复合超声振动游离磨料抛光设备的三维设计及运动仿真

    由于科学技术的发展，许多领域对超光滑表面加工技术都提出了更高的要求，表面粗糙度有些要求达到亚纳米量级，新的超光滑表面加工方法（如化学机械抛光、弹性发射加工、等离子场致加工、浮法抛光，磁力抛光等等）都达到了传统抛光所达不到的效果。但由于设备、加工效率等原因，这些方法推广应用受到不同程度的限制．现在的获取超光滑表面的方法的主流还是基于传统的有磨料研磨和抛光，并在其基础上进行改进。本文在提出游离磨料振动强化抛光加工方法的基础上，设计了一种实用的复合超声振动游离磨料抛光设备。其优点是：(1)加工范围大，对加工前的表面粗糙度的适应性好，可获得较高的表面质量。(2)复合加工方法仅需改变加工参数既可完成加工过程，加工效率高。与有膜的游离磨料加工方法相比，复合加工法不仅可以加工平面，加工复杂曲面将更有发展前景。与无膜的游离磨料加工方法相比，复合加工提高了材料的去除效率。
    三维CAD软件是当今CAD软件的发展趋势。SolidWorks是中端CAD软件的典型代表，是基于Windows操作系统开发的，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，所以被广泛应用于机械等多项领域。
    1 复合超声振动的游离磨料抛光原理
    游离磨料抛光是利用工件在游离态磨料液体中的高速振动，依靠磨粒对工件材料表面的冲击和摩擦运动，以此消除工件表面残余应力和表面微裂纹表面微观不平整度，从而达到降低工件表面粗糙度，强化工件表面的效果。
    工件高速往复运动时，其表面与游离态磨料介质高速碰撞，受磨粒冲击后，工件材料表面在磨料尖角移动时产生接触点的横向塑性流动，从而切出一定数量的徽体积材料产生微切削磨损，使磨料对工件表面产生一定的磨削作用，降低工件表面粗糙度。此外，磨料箱的底部和侧面装有超声换能器，利用超声振动产生的交变压力场和流场，驱动抛光液冲刷工件表面，同时游离磨料在受激状态下会产生相互之间的高速碰撞运动，形成无数把微细切削刃，不断往复冲击研磨工件表面；另一方面，当超声波在抛光液中传播时，会产生瞬态空化效应，工件表面附近产生局部的能量集中，引发高温、高压、冲击波和高速射流等极端现象，这种现象能降低工件表层原子的原子结合能，使材料更容易去除。
    游离磨料抛光设备三维设计的树形层次模型
    2 游离磨料抛光设备工作原理
    激振机构是振动抛光机的核心部分，工件在激振机构的带动下做高速的振动，与游离态磨料发生碰撞，达到抛光和表面强化的作用。
    根据正弦机构的原理由电动机驱动曲柄做旋转运动，曲柄带动正弦滑块在轨道上做往复运动，工件则安装在正弦滑块上，由于工件要求的振幅为60mm所以曲柄的长度为30mm，且导轨的长度和曲柄在正弦滑块上移动的长度都必须大于60mm。该机构优点是结构简单，运动形式简单，输出端运动稳定可靠，容易控制，而且运动机构的摩擦力较小。
    3 游离磨科抛光设备的三维设计方案
    游离磨料抛光设备结构复杂、零部件的数量较多，按照游离磨料抛光设备的组成原理以及工作结构特点，将其分成三大模块，每个模块又分为若干个子模块。建模时采取措施保证各模块之间的约束最少。图1是游离磨料抛光设备三维设计的树型层次模型。
    a.激振运动模块，激振设备是该设备机的核心机构，工作时由电动机带动联轴器和曲轴一起旋转。
    b.变频控制模块，在抛光实验中频率是影响抛光效果的重要因素之一，作用是通过变频获得不同频率激振运动。
    c.磨料循环模块，磨料箱在振动抛光过程中是用来盛抛光液的，同时磨料箱底面和侧面装有超声换能器，可以向磨料液发射高频超声波。
    4 游离磨科抛光设备三维实体建模及装配设计
    4.1 三维实体建模
    在零件建模前，将复杂零件结构分解成所能建立的基本特征要素，选用合理的顺序建模，建模时应尽量简化实体特征结构。图2是主轴的三维实体模型，图3为正弦机构装配模型，由正弦滑块、正弦滑动轴、曲轴、螺钉紧固轴端挡圈、十字槽沉头螺钉装配而成。
    4.2 装配设计
    在装配设计中采用自顶向下和自底向上设计相结合的设计方法完成游离磨料抛光设备的三维设计。在总体设计阶段采用自顶向下的设计方法，要先设计出整个机器的轮廓，但不需要精确定位，其组成零件只有基本结构。在详细设计阶段采用自底向上的设计方法。在SolidWorks中，一个装配体是由数个以上的零件组成，这些零件被赋予了一定的约束关系，这样的约束关系在SolidWorks中被称之为配合关系。适用配合关系，可以相对于其他零部件来精准的定位该零件，还可以定义零部件让其相对于其他零部件移动和旋转。装配完成后，单击干涉检查图标，确认没有干涉后则装配成功。
    游离磨料抛光设备装配完成后的SolidWorks模型如图4所示。
    游离磨料抛光设备三维总装图
    5 机构运动仿真
    计算机模拟仿真技术，是以计算机系统为基础，根据用户要求，建证实际系统的数学模型，并使之转化为仿真模型，从而真实的展现实际系统运行状态的过程。Solidworks软件是一个强大的虚拟样机设计和仿真平台，利用该项技术可以快速发现机械系统设计中的缺陷，并可以直接更改模型，大大的减少了设计中的错误，缩短了开发周期。机构运动仿真过程如5所示。
    6 结论
    应用Solidworks对游离磨料抛光设备进行三维设计，包括零件设计、装配体设计、干涉检查和运动仿真，三维实体模型能够充分表达设计意图，面向装配设计的设计方法改变了传统的产品设计、制造和装配模式，在制造样机前能预测产品在真实工作条件下的特征和性能，保证设计准确，缩短设计周期，为新产品研发创造了有利条件。本设计流程不仅适用于游离磨料抛光设备的设计，也可为其它新产品设计提供参考。