目 次《制造技术与机床》·2013年第12期（总第618期） · No.12.2013.Total Issue No.618

目次1

创新驱动发展 建设制造强国……………………………………………………………………本刊记者 汪 艺　6 ——2013年中国机械工程学会年会在合肥举行

Innovation drives the development, constructing a powerful China in manufacture Reporter WANG Yi

——Annual Meeting 2013 of CMES was held in Hefei

加强产学研用 突破核心技术……………………………………………………………………本刊记者 蒋思思　8 ——2013“中国汽车制造装备创新联盟”理事扩大会议现场报道

To strengthen the produce, study, research and application and break through the core technology Reporter JIANG Sisi

——Report on 2013 enlarged council meeting of China Innovation Alliance of Automotive Manufacture Equipment

群英毕至 共扬旌幡……………………………………………………………………本刊记者 谭弘颖 王雅琼　10 ——2013年国际先进制造工艺与刀具技术研讨会

A lot of elites attend, the flag is raised Reporters TAN Hongying WANG Yaqiong

——International Seminar on Advanced Manufacturing Technology and Cutting Tools 2013

2013国际先进汽车制造技术及装备研讨会在京举行…………………………………………本刊记者 汪 艺　122013 International Symposium on Advanced Automobile Manufacturing Technology and Equipments is held in Beijing

Reporter WANG Yi

第3届上银优秀机械博士论文奖揭晓……………………………………………………………本刊记者 汪 艺　13Result of the 3th Hiwin Doctoral Dissertation Award is announced Reporter WANG Yi

完美补充 服务本地……………………………………………………………………………本刊记者 谭弘颖　14 ——TORNOS中国合资公司新闻发布会

TORNOS using perfect complement to serve the local Reporter TAN Hongying

——The press conference of chinese joint ventures of TORNOS

深度体验 辉煌再续……………………………………………………………………………本刊记者 谭弘颖　15 ——IMTS2014美国芝加哥国际机床展览会新闻发布会

Deep experience, brilliant again Reporter TAN Hongying

——The press conference of IMTS2014

国内外动态 Information at Home and Abroad ……………………………………………………………………………… 1

专题专访 Special Topics & Interview

信念来源于责任 梦想成就于坚持……………………………………………………………本刊记者 汪 艺　17Faith comes from duty, dream goes true by insist Reporter WANG Yi

机床切削工艺方案能耗定量分析比较的方法……………………………………………………张 喆 李郝林　21Quantitative analysis and comparison method for cutting process scheme energy consumption of machine tools ZHANG Zhe, et al.

数控机床依据行程的自动润滑技术………………………………………………………………李洪波 冯明霞　24Automatic lubrication technology of CNC machine tool based on traveling distance LI Hongbo，FENG Mingxia

45钢超声辅助干磨削工艺参数与表面性能参数实验研究……………………黄于林 唐进元 陈海锋 郎献军　27Experiment study on processing parameters and surface properties of ultrasonic assisted dry grinding of 45 steel YHUANG Yulin, et al.

面向再制造工艺单元重构的设备布局模型研究………………………………朱 硕 江志刚 张 华 张旭刚　32Study on equipment layout model for remanufacturing process cell reconfiguration ZHU Shuo, JIANG Zhigang, ZHANG Hua, et al.

基于熵权法和TOPSIS的发动机关键零部件加工过程绿色特性评价…………………岳文辉 王晓俊 韩自强　36Green characteristic evaluation of engine key parts processingbased on the entropy method and TOPSIS YUE Wenhui, et al.

深孔钻镗床排屑装置改进设计…………………………………………郭 军 宋春元 郑 泳 宋振华 唐 前　39Improving design of deep hole boring machine chip removal device GUO Jun, SONG CHunyou, ZHENG Yong, et al.

基于磨削加工气雾冷却超声聚焦系统的设计与研究………汪帮富 李 华 赵江江 殷 振 曹自洋 任 坤　41Design and research on focused ultrasonic system with mist cooling to grinding machining WANG Bangfu, LI Hua, et al.

