《弦振动实验报告》（五篇模版）

第一篇：《弦振动实验报告》

弦振动的研究

一、实验目的 1、观察固定均匀弦振动共振干涉形成驻波时的波形，加深驻波的认识。

2、了解固定弦振动固有频率与弦线的线密ρ、弦长 L 和弦的张力Τ的关系，并进行测量。

二、实验仪器

弦线，电子天平，滑轮及支架，砝码，电振音叉，米尺

三、实验 原理

为了研究问题的方便，认为波动是从 A点发出的，沿弦线朝Ｂ端方向传播，称为入射波，再由Ｂ端反射沿弦线朝Ａ端传播，称为反射波。入射波与反射波在同一条弦线上沿相反方向传播时将相互干涉，移动劈尖Ｂ到适合位置．弦线上的波就形成驻波。这时，弦线上的波被分成几段形成波节和波腹。驻波形成如图（2）所示。

设图中的两列波是沿 X 轴相向方向传播的振幅相等、频率相同振动方向一致的简谐波。向右传播的用细实线表示，向左传播的用细虚线表示，它们的合成驻波用粗实线表示。由图可见，两个波腹间的距离都是等于半个波长，这可从波动方程推导出来。

下面用简谐波表达式对驻波进行定量描述。设沿 X 轴正方向传播的波为入射波，沿 X 轴负方向传播的波为反射波，取它们振动位相始终相同的点作坐标原点 “O”，且在 X＝0 处，振动质点向上达最大位移时开始计时，则它们的波动方程图（2）

分别为：

Y 1 ＝Acos2(ft－x/ )Y 2 ＝Acos[2(ft＋x/λ)+ ] 式中 A 为简谐波的振幅，f 为频率，为波长，X 为弦线上质点的坐标位置。两波叠加后的合成波为驻波，其方程为：

Y 1

＋Y 2 ＝2Acos[2（x/ ）+/2]Acos2ft

① 由此可见，入射波与反射波合成后，弦上各点都在以同一频率作简谐振动，它们的振幅为｜2A cos[2（x/ ）+/2] |，与时间无关 t，只与质点的位置 x 有关。

由于波节处振幅为零，即：｜cos[2（x/ ）+/2] |＝0 2（x/ ）+/2＝(2k+1) / 2

(k=0.2.3.…)

可得波节的位置为：

x＝k /2

② 而相邻两波节之间的距离为：

x k ＋ 1 －x k ＝(k＋1)/2－k / 2＝ / 2

③ 又因为波腹处的质点振幅为最大，即

｜cos[2（x/ ）+/2] |

=1 2（x/ ）+/2 ＝k

(k=0.1.2.3. )

可得波腹的位置为：

x＝(2k-1)/4

④ 这样相邻的波腹间的距离也是半个波长。因此，在驻波实验中，只要测得相邻两波节或相邻两波腹间的距离，就能确定该波的波长。

在本实验中，由于固定弦的两端是由劈尖支撑的，故两端点称为波节，所以，只有当弦线的两个固定端之间的距离（弦长）等于半波长的整数倍时，才能形成驻波，这就是均匀弦振动产生驻波的条件，其数学表达式为：

L＝n / 2

(n=1.2.3.…)由此可得沿弦线传播的横波波长为：

＝2L / n

⑤ 式中 n 为弦线上驻波的段数，即半波数。

根据波速、频率及波长的普遍关系式：V＝f，将⑤式代入可得弦线上横波的传播速度：

V＝2Lf/n

⑥ 另一方面，根据波动理论，弦线上横波的传播速度为：

V＝(T/ρ)1/2

⑦ 式中 T 为弦线中的张力，ρ 为弦线单位长度的质量，即线密度。

再由⑥⑦式可得

f =（T/ρ）

1/2（n/2L）

得

T＝ρ /(n/2Lf)2

即

ρ＝T(n/2Lf)2

(n=1.2.3.…)

⑧ 由⑧式可知，当给定 T、ρ、L，频率 f 只有满足以上公式关系，且积储相应能量时才能在弦线上有驻波形成。

四、实验内容

1、测定弦线的线密度：用米尺测量弦线长度，用电子天平测量弦线质量，记录数据 2、测定 11 个砝码的质量，记录数据 3、组装仪器

4、调节电振音叉频率，弦线长度和砝码数量得到多段驻波，用米尺测量驻波长度，记录频率，砝码质量，波数，波长。（靠近振动端的第一个驻波不完整，要从第二个驻波开始测量波长）

