个操作参数在加工中都对表面光洁度

9、有着重要影响。振动加工机有碗式和槽式两种主要装置。这两种装置可以加工不同大小和体积的工件，从庞大的零件到像涡轮叶片、风扇叶片这样的小部件。这些关键性过程变量与机器的类型是相互对应的。每一个关键性过程变量是相互依存的，并且其中任何一个都是对于表面光洁度来说都是不可忽视的。在1节中提到的，光整加工中相互依存的四面体交织在一起来获得理想的产品。根据零件的类型、所需的输出、可能的应用，这些关键性过程变量都是可以改变的。虽然振动电机的频率是最重要的参数，因为磨料是光整加工过程中最重要的部分，磨料的振动频率是由振动电机的频率决定的，但是其他方面，如合适的润滑油复合配料，其它机器参数也至关重要。这些参数在图

10、4中列出。机械特性的关键方面在文章的图5中做了总结。电机和偏心块的重量统称为“偏心驱动系统”，是振动加工过程的核心。4.1和4.2部分将详细阐述平衡驱动系统和夹具。图4 振动加工中的关键性过程变量图5 振动加工机械特性4.1电机和偏心块的重量振动加工过程的核心是带偏心块的振动电机，因此称为“偏心驱动系统”。它连接在碗式或槽式容器上，容器是由固定在地上的弹簧支承。偏心块连接在电机主轴的两端，它旋转时产生振动，从而带动整个设备产生振动。频率通常是通过控制电机的转速来调节的。通过改变偏心块的重量来改变振幅。除了磨剂和磨料的类型之外，这些都被作为加工过程输入参数。典型的频率和幅度的范围分别是2060赫

11、兹和210毫米。电机高速运动，以减少周期。 设计的电机的速度高达40赫兹在达到所需的表面粗糙度，比工作在20至25赫兹之间的机器时间上减少了约40%。在这两个参考文献，有一个共识，在高速振动光饰机里，磨料旋转的更快速且均匀，但是磨料的振幅减小。在参考文献中，介质振幅大，接触时间长，短周期内表面不均匀。这引起对下表面的冲击，以及在短周期内工件获得更均匀的表面质量。罗林森认为更快的周期，可以磨料运动快速且一致和高振幅振动的精确控制。进一步的研究可以进行确定，振幅的大小决定在高频振动下进行光整加工的效果。在高频振动下理解高/低振幅的作用时，偏心块的变化对改变振幅有关键作用。对于碗式振动光饰机，装置中

12、的工作负载做螺旋式运动。其运动形式有两类，翻滚运动介质在外壁处起落并向中心运动。进给运动工作负载沿研磨路径顺时针或逆时针运动，如图6所示。翻滚运动由下偏心块的质量确定，进给运动由上偏心块的质量确定。一般情况下，下偏心块也导致顶部重量沿驱动轴的方向旋转，介质与驱动轴的旋转方向相反，两偏心块之间的夹角控制翻滚运动和进给运动。Nebiolo详细阐述了这种观点，如图7所示。对于槽式振动光饰机，产生振动的方法与碗式振动光饰机相同。运动形式简单在槽中的交叉区域旋转，如图8所示。图6 振动碗中的滚动和进给运动 13 图7 振动碗中的偏心权重图8 振动槽横截面中的介质运动4.2固定装置的发展趋势由于对固定装置

13、研究有限，在文献中对于工件的固定装置提供了另一种研究方法。对于像涡轮叶片这种贵重零件，固定工件并防止相互撞击非常重要。工件固定式加工方法的其他优点有：加工时间短、表面研磨精密、防止工件锋利的外缘划伤碗式容器壁。工件固定（通过适当的方法将工件夹持放入介质容器中）在振动光饰加工中是一个较新的概念。这种工件固定式的振动也被称为加强振动。这些固定装置可以静止（固定在振动设备上）也可以浮动。这两种形式都能加快光整过程，在短时间内达到想要的Ra。这是因为在加工过程中，介质撞击工件的力流、工件与介质之间的相对速度能够增大。在某种程度上，拖拽式光整加工、主轴式光整加工、流动式光整加工都是固定式光整加工的先进形