压力机再制造中的关键系统再设计研究…………………………………………………董建兴 吕传毅 贺 磊　46Research on the redesign for the key system in presses′ remanufacturing DONG Jianxing, LV Chuanyi, HE Lei

本期主题：绿色制造及相关技术 Green Manufacturing Technologies

· 41摇摇摇 ·

基基于磨削加工气雾冷却超声聚焦系统的设计与研究*

汪帮富淤于 摇 李摇 华淤 摇 赵江江盂 摇 殷摇 振淤 摇 曹自洋淤 摇 任摇 坤榆

(淤苏州科技学院机械工程学院,江苏 苏州 215009;于江苏大学机械工程学院,江苏 镇江 212013;盂苏州快速电梯有限公司,江苏 苏州 215006;榆河南工业大学机械学院,河南 郑州 450001)

摘摇 要:在精密磨削加工过程中,传统方法是采用大量浇注冷却液来降低磨削温度,但这种冷却方法存在冷

却效果差、污染环境、危害操作者身体健康等问题,为了提高磨削冷却效果,提出了气雾超声聚焦冷

却的新型冷却技术,气雾冷却聚焦超声技术使用冷却液量少、冷却效果好,是实现绿色精密磨削加工

的重要方法之一。 在对磨削加工气雾冷却分析研究的基础上,对气雾聚焦超声冷却系统进行了研究

和制作,同时对制作的样机进行了测试。关键词:磨削加工摇 超声聚焦摇 气雾冷却

中图分类号:TH142摇 摇 文献标识码:

Design and research on focused ultrasonic system with mistcooling to grinding machining

WANG Bangfu淤于, LI Hua淤, ZHAO Jiangjiang盂, YIN Zhen淤, CAO Ziyang淤, REN Kun榆

(淤School of Mechanical Engineering, Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215009, CHN;于 School of Mechanical Engineering ,Jiangsu University,Zhenjiang 212013, CHN;

盂Suzhou Express Elevator Co. , Ltd. ,Suzhou 215006, CHN;榆School of Mechanical Engineering , Henan University of Technology,Zhengzhou 450001, CHN)

Abstract: There are several problems such as the poor cooling effect, polluting the environment and doing harm tothe workers in the traditionally extensive coolant. A new cooling way was put forward which utilize themist with focused ultrasonic for cooling in order to get high cooling effect. The new cooling method usingless cooling liquid and having high cooling effect is a new way for green precise grinding. The system ofthe mist cooling with focused ultrasonic was studied. The key sets were designed, fabricated and testedin this paper.

Keywords: Grinding Machining; Ultrasonic Focused; Mist Cooling

为了克服精密与超精密磨削加工过程中大量浇注

冷却液的不足和污染环境等问题,研究绿色、高效的冷

却技术已经成为精密磨削技术发展主要方向之一。 在

对国内外冷却方式研究的基础上提出了气雾聚焦超声

冷却的新型冷却方式,它以气雾介质的强换热能力和

聚焦超声的声动力效应为基础,突破磨削区气障,进入

磨削区实现冷却。 该新型冷却方式极大地提高了冷却

液的使用率,降低了冷却液的使用量,是实现绿色精密

磨削的重要途径。 在为了实现该新型冷却方式的基础

上,对气雾聚焦超声冷却系统进行了研究和制作[1-5]。冷却原理如图 1 所示。

气雾聚焦超声系统由超声雾化器和聚焦超声系统

两部分组成,将超声雾化器和超声聚焦器分开设计,这样避免了超声雾化器和超声聚焦器的频率相互影响的

* 国家自然科学基金资助项目(51075288);江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ13_0657)