五、数据 记录 及处理

1、弦线密度测定 弦线总长：2.00m

总质量：0.383g

σ=0.383/2.00=0.1915

g/m 2、砝码质量测定：

兰州 g=9.793m/s2 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

质量/g 10.015 10.016 9.988 10.020 10.009 10.000 10.013 10.006 10.018 10.018 4.997

波数 波长 L/cm 张力 T/N 频率 f/Hz 砝码 m/g 9 17.30 0.049 45.04 4.997 8 17.38 0.049 48.17 4.997 7 16.13 0.049 49.26 4.997 6 20.31 0.098 43.70 10.015 5 23.16 0.098 16.51 10.015 4 30.60 0.196 53.21 20.031 3 41.44 0.343 54.81 35.022 2 69.50 0.980 50.00 100.093 T/N 0.049 0.049 0.049 0.098 0.098 0.196 0.343 0.980 v/m/s 0.506 0.506 0.506 0.715 0.715 1.012 1.338 2．262

lgT/N-1.309-1.309-1.309-1.009-1.009-0.708-0.465-0.009 lgv/m/s-0.296-0.296-0.296-0.146-0.146 0.005 0.126 0.354

六、实验分析

本实验结果基本符合经验公式，但还存在误差，分析有以下原因 ：

1、未等挂在弦线上的砝码稳定就开始测量。

2、未等形成的驻波稳定就开始记录数据。

3、用米尺测量时读数不够精确。

七、实验问题 1、.如果要确定 v 与σ的关系，实验应如何安排?

答：应准备材质不同的弦线，在频率 f 和张力 T 一定的情况下，出现不同数量的驻波，测量对应波长 L，V=2Lf，作出σ—V 图像。σ作为 V 的幂函数令σ=AV，两边取对数得 lgσ=lgA+BlgV 作 lgσ—lgV 图像求 A,B.若 B=V,A=T 则公式推导正确。

2、弦振动时，使 N（波数）为偶数，将音叉转 90°后，观察现象，并说明原因。

答：旋转音叉 90°波数变为 N/2。原因是音叉带动的弦线由原来的左右摆动变成了前后摆动，形成的都是横波，原来左右振动一个周期形成两个波，旋转 90°之后前后振动一个周期只形成了一个波，此时，电振音叉的振动频率不变，但是弦线的振动频率变为了原来的一半，所以波数减半。

第二篇：2013--振动实验-实验报告说明

《振动实验》课程实验报告明细

一、实验报告：

1、简谐振动幅值与频率的测量

2、振动系统固有频率的测定（李萨如图）

3、正弦扫频法测简支梁的固有频率

4、悬臂梁固有频率及振型测定/ 二自由度系统固有频率及振型测量（二选一）

5、主动隔振实验

6、被动隔振实验

7、单式吸振器吸振实验/ 复式吸振器吸振实验（二选一）

8、油阻尼减振实验

9、拍振实验

10、衰减振动测量

书写要求：

1、实验报告内容：

每份实验报告都应包括：实验名称、目的、设备型号、原理、步骤、结果及分析、体会（可选）

2、手写；实验结果可以打印

3、采用统一的格式

二、振动总结报告

介绍振动的发展历史，应用及前沿问题。可以是读文献写写感想或者对文献综合分析一下，加入一些自己的观点。

再或者实验心得，收获，对本门课的建议。

A4纸，2页1000字左右。

三、成绩评定：

以实验报告+ 总结报告+考虑平时出勤及动手操作等构成最终的成绩！

航建学院 力学实验中心 振动实验室(2046)

第三篇：现代控制实验报告二基于降维观测器的振动车床控制

现代控制理论基础 上机实验报告之二

基于降维观测器的 超精密车床振动控制

院

系：

专

业：自动化 姓

名：

班

号： 指导教师：

哈尔滨工业大学 2013年x月x日

一、工程背景介绍

在实验一中针对亚微米超精密车床的振动控制系统，我们采用全状态反馈法设计了控制规律。但是在工程实践中，传感器一般只能测量基座和床身的位移信号，不能测量它们的速度及加速度信号，所以后两个状态变量不能获得，换句话说全状态反馈很难真正实现。