14、式。在这些加工工艺中，都通过适当的方法固定工件，与传统振动光饰加工相比加工时间缩短接近33%。5专利分析为了确定是这些创新是属于振动光饰中的那种关键性过程变量，与振动光饰加工相关的全部专利搜索也在这项工作中开展。观察到普遍的趋势是大部分的专利在振动光饰加工过程中就生产周期和产品表面质量做了改善。在第4.1节中对减小高速振动电机的周期进行讨论，哈蒙德机械就带有可调偏心块以及把电机旋转轴的转速增加到2000rpm或者更高的高速光整系统获得了专利。创新的装夹方法也在专利数量上获得了公平的份额。Van Kleef and Sothorn在他们的专利中提到了主轴的装夹方法和混合磨料可通过板的上升或下降垂

15、直通过研磨介质。Walther Trowal在2012年对铁磁性工件的装夹方式获得了专利。REM提出了磁性夹具方面的专利，MERMARK INC.获得了振动夹具方面的专利。德国劳斯莱斯公司的专利涉及强化磨料以及这些强化磨料的形状。REM还获得了通过化学方法加速光整加工过程的专利。除此之外，关于通过分频器使磨料与工件得到快速分离的方法也获得了专利。根据所进行的专利搜索，作者提出了专利地图，如图9所示。专利地图清楚表明了大多数的专利属于通过偏心驱动系统和特殊方式装夹工件以减少加工时间。相关专利的其它参数，如磨料，磨剂、磨料与工件的分离装置也在检索的专利中，振动光饰是一个涉及到多个参数，每个参数都不

16、能忽略并且最终达到理想表面质量的加工过程。图9 专利图6振动整理研究工作迄今为止，振动加工的研究主要是基于确定最佳参数的试验和误差分析，以实现理想的表面质量。尽管已经进行了各种研究，振动光饰的机制仍不清楚。主要研究领域如图10所示。本节简要讨论了这些研究的主要结论。为了更好地分别的理解优化加工过程和实验，例如在航空工业和科学研究的过程中，这些可以通过人工来操控振动加工机械。6.1 实验研究这可能与在4.1节讨论的关于电动机和偏心块有关。通过增加电机转速、偏心块质量或改变结构，可以振动在光饰机里观察到振动特性的变化。通过提高振动机器控制面板上的电机速度来提高机器的振动频率。振幅可通过改变偏心块质

17、量和偏心块之间的角度来调节。大多数传统的振动机械都带有振幅的标签，他们的振幅是确定的。在2mm到8mm的工作窗口中，振幅分辨率是0.5mm。因此需要设计一个更全面的位移传感器或振幅测力计，以提高测量的可靠性。介质振幅对振动抛光效果影响的研究是有限的。振幅的精确监测是必要的，用来研究不同振幅下光整加工的效果。王等设计了一个特殊的传感器，用来测量碗式振动光饰机中磨料和攻击的接触力。应力信号的傅里叶变换显示，大多数能量发生在相同的运行频率下，力传递也发生在设备的运行频率中。传感器被正向和背向放置在工件上，当工件绕碗式机螺旋运动时，获得相似的结果。得出的结论是对所有的工件表面而言，冲击磨损条件相对恒定

18、。通过试验得出了，固定工件受力比自由工件受力大。这与4.2节中讨论的夹具概念串联。由于周期时间大大减少，所以夹具在振动光饰中变得越来越重要。不加磨液的情况下，随着介质尺寸的增大，力也增大，加磨液时则不明显。王等也提出了随着润滑液的增加（从干状态到只加水再到加清洗剂），工件的绝对速度和介质相对与工件的相对速度都增加，因此，润滑剂对介质的相对速度的影响大于对工件的速度的影响。表面硬度和粗糙度主要受润滑液、介质尺寸和介质表面粗糙度的影响。这是因为塑性变形受介质和工件之间相互作用力的影响25。为了使工件达到所需的表面质量时，决定因素是不可忽略的，如添加的润滑剂（类型和数量），从而加强相互依存的四面体。

19、Yabuki 等人设计了一种新的力传感器来测量碗式振动机中磨料的法向和切向接触力。他们记录磨料的接触方式。三次接触方式（自由受力，单个介质的滚动，相邻介质绕静止介质的滚动）的原理如图11所示。扫描电子显微镜和力传感器的测量表明，一次自由的冲击（图11A）产生一个相对较小的坑和应力信号；单体磨料的滚动（图11B）产生划痕和力学信号，通过完全卸载产生多个明显的峰值以及临近磨料在固定磨料上滚动（图11c）所产生的最大单坑和在一个较大的平均接触力和非完全卸载下产生力的突变。一个关键的发现是，工件应该被安装固定在磨料流方向，磨料流方向冲击力大，表面光整速度快。还观察到在干燥的条件下，最大冲击力和冲击频率