· 42摇摇摇 ·

问题,降低了设计和制造的难度[6]。 气雾冷却聚焦超

声系统主要由超声电源、超声雾化器、微量供液装置、超声聚焦器等组成。 超声电源是用以产生超声频电能

并提供给超声换能器的装置;超声雾化器将微量供液

装置提供的微量冷却液雾化,以提供足量的气雾冷却

介质;超声聚焦器可产生一定辐射压力的声场,可将在

超声焦区的雾化介质输送到磨削区,是实现气雾聚焦

超声冷却的关键部件。 本文重点就超声聚焦器设计制

造作一下介绍。

1

2

5

3

4

):+B1 ):+B2

=��):C,218>39B3=

1—:5�2—.0�3—):C,218�

4—):C,>/8�5—(4>4(12�

1摇 气雾冷却超声聚焦系统中关键部件———聚焦器的设计

理论上要求聚焦超声换能器的纵振谐振频率和聚

焦器的弯曲振动谐振频率一致,实现聚焦器的局部共

振,实现较大的聚焦声强。 通过有限元分析方法,对理

论设计的聚焦超声换能器和聚焦器组合成聚焦超声系

统后的性能参数进行分析,由于聚焦器边界自由振动

方程的推导及计算的复杂性,为了更快得到聚焦器的

参数,本部分基于有限元从厚度、开口半径、曲率半径

三因素对聚焦器与弯曲振型振动特性的影响进行分

析[6]。 所设计的聚焦器材料选用硬铝 LY-12。 图 2所示为所设计聚焦器的结构简图。

D3

D2

D1

R2

R1

l

α

=����):2181.0=

考虑所设计的聚焦器和聚焦换能器要能够进行装

配,故在聚焦器的尺寸上取 D1 =20 mm,D2 =26 mm,l=8 mm。 为了得到足够强的辐射超声,将开口直径 D3

选定为 98 mm。 聚焦器厚度设计为 3 mm,即 R2 =R1 +3。 为了得到聚焦器内径对频率的变化规律,固定参

数 D1,D2,l 和 D3,只改变 R1和 R2的大小,运用有限元

工具,改变参数 R1,搜寻合适的振型和频率点。 通过

有限元分析结果得出了曲率半径对聚焦器频率的影响

规律如图 3 和图 4。 从图 3 中可以看出,随着聚焦器

内径的增加,聚焦器的一阶振动频率和二阶振动频率

渐降低。 一阶振动频率趋近于 2 674 Hz,二阶振动频

率趋近于 12 770 Hz。 对直径 98 mm,厚度 3 mm 和内

孔 15 mm 的硬铝 LY-12 圆板进行有限元分析得出了

带中心孔圆板的振动频率见表 1。 通过对比表 1 和图

3 可以得出,当聚焦器内弧半径 R1逐渐增大后,其一阶

振动频率和二阶振动频率趋近于同口径的薄圆板的一

阶和二阶振动频率。表 1摇 带有中心孔圆板的振动频率分析结果

谐振频率一阶谐振频率 / Hz

二阶谐振频率 / Hz

三阶谐振频率 / Hz

四阶谐振频率 / Hz

- 2 670 12 024 28 171 50 774

50 100 150 200 250 300 350 4002 000

4 000

6 000

8 000

10 000

12 000

14 000

16 000,185A185

85

/Hz

=��2186/'25�(/,A1�,185+A?

��

�

350 400

50 100 150 200 250 30025 000

30 000

35 000

40 000

45 000

50 000

55 000

60 000

9185;185

85�H

z

926/'2R1 /mm

从图 4 可以得出,聚焦器的三阶振动频率趋近于

· 43摇摇摇 ·

28 171 Hz,四阶振动频率趋近于 55 962 Hz。 对比表 1得出三阶振动频率和四阶振动频率随聚焦器内弧半径

R1的增大频率会大于同口径的薄圆盘的振动频率。 这

样可以得出聚焦器振动频率随聚焦器内弧半径 R1 的

变化而变化的规律,为以后设计不同内弧半径的聚焦

器奠定了基础。 图 5 为聚焦器振动模态剖视图。 从聚

焦器的模态分析中可知聚焦器的频率为 26 525 Hz。将聚焦器和超声换能器组合在一起可得出超声聚焦器

模态剖视图,如图 6 所示。

=��2186<8;

.403578●●●●●●●●

1.11

●●●●●●●●JE =25BEQ=26525SUM �AVG�SYS=04% =6.7574% =.4035784% =6.757

1.815 2.521 3.227 3.933 4.639 5.345 6.051 6.75

Y

XZ

=��E//):2186<8;

.271974

“yz amalysis”