为了解决这个问题，本实验设计一个降维（2维）状态观测器，用来解决状态变量 x2、x3的估计问题，从而真正实现全状态反馈控制。

二、实验目的

通过本次上机实验，使同学们熟练掌握： 1.降维状态观测器的概念及设计原理； 2.线性系统分离原理的内涵；

3.进一步熟悉极点配置及状态反馈控制律的设计过程； 4.MATLAB 语言的应用。

三、性能指标

闭环系统渐近稳定；降维观测器渐近稳定。

四、给定的实际参数

某一亚微米超精密车床隔振系统的各个参数为：

k01200N/m,ke980N/A,m120kg,c0.2,R300,L0.95H

五、车床振动系统的开环状态空间模型

开环系统的状态空间表达式为：

10x10x10x0ux00122xx333157.910.5315.88.6 x1y100x2x3

六、降维观测器方程的推导

构造2维降维状态观测器如下： z(A22LA12)z[(A22LA12)(A21LA11)]y(B2LB1)u xQ1yQ2(zLy)010，B1[0]，A223157.910.5315.8其中，A12[10]，A2111[0]，A100l10B2，Q10，Q210，Ll

8.62010设降维观测器的理想几点为120,80，则理想特征方程为

f*()(80)(120)22009600

降维观测器特征方程为

f()det[I(A22LA12)]2(315.8l1)(315.8l1l210.5)

令f*()f()，得到

115.8 L46159 得到2维降维状态观测器为

1116327000zzy4617031692337008.6u 001116yx10z0146159

七、基于降维观测器的状态反馈控制率设计

12根据性能指标pe100%5%，解得0.69。

根据性能指标ts40.5，解得8。留出裕量，取0.8,n15，则：12,n129。为此得两共轭极点s1129j,s2129j。取第三个极点s3100。得出系统期望特征多项式为：

f()(129j)(129j)(100)31242262522500

(12)设状态反馈控制律为：

uk1k2x1vk3x 2x3则闭环状态空间表达式为：

10x120x0x33157.98.6k110.58.6k2x1y100x2x3此时闭环系统的特征多项式为：

x10x0v2x3315.88.6k38.601

f*()32(315.88.6k3)(10.58.6k2)3157.98.6k（13）

将式（12）与式（13）比较得：

315.88.6k3124 10.58.6k226253157.98.6k225001解得：

k12249k2292.5 k22.33实际状态反馈控制率为uKxv。



八、闭环系统的数字仿真

1.闭环系统的单位阶跃响应仿真

由以上设计过程，借助Matlab画出的系统的simulink仿真图如图1：

图1 simulink仿真图

系统的响应曲线如图

2、图3：

图2 系统阶跃响应曲线

图3 系统阶跃响应曲线 由仿真结果可以看出，系统的超调量为

p0.45%5，%调整时间为ts0.32s，满足指标要求。0.s52.闭环系统的状态响应仿真

假设存在某一初始振动状态：

x1(0)3105m,x2(0)1105m/s,x3(0)2105m/s2。

降维观测器的初始状态为：

x2(0)2105m/s,x3(0)1105m/s2

用Matlab仿真得到系统各状态变量变化曲线如图４：

图4 系统状态响应曲线

由仿真结果可以看出降维观测器的设计达到标准。

八、实验结论及心得

系统的超调量为p0.45%5%，调整时间为ts0.32s0.5s，满足指标要求。本次的实验让我重温了系统降维状态观测器的设计方法，加深了对状态观测器作用的认识。从本次的实验结果可以看出，状态观测器可以很好的反映系统所不能测量的状态，这在实际应用中有很重要的意义。

第四篇：通用振动标准

通用振动标准-按轴承振幅的评定标准

按轴承振幅的评定标准

1969年国际电工委员会(IEC)推荐了汽轮发电机组的振动标准，如表1所示（峰－峰值，μm）。原水电部规定的评定汽轮发电机组等级与IEC标准基本相符，如表2所示（峰－峰值）。

表1 IEC振动标准

转速（r/min）1000 1500 1800 3000 3600 6000 12000

在轴承上测量 75 50 42 25 21 12 6

在轴上测量 150 100 84 50 42 25 1

2表2 振动标准

转速（r/min）优 良 合格

1500 30 50 70

3000 20 30 50

按轴承振动烈度的评定标准

国际标准化组织ISO曾颁布了一系列振动标准，作为机器质量评定的依据。现将有关标准介绍如下：

⑴ ISO2372/1：

该标准于1974年正式颁布，适用于工作转速为600~12000r/min，在轴承盖上振动频率在10~1000Hz范围内的机器振动烈度的等级评定。它将机器分成四类：