20、远高于在湿润条件下。下面这些因素作为上述观察结果的原因.（） 添加水的湿式情况下，摩擦系数降低，因此从容器壁传递到磨料的能量就减少；（） 介质表面的水膜产生附着力，造成冲击能量消失；） 增加润滑剂减少了磨料和工件的相对速度。由此可以得出结论，虽然润滑剂有助于振动抛光，但是过量的润滑剂可降低磨料的冲击速度，增加表面光整加工时间。图10 振动加工研究领域图11 振动研磨介质的接触方式a 自由冲击b单体介质滚动c相邻介质在一个固定的介质上d 滚动Baghbanan等人用Yabuki等人开发的力传感器在一个振动加工槽中进行了实验。观察到正常的模式下，切向力和表面性质的变化情况，与Wang 等人和Yab

21、uki 等人在碗式振动光饰机中观察到的相似。低能量的小型碗式光饰机和高能量的大型槽式光饰机在硬度和加工时间之间的关系相似。然而，在槽式光饰机中工件的不同的安装方法是结果的变化很小。并对润滑条件进行了试验，发现其对工件的硬度和表面粗糙度有明显的影响，与Wang 等人和 Yabuki 等人观察到的相似。因此，得出的结论遵循振动光整的一般模式，与机器的类型，振动频率和幅度无关。在不同类型的振动设备中（槽式或碗式），可以看到类似的振动加工条件。在两种设备上使用固定装置，固定装置的设计取决于所光整的工件。碗式和槽式的一个显着差异是容器内磨料冲击能量的高低。这可由机器在不同频率工作得出碗式光饰机工作频率3

22、0Hz，槽式光饰机工作频率47Hz。随着频率增加获得更高的冲击能量，解释了在4.1节讨论的高速电机工作周期的减少。 Domblesky等人进行了碗式光饰机的实验，研究了不同加速度，加工时间下，铝、黄铜、钢作为工件材料的材料去除率和表面质量的变化。从材料去除的角度来看，磨粒磨损与光整加工中材料去率除息息相关。这是因为在加工过程中，粗糙的磨料对工件表面进行刻划。根据其各自的力学性能，domblesky等人猜测铝将有最大的材料去除率和钢材料去除率的最低。在实验中观察到，黄铜具有最高的材料去除率（材料去除率）和铝的材料去除率最低。这一观察结果归因于磨料和铝有类似密度，这将导致二者之间较低的相对运动。进

23、一步调查是为了解决黄铜的材料去除率是钢的材料去除率的两倍的问题。实验中指出，碗式光饰机的加速度高度受底部偏心块的重量和上偏心块重量差值的影响。如4.1节所讨论，这一观察建立在偏心块重量和料箱重量这一基础上。因此建议进行去毛刺和倒角，使用偏心块来控制和优化切削和材料去除率。这一建议适用于通过振动光饰来给航空航天部件进行去毛刺、倒圆角。作者在本文所述的一个潜在限制是由于不同的机器配置有不同的偏心块，由Domblesky 等人提出的建议是否能在其他的碗式振动光饰机中实施。材料去除率随材料的不同而不同，对于给定材料，则与加工时间有关，工件硬度也与材料去除率有关，硬度低，则材料去除率高。 Kumar等人

24、设计了一个简单的模拟一维振动的加工过程。在2个不同的方法下对钛工件的材料的去除率、表面粗糙度和接触力进行了测试。通过实验研究，发现它被放在更深的磨料中并垂直振动，表现出了较高的材料去除率。磨料流可以形象化为一层一层的，容器中的深层磨料会沿上面磨料层的重量而移动，因此相比表面的磨料层要以不同的力撞击，引起大的材料去除率。利用多体动力学仿真模型对磨料和工件的接触力进行建模。尽管它被证明是一个合适的方法，Kumar et al.声明它必须会进一步优化，以用于预测模型。为了使模拟结果对工件材料的去除的预测有作用，更精确的接触力峰值的预测和其他相对较小的力需要被测试。6.2振动光饰的进程模型的发展自19