USUM �AYG�RSYS=0DWX =5.494SWN =.271974SWX =5.1494

1.433.852253 2.013

2.5933.173

3.7544.334

4.9145.494

从图6中可得出组合后的超声聚焦器频率为

26 662 Hz,聚焦器振动模态为三阶振动模态。 为了得

出振动幅值在聚焦器位置的分布,选择聚焦器内弧面

为路径提取 Z 向振幅 UZ如图 7 所示。

-4-3-2-1012345

0

50° 36° 15° 15° 36° 50°

B?1α

C-

图 7 中横坐标为聚焦器圆心角 琢 值(见图 2 所

示),纵坐标为振幅值。 从图中可以看出节点在振幅

为 0 处位置。 通过弧长数据可以计算出节圆(注:在圆盘的振动辐射面上存在两个互为反相的振动区,如当内侧振动区的质点向下运动时,外侧振动区的质点

则向上运动;反之亦反。 两区域的振动总是反相的,其交界线形成了一个圆叫节圆,节圆上的质点不会发生

振动位移[7])与球面中心线的角度,可得出节圆位置

中心轴线夹角 琢 分别为 50毅,36毅,15毅。

2摇 气雾冷却超声聚焦系统的聚焦器补偿设计

振动聚焦器开口半径大可以获得大的辐射功率,开口直径设定为 98 mm。 也由于开口直径大,聚焦器

工作在谐振状态时已经出现 3 个节圆。 由于节圆的存

在,聚焦器弯曲振动时会出现弯曲振动的反相区。 在

节圆的一侧增加圆环台阶来达到改变相位的目的。 经

计算得出圆环补偿的位置应在振幅相对较小的区域。聚焦器一共有 3 个节圆位置,内节圆、中间节圆和外节

圆。 由上述已经得出不同节圆与中心轴线的夹角分别

为 50毅,36毅,15毅。 本文经有限元分析设计了在中间节

圆(即夹角为 36毅处的节圆)内侧位置和外侧位置补偿

的聚焦器,即补偿在 15毅与 36毅之间和 50毅与 36毅之间。增加补偿之后,聚焦器厚度增加,聚焦器的频率会

下降。 为了保证加厚度补偿的聚焦器和超声聚焦换能

器的频率一致,需要调整聚焦器基底的厚度,以及适当

调整所加补偿部分的位置。 经有限元分析得出理想振

型如图 8 和图 9 所示。

=��218D01B6)))

1.752 5.117 6.7997.645.9584.2762.594.911282

3.435.070166

da.qiu ke

1

Z

Y

X

JUL 28 201210:16: 00

SYSN

V

STEP=1SUB =27FREQ=26511USUM (AYG)RSYS=0DWX =7.64SWN =.070166SWX =7.64

NODAL SOLUTION

从图 8 可知在聚焦器中间节圆内侧补偿后聚焦器

频率为 26郾 5 kHz,从图 9 可知在中间节圆外侧补偿后

聚焦器频率为 26. 1 kHz。 经有限元仿真后得出聚焦

器补偿后的结构尺寸如图 10 所示。将这两种聚焦器与超声聚焦换能器组装配合后进

行有限元分析分别得出模态剖视图如图 11 和图 12。

· 44摇摇摇 ·

=��218D01B=)))

.16778da.qiu ke

NODAL SOLUTION

STEP=1SUB =27EREQ=26112USUM (AVG)RSYS=0DMX =9.26SMN =.16778SMX =9.26

1

2.188 4.209 6.229 8.257.245.2193.1991.178

SYSN

V

JUL 28 201210:45: 56

Z

Y

X

47°

33°

34°

18°

a�D01B=)))1.= bD01B6)))1.=

=���218))1.=

=���D01B6)))2186<8;

.104039“yz ama.lysis”

1

.6371911.17

1.7032.237

2.773.303

3.8364.369

4.902

JUL 30 201210:04:17

SYSNV

NODAL SOLUTIC

SMN`=4.902SMN`=.104035DMX`=4.902RSYS=0USUM (AYG)FREQ=27144SUB=10STEP=1

3摇 超声聚焦器的阻抗测试试验研究

超声聚焦器组装完成后样机如图 13 所示,通过阻

抗测试可以得出超声聚焦器自身的性能参数,可以初

步判定超声聚焦器装配的优劣。 本次试验主要采用

PV70A 阻抗分析仪提取不同聚焦器组装后的振动频

率和动态阻抗,测试所得曲线如图 14 所示。从图 14 中曲线可以看出聚焦器都有有规则的导

纳圆,说明聚焦器装配良好,可以看出经有限元分析所

得结果可控制在 5%以内,聚焦器的误差相对非常小。

=���D01B=)))2186<8;