Ⅰ类为固定的小机器或固定在整机上的小电机，功率小于15KW。

Ⅱ类为没有专用基础的中型机器，功率为15~75KW。刚性安装在专用基础上功率小于300KW的机器。

Ⅲ类为刚性或重型基础上的大型旋转机械，如透平发电机组。

Ⅳ类为轻型结构基础上的大型旋转机械，如透平发电机组。

每类机器都有A，B，C，D四个品质级。各类机器同样的品质级所对应的振动烈度范围是有些差别的，见表3。四个品质段的含意如下：

表3 ISO2372推荐的各类机器的振动评定标准

振动烈度分级范围 各类机器的级别

振动烈度（mm/s）分贝（db）Ⅰ类 Ⅱ类 Ⅲ类 Ⅳ类

0.18-0.28 85-89 A A A A

0.28-0.45 89-93 A A A A

0.45-0.71 93-97 A A A A

0.71-1.12 97-101 B A A A

1.12-1.8 101-105 B B A A

1.8-2.8 105-109 C B B A

2.8-4.5 109-113 C C B B

4.5-7.1 113-117 D C C B

7.1-11.2 117-121 D D C C

11.2-18 121-125 D D D C

18-28 125-129 D D D D

28-45 129-133 D D D D

45-71 133-139 D D D D

A级：优良，振动在良好限值以下，认为振动状态良好。

B级：合格，振动在良好限值和报警值之间，认为机组振动状态是可接受的（合格），可长期运行。

C级：尚合格，振动在报警限值和停机限值之间，机组可短期运行，但必须加强监测并采取措施。

D级：不合格，振动超过停机限值，应立即停机。

振动烈度是以人们可感觉的门槛值0.071mm/s为起点，到71mm/s的范围内分为15个量级，相邻两个烈度量级的比约为1.6，即相差4分贝。

⑵ ISO3945：

该标准为大型旋转机械的机械振动—现场振动烈度的测量和评定。在规定评定准则时，考虑

了机器的性能，机器振动引起的应力和安全运行需要，同时也考虑了机器振动对人的影响和对周围环境的影响以及测量仪表的特性因素。

显然，在机器表面测得的机械振动，并不是在任何情况下都能代表关键零部件的实际振动应力、运动状态或机器传递给周围结构的振动力。在有特殊要求时，应测量其它参数。表4给出了功率大于300KW、转速为600~12000转／分大型旋转机械的振动烈度的评定等级。

注：参考值10-5mm/s。

表4 ISO3945评定等级

振动烈度 支持类型

振动烈度（mm/s）分贝（db）刚性支承 挠性支承

0.46-0.71 93-97 良好 良好

0.71-1.12 97-101 良好 良好

1.12-1.8 101-105 良好 良好

1.8-2.8 105-109 满意 良好

2.8-4.6 109-113 满意 满意

4.6-7.1 113-117 不满意 满意

7.1-11.2 117-121 不满意 不满意

11.2-18 121-125 不允许 不满意

18-28 125-129 不允许 不允许

28-45 129-139 不允许 不允许

该标准所规定的振动烈度评定等级决定于机器系统的支承状态，它分为刚性支承和挠性支承两大类，相当于ISO2372中的Ⅲ与Ⅳ类。对于挠性支承，机器—支承系统的基本固有频率低于它的工作频率，而对于刚性支承，机器—支承系统的基本固有频率高于它的工作频率。

按轴振幅的评定标准

ISO7919/1《转轴振动的测量评定—第一部分总则》于1986年正式颁布。ISO/DIS79110-

2《旋转机器轴振动的测量与评定—第二部分：大型汽轮发电机组应用指南》于1987年制订，它规定了50MW以上汽轮发电机组轴振动的限值，见表5和表6，分别适用于轴的相对振动与轴的绝对振动。

表中级段A，B，C的意义与前述相同。轴振动的测量应用电涡流传感器。

表5 汽轮机发电机组轴相对振动的限值（位移峰－峰值，单位μm）

极段 转速（r/min）

1500 1800 3000 3600

A 100 90 80 75

B 200 185 165 150

C 300 290 260 240

表6 汽轮机发电机组轴绝对振动的限值（位移峰－峰值，单位μm）

极段 转速（r/min）

1500 1800 3000 3600

A 120 110 100 900

B 240 220 200 180

C 385 350 300 290

有关轴承座与轴振动评定标准的几点说明：

⑴ 根据ISO2372及7919的规定，有以下两个准则应注意

准则一：在额定转速下整个负荷范围内的稳定工况下运行时，各轴承座和轴振动不超过某个规定的限值。

准则二：若轴承座振动或轴振动的幅值合格，但变化量超过报警限值的25％，不论是振动变大或者变小都要报警。因振动变化大意味着机组可能有故障，特别是振动变化较大、变化较快的情况下更应注意。

