【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 料，并通過(guò)磨料的“嵌入”作用，使脆性材料表面脆裂、脫落。因而它不適宜加工塑性材料?，F(xiàn)有的各種以機(jī)械加工為主的研磨方法，則是以磨粒在工件表面的滾壓和摩擦為主要的加工手段。由此可知，超聲研磨和超聲波加工及現(xiàn)有研磨方法有著本質(zhì)的區(qū)別，是一種新的超精密研磨方法。 超聲波研磨的裝置: 引入超聲波的機(jī)械復(fù)合研磨裝置 該裝置主要分為三大部分：研磨機(jī)系統(tǒng)、超聲振動(dòng)系統(tǒng)和夾具及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。該裝置的原理：連接器安裝在夾具上，一次裝夾4～12個(gè)，對(duì)稱安裝；換能器6接收超聲電信號(hào)并轉(zhuǎn)換為機(jī)械波，超聲波經(jīng)過(guò)變幅桿3放大后傳遞到夾具2，最后經(jīng)連接器的插芯傳遞到連接器1的端面與研磨介質(zhì)15之間的界面上；研磨盤14在電機(jī)11和12的驅(qū)動(dòng)下能同時(shí)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度無(wú)級(jí)可調(diào)；研磨的壓力通過(guò)加載裝置16進(jìn)行調(diào)整；夾具與研磨盤的平行度由調(diào)整套5與高度調(diào)整環(huán)9實(shí)現(xiàn)，調(diào)整時(shí)另有一個(gè)專用的對(duì)刀塊。超聲波的引入大大提高了材料去除率，主要原因有以下幾個(gè)方面：首先，超聲波的引入使夾具帶動(dòng)插針體作高頻振動(dòng)，單位時(shí)間內(nèi)磨料相對(duì)于工件表面的運(yùn)動(dòng)軌跡與單一的機(jī)械研磨相比變長(zhǎng)，研磨的線速度大大提高，極其有利于實(shí)現(xiàn)延性磨削；其次，超聲波機(jī)械復(fù)合研磨時(shí)，工件沿加工平面產(chǎn)生切向振動(dòng)，可以形成一種特殊的耕犁效應(yīng)（）；再次，研磨時(shí)在加工界面上的研磨液產(chǎn)生空化效應(yīng)。當(dāng)超聲能引入研磨界面后，加工界面的液膜在疏松相和壓縮相之間交替變化，在疏松相時(shí)液體內(nèi)壓急劇降低，產(chǎn)生大量蒸汽氣泡。富集在材料表面的氣泡在瞬間爆裂，產(chǎn)生數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)大氣壓的局部液壓沖擊波，與上述的耕犁效應(yīng)協(xié)同作用，有效去除工件表面的突出體。（） 交錯(cuò)耕犁及空化效應(yīng)示意圖第三章 超聲波深小孔加工眾所周知，在相同的要求及加工條件下，加工孔比加工軸要復(fù)雜得多。一般來(lái)說(shuō)，孔加工工具的長(zhǎng)度總是大于孔的直徑，在切削力的作用下易產(chǎn)生變形，從而影響加工質(zhì)量和加工效率。特別是對(duì)難加工材料的深孔鉆削來(lái)說(shuō)，會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。例如，切削液很難進(jìn)入切削區(qū)，造成切削溫度高；刀刃磨損快，產(chǎn)生積屑瘤，使排屑困難，切削力增大等。其結(jié)果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具壽命短。采用超聲加工則可有效解決上述問(wèn)題。由于小孔加工直徑很小，在很多情況下孔深與孔徑之比遠(yuǎn)大于10，所以小孔加工通常也是深孔加工。在工藝上，小孔加工被認(rèn)為是最困難的加工之一，國(guó)內(nèi)外一直十分關(guān)注，并始終在探索中。探索新的加工方法，改善硬脆材料的可加工性，最終提高產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率這一客觀需要推動(dòng)了超聲加工技術(shù)的發(fā)展。小深孔加工一直是孔加工中的難題, 并且隨著各種高性能、難加工材料的不斷出現(xiàn)和日益廣泛應(yīng)用傳統(tǒng)鉆削工藝愈顯出其極大的局限性: (1) 鉆頭細(xì)長(zhǎng)、剛性差、入鉆定位精度差； (2) 容易鉆偏孔的直線度低；(3) 生產(chǎn)效率低等。