“Y= analysis”.092555

.789061.486

2.1822.879

3.5754.272

4.9685.665

6.361

NODAL SOLUTION

STEP=1

●M● =●●MX =6

DMX=6R5Y5=0USUM (AVG)FREQ=26769SUB=12

1

JUL 30 201210:38: 59

SYSN

V

=���):218D7=

-25.00

25.00

25.00 lgZ Phi

50.00 48 000.0 51 000.0

=���E2<?9?

4摇 超声聚焦器的振动测试试验研究

振动测试聚焦超声系统的振动特性主要包括聚焦

器的振动幅值和振型等。 图 15 为聚焦器振动测试点

分布图,其中测试线都由 18 点组成,且按照由小到大

的顺序从外圈向内圈排列。 图 16 为 MTI-2100 光纤

测振仪测试曲线图。 在测试过程中,光纤测振仪探头

需要沿着径向方向测试。从图 16 可看出聚焦器的节点位置分别在 7 点和

8 点之间,12 点和 13 点之间,15 点和 16 点之间。 对

比图 7 可看出测试结果和有限元仿真结果基本一致,说明有限元仿真对聚焦器的设计有一定的指导意义。

5摇 超声聚焦器的声场有限元分析及试验测试

超声聚焦器的设计目的是为了在焦点处实现能量

· 45摇摇摇 ·

=���218C-);+,)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 1413 15161718

-24

-14

-4

6

16

26

181716151413121110 9 8 7 56 4 3 2 1

3?+4?+

1?+2?+

=���07,�����.>)CA);9?

的集中。 气雾冷却聚焦超声系统中超声聚焦器需要提

供高辐射超声以提高达到焦区处的气雾颗粒的运动速

度,从而有利于气雾进入磨削区进行高效冷却。 对超

声聚焦器在空气中的辐射声场进行有限元分析(图 17为超声聚焦器经有限元分析后在后处理中提取的声场

分布云图),测试的截面声压分布云图如图 18 所示。

从上述两图中可以看出超声振动聚焦系统声场声

压分布,并且在聚焦器前方接近球心处有一焦区,声波

近似为球面波向外传播且声压幅值随着传播距离的增

加逐渐减小。为了更直观地观察超声聚焦器的聚焦效果,搭建

试验平台将点燃的蜡烛放置在聚焦器轴线上,通过对

比蜡烛火焰从远到近逐渐靠近焦区时的形态,观察超

声对火焰形态的影响。 如图 19、20 所示。

-93

-84

-75

-66

-57

-48

-39

-30

-21

-12 -3 6 15 24 33 42 51 60 69 78 87 0

9

18

27

36

45

54

63

72

810-0.2 0.2-0.4 0.4-0.6 0.6-0.8 0.8-1 1-1.2 1.2-1.4 1.4-1.6

=���):C,21816:@,)B=

=���23218+)���PP =���23218+)���PP

实验表明随着蜡烛逐渐靠近聚焦器,蜡烛火焰受

到超声产生的辐射压力也越来越大,火焰开始摇曳并

变小最终熄灭。 蜡烛火焰越靠近聚焦器底部越容易熄

灭,也就是越靠近焦域的时候超声辐射强度越大。 该

试验直观地显示了聚焦器轴线上的声压分布,也是对

声场测试结果的一个验证。

6摇 结语

本文在研究常用聚焦原理的基础上,为了能够在

空气介质中实现大功率的超声辐射,提出一种聚焦器

弯曲振动超声聚焦器。 超声聚焦器聚焦的实现是通过

聚焦器的弯曲振动,聚焦器的弯曲振动具有低辐射阻

抗并且具有大的辐射面积,因此超声聚焦器可以在空

气中辐射出强超声。 基于有限元方法设计了聚焦器并

与超声聚焦换能器进行了装配。 用 MTI-2100 光纤测

振仪和激光多普勒测振仪测试了聚焦换能器的振型,将测试的振型与有限元仿真结果进行了对比,试验测

试结果和仿真结果基本吻合。 为今后进一步研究打下

良好的基础。参 考 文 献

[1]蔡光起. 磨削磨料加工技术的最新发展[ J] . 航空制造技术,2003(4):31-35.