⑵ 根据我国情况，功率在50MW以下的机组一般只测量轴承座振动，不要求测量轴振动。功率在200MW以上的机组要求同时测量轴承座振动和轴振动。功率大于50MW、小于200MW的机组，要求测量轴承座振动，而在有条件情况下或在新机组启动及对机组故障分析时，则测量轴振动。

⑶ 轴承座振动与轴振动之间一般不存在一种固定的比例关系。这是因为两者振动与很多因素有关，如油膜参数，轴承座刚度，基础刚度等，一般可根据统计资料给出一个比例的变化

范围。根据ISO资料，机组轴振动与轴承座振动的比例一般为2~6。

德国工程师协会1981年颁布了《透平机组转轴振动测量及评价》，简称VDI—2059，将机组振动状态分为良好、报警、停机三个等级，分别采用三个公式计算，转化后得到的轴相对振动如表7所示。

表7 VDI-2059汽轮发电机组轴相对振动的限值（位移峰-峰值，单位μm）

转速（r/min）

1500 1800 3000 3600

良好 124 113 88 80

报警 232 212 164 150

停机 341 311 241 220

第五篇：超声振动磨削技术、

超声振动精密磨削技术的发展

1、引言

随着科学技术的进步，金属间化合物、工程陶瓷、石英、光学玻璃等硬脆材料以及各种增韧、增强的新型复合材料因其高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、耐腐蚀等优点在航空航天、国防科技、生物工程、计算机工程等尖端领域中的应用日益广泛；但由于这些材料的脆硬特性，传统加工方法已不能满足对这些材料零件的精密加工要求，因此有关其精密超精密磨削加工技术便成为世界各国研究的热点。超声振动精密磨削技术便是顺应这一需要而发展起来的技术之一。

超声振动磨削技术的基本原理为：由超声波发生器产生的高频电振荡信号（一般为16～25KHz）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，使刀具与工件之间形成周期性的切削。即工具砂轮在旋转磨削的同时做高频振动。

超声加工技术的经历了从传统超声波加工到旋转超声波加工的发展阶段，旋转式超声加工是在传统超声加工的工具上叠加了一个旋转运动。这种加工用水带走被去除的材料并冷却工具，不需要传统超声加工中的磨料悬浮液，因此，这种方法被广泛的运用于超声振动磨削加工中。

2、超声振动磨削技术发展回顾

1927 年，R.W.Wood 和 A.L.Loomis 就发表了有关超声波加工的论文，超声加工首次提出。

1945 年L.Balamuth 就申请了关于超声加工的专利。世纪 50～60 年代日本学者隈部淳一郎发表了许多对振动切削进行系统研究的论文，提出了振动切削理论，并成功实现了振动磨削等加工 [8]。

1960 年左右，英国 Hawell 原子能研究中心的科学家发明了新的超声磨削复合加工方法。超声振动磨削加工在难加工材料和高精度零件的加工方面显示了很大的优越性。

1986 年日本学者石川健一受超声电机椭圆振动特性启发，首次提出了“椭圆振动 [6]

切

削方法”（elliptical vibration cutting）。世纪 90 年代初，日本神户大学社本英二等人对超声椭圆振动切削技术进行了深入研究，其最具代表性的研究成果是利用金刚石刀具采用双激励双弯曲合成椭圆振动的方式对黑色金属淬火不锈钢进行精密车削，最小表面粗糙度可以达到 Ra0.0106um，不但解决了金刚石不能加工黑色金属的难题，而且使这项技术达到了实用化阶段。

20世纪50年代，在前苏联的影响下，我国进行了振动加工的初步应用研究工作，对超声振动磨削机理进行了探索研究。

1976年，我国再次开展超声加工的试验研究和理论探索。

1983年，我国机械电子工业部科技司委托《机械工艺师》杂志社在西安召开了我国第一次“振动与切削专题讨论会”。

1985 年前后机械电子工业部第 11 研究所研制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷、等硬脆材料的内外圆磨削等加工中取得了优异的工艺效果。