金屬和非金屬硬脆材料的使用越來(lái)越廣泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨損、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易氧化、腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于工程陶瓷等難加工材料具有極高的硬度和脆性，其成形加工十分困難，特別是成形孔的加工尤為困難，嚴(yán)重阻礙了應(yīng)用推廣。因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者展開了對(duì)難加工材料加工方法的研究，其中以超聲加工較多。超聲波加工是利用工具作超聲頻振動(dòng),通過(guò)磨料懸浮液加工材料。加工時(shí)，在工具6和工件7之間加入液體(水或煤油)和磨料混合的懸浮液1，并使工具以一定的壓力P壓在工件上。超聲波換能器4 產(chǎn)生17～ 25kHz 的超聲頻縱向振動(dòng), ～ 驅(qū)動(dòng)工具振動(dòng)，迫使工作液中的磨粒以很高的速度和加速度不斷地撞擊、拋磨被加工表面，把加工區(qū)的材料粉碎成很細(xì)的微粒從材料上去除。同時(shí)工作液受工具端面的超聲振動(dòng)作用而產(chǎn)生的高頻變液壓沖擊波和空化作用，促使磨料懸浮液滲透到被加工材料的微裂縫內(nèi)，進(jìn)一步提高了材料去除效果。 超聲波鉆削示意圖1. 磨料液　2 .變幅桿　3 . 聚能器　　　　超聲振動(dòng)鉆削是近代出現(xiàn)的一種先進(jìn)的切削加工方法，它是在傳統(tǒng)的鉆削過(guò)程中給鉆頭(或工件)加上有規(guī)律的高頻振動(dòng)，在優(yōu)化切削參數(shù)的條件下，改善了鉆削性能，提高了加工精度。振動(dòng)方式主要有3種： ①縱向振動(dòng)； ②扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；③縱扭復(fù)合。其中縱向振動(dòng)最易于實(shí)現(xiàn)，在振動(dòng)鉆削中占主導(dǎo)地位。，振動(dòng)鉆削過(guò)程中，并不是利用整個(gè)周期，而是在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行切削，刀具在很小的位移上產(chǎn)生很大瞬時(shí)速度和加速度，在局部產(chǎn)生很高的能量，對(duì)工件作沖擊作用。 振動(dòng)鉆削機(jī)理超聲振動(dòng)鉆削由于其特殊的切削機(jī)理引起諸多專家學(xué)者的重視。幾十年來(lái), 國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)超聲振動(dòng)鉆削做了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作, 許多實(shí)驗(yàn)和研究結(jié)果都表明, 振動(dòng)鉆削可明顯提高入鉆的定位精度及孔的尺寸精度、表面質(zhì)量, 降低切削力和切削溫度, 延長(zhǎng)鉆頭壽命。超聲振動(dòng)鉆削技術(shù)的出現(xiàn)為解決小深孔鉆削問(wèn)題提供了一個(gè)很好的途徑。超聲波加工是利用超聲頻振動(dòng)的工具端面，通過(guò)磨料懸浮液去加工材料的一種工藝方法。當(dāng)工具為細(xì)絲或細(xì)管時(shí)，就能加工出小孔。超聲加工能在各種硬脆材料上打小孔，特別是適于在寶石，陶瓷，玻璃及各種半導(dǎo)體材料上加工小孔。比電火花加工的精度高、表面粗糙度好。，且表面無(wú)殘余應(yīng)力、燒傷等不良現(xiàn)象。，為提高加工效率，采用雙鉆頭設(shè)計(jì)，兩鉆頭間距離為110mm。超聲波加工機(jī)主要運(yùn)動(dòng)是主軸箱的Z 軸運(yùn)動(dòng)和工作臺(tái)的X、Y 運(yùn)動(dòng)。