· 46摇摇摇 ·

压压力机再制造中的关键系统再设计研究董建兴摇 吕传毅摇 贺摇 磊

(山东理工大学机械工程学院,山东 淄博 255049)

摘摇 要:给出了 J53-400T 型压力机的动力和传动系统的再设计计算方法,并进行了压力机总体方案的设

计,利用 MSC. Patran 对原压力机螺杆和再设计后的零部件进行了有限元模态分析,得出了压力机

在保证加工工艺的条件下还可提升打击次数的结论。 实际应用表明,再设计后的压力机实现了打

击力和能量的精确控制,工作效率和产品的合格率得到了提升,没有出现工作过程中振动过大的问

题。关键词:压力机摇 再制造摇 再设计摇 模态分析摇 开关磁阻电动机

中图分类号:TH122摇 摇 文献标识码:A

Research on the redesign for the key system in presses忆 remanufacturingDONG Jianxing, LV Chuanyi, HE Lei

(School of Mechanical Engineering, Shan Dong University of Technology , Zibo 255049, CHN)

Abatract: Redesign calculation methods for power and transmission system of the J53 - 400T type presses are giv鄄en and the overall plan of the press was designed. The finite element modal analysis of the originalscrew and the redesign parts were done by using MSC. Patran. The conclusion was drawn that the fre鄄quency could also be enhanced on condition of ensuring the processing technique. Practical applicationshows that the redesign press has the precise control of the striking force and energy. The efficiency andproduct qualification rate were improved and the problem of excessive vibration did not appear in thecourse of work.

Keywords: Press; Remanufacturing; Redesign; Modal Analysis; Switched Reluctance Motor

压力机以其良好的加工工艺性能,广泛应用在各

类机械加工和耐火材料制造企业。 目前国内中小型企

业保有大量即将进入功能性报废的老旧压力机,如果

直接进行废弃处理,将是对资源和能源的巨大浪费。压力机再制造中的再设计指的是在压力机再制造的过

程中以报废的压力机性能参数或者零部件作为约束条

件,进行新的设计过程。 再设计的目的是使得再制造

后的压力机获得比原压力机更好的性能。 淄博奥瑞科

机电科技有限公司从应用角度对老旧螺旋压力机进行

了节能改造,但是部分产品出现了振动过大的情况。基于此本文对 J53-400T 压力机再制造中的再设计进

行了理论研究并对结果进行了应用。

1摇 压力机动力系统的再设计

废旧压力机再制造过程中,由于新型电力拖动系

统的出现,在考虑到压力机使用场合的前提下,可以结

合现有的动力系统特点进行再设计,提升压力机的性

能。但是在进行动力系统的再设计时,詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬

一定要注意匹

[2]周志雄,邓朝辉,陈根余,等. 磨削技术的发展及关键技术[ J] . 中国

机械工程,1999(4):65.[3]Ebbrell S, Guo C. Thermal analysis of geinding[J] . Annals of the CIRP

2007,56(2):760-782.[4]修世超,冯强. 绿色磨削实现技术及其理论框架的构建[ J] . 制造技

术与机床,2008(10):28-32.[5]孙宝芝,姜任秋,淮秀兰,等. 声空化强化沸腾换热的试验观察与分

析[J] . 机械工程学报,2009(1):73-76.[6]宋克锋. 纳米汽雾聚焦超声冷却系统的研究[D]. 郑州:河南工业大

学,2012.

[7]吴诚. 气介型压电超声传感器的研制[D]. 武汉:华中科技大学,

2007.

第一作者:汪帮富,男,1978 年生,在读博士生,讲师,研究方向为先进制造技术与装备。

(编辑摇 汪摇 艺) 摇 (收稿日期:2013-10-17)摇 摇

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