1987年北京市电加工研究所于研究成功了超硬材料超声电火花复合抛光技术。这项发明技术是世界上首次提出并实现采用超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术。与纯超声波研磨、抛光相比，效率提高5倍以上，并节约了大量的金刚石磨料。

80年代后期，天津大学李天基等人在高速磨削的同时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高了6倍以上，表面质量也有了大幅提高。

90年代后，超声振动作为一种新型的高新技术成为了科研机构和大学院校的研究热点，3、国内外研究现状

3.1超声振动磨削技术 国外 研究现状

1993年，美国堪萨斯州立大学D.Prabhakar等人提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率的理论模型，并试验证明了与普通磨削相同的条件下旋转超声加工工具具有低的切削力和相对高的材料去除率。

1996年东京大学的增泽隆久等人用超声激振方式在结构陶瓷材料上加工出了直径

为5µm的微孔。

1998年德国工业大学E.Uhlman、G.Spur等人在48届CIPR年会上提出在加工表面的法向施加超声振动，材料的去除率大大提高，并试验证明了在提高材料去除率的同时，并不会对表层造成损伤。

1999年，德国Kaiserslautern大学的G．Warnecke指出，在磨削新型陶瓷和硬 金属等硬脆材料时，磨削过程及结果与材料去除机理紧密相关。

美国内布拉斯加大学和内华达大学对Al2O3陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究。通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制进行分析，研究发现，低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕。美国内布拉斯加大学还第一次分析了Al2O3陶瓷精密超声加工的机理、过程动力学以及发展趋势，并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况。

巴西的研究人员对石英晶体的超声研磨技术进行了研究，发现石英晶体的材料去除率取决于晶体的晶向，研磨晶粒的尺寸影响材料去除率和表面粗糙度。研究指出，加工过程中材料产生微裂纹是材料去除的主要原因。

日本的吴勇波等人建立了超声振动辅助磨削的实验装置（装置如图 1-4）并研究了磨削不锈钢内孔时超声振动对表面粗糙度和切削力的影响，研究发现，当施加 19.2KHz 超声振动后，表面粗糙度可以减少 20％；法向力减少 65％，切向力减少 70％。

3.2超声振动磨削技术 国内 研究现状

国内众多知名院校均对超声振动加工方面进行了研究，超声振动磨削机理的研究在这一时期取得了一系列的理论成果。

哈尔滨工业大学的吴永孝、张广玉等人研制的超声波振动小孔内圆磨削系统在小孔磨削提高磨削效率和加工精度等方面取得了一定的成效，但其使用的磁致伸缩换能器发热大，需要加装制冷装置致使其结构复杂，且超声电能的供应采用的是碳刷集流环的传统供电方式。

河北工学院的李健中等人对超声振动磨削的材料去除机理、表面创成机理、表面粗糙度等进行了一系列的研究。利用自行研制的超声振动磨削装置使砂轮磨削的同时作轴向超声振动，通过试验得知，由于高频振动，砂轮不易堵塞，保持磨粒锋利性，提高了

磨削效率；磨削表面形成网状结构，加工表面质量较好。

1998 年前后兵器工业第五二研究所杨继先、张永宏等人通过对外圆磨床的改造进行了超声振动内圆磨削试验研究，验证了超声振动内圆磨削可明显地提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削产生的表面裂纹和崩坑的效果，提高磨削圆度。

1999年上海交通大学赵波等利用自行研制的超声振动珩磨机床对工程陶瓷发动机缸套类零件进行了超声振动磨削试验研究．加工表面微裂纹大幅度减少，加工效率和加工表面质量均得纠很大提高，加工工具耐用度比普通磨削提高至少3倍。

2000 年前后，天津大学于思远、刘殿通、李天基等人 [12] 对各种先进陶瓷小孔加工进行了系统研究，采用无冷压电陶瓷换能器制开发了一台陶瓷小孔超声波磨削加工机床，在工程陶瓷小孔磨削时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高 6 倍以上，表面质量也有大幅度提高。