25、79起，Sofronas 等人是为振动光饰过程制定综合模型的最早研究者之一。他们使用反应曲面分类研究法统计工具来研究硬度、加工时间、磨料尺寸，和振动频率对边缘倒角、提高表面质量的影响。这三个变量在图12中有很好的说明。也有人声称，与倒角和提高表面质量类似的机制和磨料去除机理相反。从实验中得出结论，振动频率是最重要的过程变量，随着频率的增加相关变量的响应如图12所示，其次是磨料的大小和加工时间。在4.1节进行高速电机可以实现加工周期减少的讨论与sofronas研究结果一致。图12 projection height reduction，提高表面光洁度，边缘倒角Hashimoto 做了跟进并建立了

26、振动加工过程的基本原理，提出了用微分方程数学模型预测的表面粗糙度和材料去除率。基于振动光整加工过程实验结果，提出了三条规则。首先，经过振动抛光工件的表面粗糙度将成倍下降到一个恒定的值被称为“粗糙度的限制值”，这是取决于工件的固有表面纹理。其次，两者之间的差异越大工件表面粗糙度的变化越快。最后，Hashimoto提出，在稳定状态下，振动加工过程中具有恒定的材料去除率。他用了两个不同容量的碗式振动光饰机，频率是21 Hz，振幅是5 mm。Hashimoto的实验结果与他数学模型的预测相一致。提出的规则可以在振动光饰装置和被振动光饰机操作者普遍观察到的，也通过模型提出了优化的工作周期。该规则可以扩展

27、到机器的高速马达，类似于观察饱和曲线。 Domblesky 等仍在做碗式振动加工的实验，同时提出了一种以切削力为模型开发的材料去除模型。模型被实验证实并且证明了材料去除率与时间无关，充实了Hashimoto的第三条规则。虽然结果似乎支持了材料去除率模型，但是需要肯定不同磨料和工件数量对材料去除率的影响。作者认为domblesky等人对他们模型的发展做出了一定的简化假设。首先，这sofronas等人提出的强化机制被忽视，因为它声称这将不影响材料去除率。观察到材料去除率与碗式容器的加速度成正比，表明高速度下的刻划作用加快。进一步表明高加速下应减少边缘倒角的时间，该情况下高层次的材料去除是必要的。s

28、ofronas等人就边缘倒角过程中强化和塑性变形机制的矛盾做了解释。其次，磨料被认为随着时间的推移，锐化和切割作用是微不足道的。然而，在实际的过程中，随着时间的推移磨料是有作用的，对于磨料变化的合理假设已经被实施了。对振动光饰的进一步研究可以对这些意见和矛盾进行纠正和实施。Naeinietal把之前的设想带到了下一步的研究中，并开发了离散元模型（DEM），用以模拟二维振动流化床系统的球形钢磨料流。DEM被用来模拟碰撞和碰撞之后的磨料、容器、工件的速度。它强调的是，预测模型的进一步改进可以通过探讨法向和切向刚度和阻尼系数，而不是与Naeini et al.所做的相同。工件表面的塑性变形和冲蚀程度

29、受磨料冲击力的影响。DEM预测接触速度的法向分量大于切向分量，约七到九倍。在实验中发现，磨料和传感器之间的法向接触力比切向力高十倍。本文结合了Domblesky 等提出的研磨材料去除机制 26 和Sofronaset 等提出的法向的冲击力和速度，磨料的喷丸属性。在工艺研究的现状上，作者同意Naeiniet 等的观点。在这种振动抛光具有双重的机制，需要给予必要的表面条件：磨料与工件相对运动对磨料的影响和材料去除的塑性变形。Naeinietal.使用二维离散元法模拟了2种不同磨料在振动光饰机的循环运动。球形颗粒被建模为单一的层次，即所有的碰撞和运动发生在X-y平面。这项研究与该作者参与的另一项实验的最大不同是，玻璃隔板用于在振动槽间来盛放磨料。在以前的实验中，玻璃板设置在与单一的粒子层间距100毫米的距离处，从而会导致磨料流中放置更多的工件。Naeinietal.希望确定在一定种程度上二维DEM可以代表实际的二维流动。容器壁和磨料之间的合剪切力与系统的运动有关。模型预测被实验结果所证实。发现容器中的磨料深度越深，其磨料流速越大，因此工件放在较深磨料中所受的冲击力会比放在磨料表面附近所受的冲击力大。这个设想在2012年被Kumar et 等人证实了。Naeini 等人的建模通过考虑光整面上的剪切力在小颗粒和大颗粒之间转移，从而能够被推进。从Naeini等人的结果