南京航空航天大学对硬脆金属材料的超声电解复合加工工艺进行了实验研究。结果表明，该复合加工方法使加工速度、精度及表面质量较单一加工工艺有显著改善

东北大学庞楠研究了新型陶瓷材料的超声波复合磨削加工中砂轮堵塞及自锐性分析，砂轮修整方法及最佳砂轮修整程度的分析，提出超声振动磨削的最佳工艺参数[11]。

上海交通大学吴雁在陶瓷材料的超声加工方面进行了深入研究，研究了二维超声振动磨削陶瓷材料的脆-塑性转变机理、塑性去除机理、高效去除机理等相关的超声磨削机理，提出了微-纳米复合陶瓷二维超声振动表面变质层结构模型以及精密磨削复合陶瓷材料是塑性变形为主的去除方式,并且还进行了纳米复相陶瓷超声振动表面微观特性的研究，提出了在特定的磨削条件下，陶瓷材料纳米增韧改性和二维超声振动磨削技术相结合，可实现以非弹性变形为主要去除机理的超精密磨削表面[12][13]。

河南理工大学闫艳燕等进行了陶瓷材料的超声磨削机理和试验研究，分析了陶瓷材料二维超声振动研磨、磨削的去除机理和磨削表面创成机理以及硬脆材料的表面形成和破碎状况，并建立了相关的数学模型，得出了陶瓷材料脆—塑性转化的临界公式，以及超声磨削提高陶瓷材料表面质量的相关结论[15][16]。

山东大学张洪丽、张建华等研究了工件沿砂轮轴向、径向、切向三种超声振动条件下的磨削特性，分析了三种情况下的运动学、磨削力、材料去除机理及表面加工质量，建立了三种加工方式下的表面粗糙度的计算模型，并进行了实验研究。

北京航空航天大学和哈尔滨工业大学将超声振动引入普通聚晶金刚石(PCD)的研磨

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加工，显著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微观结构和去除机理的基础上，对PCD超声振动研磨机理进行了深入研究。研究指出，研磨轨迹的增长和超声振动脉冲力的作用是提高研磨效率的根本原因。

本人及团队在超声振动内圆磨削加工技术上取得了新的突破，通过在普通内圆磨削机床上添加超声振动内圆磨削磨头即可以实现超声内圆磨削，结构简单、成本低廉，并且采用了新型的回转式非接触超声波电能传输方式，解决了一直以来困扰众多学者的碳刷、集流环电能传输方式中存在的问题，并申请了一项有关非接触超声波电能传输的实用新型国家专利。

3.3超声振动磨削装置的研究进展

超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。超声振动磨削系统通常采用一维纵向（轴向）振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，随着超声技术基础研究的发展和在不同领域实际应用的特殊需要，对超声振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展，二维超声振动磨削系统也得到了研究和应用。

超声振动磨削系统依据换能器的振动方式可以分为两大类，单方向激励超声振动磨削系统和复合振动磨削系统。

日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。

日本还研制成一种新型“纵-弯”型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。该系统压电换能器也采用半圆形压电陶瓷片产生“纵-弯”型复合振动。

1994年日本多贺电气株式会社采用“纵一弯”型超声复合振动系统制成研磨机，用于放电加工后的模具沟槽侧壁研磨抛光。研磨工具做纵向振动和弯曲振动。研究结果表明，弯曲振动方向不同，可获得不同的研磨效果。

哈尔滨工业大学的吴永孝、张广玉等人研制的超声波振动小孔内圆磨削系统，在小

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孔磨削提高磨削效率和加工精度等方面取得了一定的成效，所用磁致伸缩换能器发热大，采用了加装制冷装置的方法解决冷却问题，但致使其结构复杂。

1996 年前后华北工学院辛志杰、刘刚通过对超声振动内圆磨削机理的探讨，研制了一套超声内圆磨削装置，在改善工件表面质量、提高生产率和内圆磨削系统结构设计上有了新的突破。

1997年英国研制了硬脆材料纳米磨削中心，可实现硬脆材料超声纳米表面加工；日本UNNO海野邦昭分别进行了工程陶瓷超声磨削的研究。多项研究结果表明：超声磨削陶瓷材料的加工效率可提高近一倍；当工具与工件上同时施加超声振动时，加工效率可提高2—3倍。

1997 年前后西北工业大学史兴宽等人研制了一种超声内圆磨削装置，此装置较专用超声磨床主轴系统结构简单，但因发热大而使用了冷却装置，这就使此超声磨头的结构显得复杂，虽然加工效率和加工质量有一定的提高，但其复杂的结构不利于推广使用。

2002年弗劳恩霍夫生产技术研究院研制出了新型超声研磨设备DMS 50，采用该设备对超声辅助磨削过程进行了技术性分析。并且，国外已研究出先进的超声振动主轴，其转速可达4000r／min至30，000r／min。可以实现加工过程中砂轮的振动，并使其转速达到传统磨削工艺的水平。

德国 Fraunhofer 研究中心和布莱梅大学精密工程中心采用非圆周对称结构在单纵振激励的条件下产生了 10:1 的椭圆振动，提高了刀具寿命，也保证了加工精度。另外新加坡制造技术研究所仿照德国研究人员的结构也制作除了超声椭圆振动切削不锈钢的装置。

天津大学于思远、刘殿通等人对各种先进陶瓷小孔加工进行了系统研究，采用无冷压电陶瓷换能器研制了一台陶瓷小孔超声波磨削加工机床，在工程陶瓷小孔磨削时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高6倍以上，表面质量也有大幅度提高[23]。

南京航空航天大学杨卫平、徐家文设计了用于加工三维型面的超声磨削装置，推导了用于数控加工的超声磨削装置变幅杆设计的数学模型，此装置采用电机直连进行旋转，电信号传输采用碳刷集流环的传输方式。

河南工业大学机电工程学院李华、殷振等人设计了超声波椭圆振动内圆磨削磨头，[24]

并在超声振动内圆磨削系统中采用了新型的回转式非接触超声波电能传输方式，解决了碳刷、集流环电能传输方式中存在的问题 [25]。

德国 DMG 公司和日本马扎克公司将超声振动头安装在加工中心上，进行了零件异形沟槽加工、内外圆磨削、平面磨削加工、以及导电陶瓷材料的超声振动磨削研究，取得良好效果，并已实现商业化生产应用。

在第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上，德国DMG公司展出了其新产品DMS35Ultrasonic超声振动加工机床，该机床主轴转速3 000～4 0000 r/min，特别适合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。与传统加工方式相比，生产效率提高5倍，加工表面粗糙度Ra＜0.2μm，可加工0.3 mm精密小孔，堪称硬脆材料加工设备性能的新飞跃。

图 1-2 德国 DMG 超声振动加工中心 图 1-3 德国 DMG 超声振动加工中心刀具

4、超声加工技术的发展趋势和未来展望

随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动切削技术的应用日益广泛，振动切削研究日趋深入，主要表现在以下几个方面。

(1)研制和采用新的刀具材料

在现代制造业中，钛合金、纯钨、镍基高温合金等难加工材料所使用的范围越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高。为了更好地发挥刀具的效能，除了选用合适的刀具几何参数外，在振动切削中，人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与研究上，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。

(2)高效稳定超声振动系统研究

现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高，因此，期待实用的大功率振动切削系统早日问世。到目前为止，输出能量为4 kW的振动切削系统已研制出来并投产使用。在日本，超声振动切削装置通常可输出功率1 kW，切削深度为0.01～0.06 mm。

(3)超声椭圆振动切削的研究与推广

超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英国、德国和新加波等国的大学以及国内的北京航空航天大学和上海交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和Towa公司等已开始这方面的实用化研究。但是，超声波椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部位和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步研究。

(4）微细超声加工技术

以微机械为代表的微细制造是现代制造技术中的一个重要组成部分，晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，使硬脆材料的高精度三维微细加工技术成为世界各国制造业的一个重要研究课题。目前可适用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形状，这决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有着得天独厚的优势。

随着东京大学生产技术研究所增泽研究室对微细工具的成功制作及微细工具装夹、工具回转精度等问题的合理解决，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5μm的微孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能。

超声加工技术在不断完善之中，正向着高精度、微细化发展，微细超声加工技术有望成为微电子机械系统(MEMS)技术的有力补充。

超声加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。

展望未来，超声加工技术的发展前景是美好的。

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图 1-5 超声椭圆振动切削出的镜面试件

当前普通磨削的加工精度大于1μm，表面粗糙度为Ra 0.16~1.25μm；精密磨削技术是指被加工零件加工精度达到1~0.5μm，表面粗糙度为Ra 0.04~0.16μm的加工技术。主要靠对砂轮的精细修整。超精密磨削的加工精度小于0.5~0.1μm，表面粗糙度Ra0.01~0.04μm。使用金刚石或CBN砂轮。适合于合金钢、陶瓷等硬脆材料的加工；用磨具进行磨削和用磨粒进行研磨和抛光时实现精密超精密磨削的主要途径。