采用滾珠絲杠傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)，特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高（可達(dá)90%），起動(dòng)力矩小，傳動(dòng)靈活平穩(wěn)，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆運(yùn)動(dòng)效率相同，可實(shí)現(xiàn)逆?zhèn)鲃?dòng)。預(yù)緊后剛度好，定位精度高（重復(fù)定位精度高）。加工時(shí)由主軸箱內(nèi)的電機(jī)經(jīng)過(guò)齒輪傳遞，同時(shí)帶動(dòng)兩個(gè)超聲鉆頭做同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。主軸箱中的刀具運(yùn)動(dòng)是由兩部分的運(yùn)動(dòng)合成的：1. 主軸傳過(guò)來(lái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；2. 聲加工系統(tǒng)產(chǎn)生的垂直方向的振動(dòng)。這個(gè)振動(dòng)是由超聲換能器產(chǎn)生的4～10um 的振幅，再經(jīng)過(guò)變幅桿振幅放大到10～100um。然后有變幅桿帶動(dòng)用螺紋連接在它上面的研磨刀具一起振動(dòng)。刀具運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)主軸箱的Z 軸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工。在加工過(guò)程中由于工藝的要求，需要通過(guò)控制主軸箱的Z軸的運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到在加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)恒定進(jìn)給力。： 細(xì)長(zhǎng)孔超聲波加工機(jī)示意圖加工過(guò)程中，工具受到磨料的作用，產(chǎn)生縱向和橫向磨損，這將直接影響加工精度和加工速度。工具縱向磨損大小，主要決定于工具和工件材料的性質(zhì)。工具橫向磨損還與工具橫向振動(dòng)大小和工具截面形狀有關(guān)。此外，工具縱、橫向磨損的不均勻性與磨料懸浮液供給和循環(huán)流動(dòng)的不均勻有很大關(guān)系。通常，換能器和變幅桿的長(zhǎng)度按半波長(zhǎng)整數(shù)倍疊加。這時(shí)，鉆頭的長(zhǎng)度應(yīng)滿足指定的要求，不能變化太大，否則會(huì)導(dǎo)致鉆頭端部振幅明顯減弱。因此，當(dāng)鉆頭磨損較大時(shí)，就需要更換鉆頭。當(dāng)加工很深的小孔時(shí)，鉆頭長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于要求的孔深，因此會(huì)給鉆頭的制作增加困難。因此刀具的制作和改進(jìn)需滿足以下條件：①金剛石刀具材料；②立方氮化硼刀具材料。根據(jù)加工材料光學(xué)玻璃硬度強(qiáng)，脆性較大的特性，本研究選擇聚晶金剛石(PCD)作為加工刀具的材料。聚晶金剛石(PCD)與同類金剛石切削刀具材料相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：①晶粒呈無(wú)序排列，各向同性，無(wú)解理面。因?yàn)樗幌翊髥谓饎偸菢釉诓煌嫔系膹?qiáng)度、硬度以及耐磨性有很大的差別；②具有特別高的強(qiáng)度，較高的抗沖強(qiáng)度，在沖擊較大的時(shí)候只會(huì)產(chǎn)生小晶粒破碎，而不會(huì)像單金剛石那樣大塊崩缺；③可制取大塊PCD刀具坯料，滿足大型加工刀具的需要。耐磨性是衡量聚晶金剛石刀具的一個(gè)重要指標(biāo)，它綜合反映了PCD的硬度、強(qiáng)度和斷裂韌性等指標(biāo)。PCD材料的耐磨性首先取決于PCD材料本身的微觀結(jié)構(gòu)和組成，金剛石結(jié)合界面程度越高，刀具的耐磨性越高；鈷含量愈低，其分布越均勻，刀具的耐磨性越高。同時(shí)還與聚晶金剛石的晶粒大小密切相關(guān)。抗彎強(qiáng)度通常是通過(guò)三點(diǎn)彎曲試樣的TRS值(邊際替代率)來(lái)評(píng)估的。對(duì)于細(xì)小晶粒尺寸，強(qiáng)度遵循HallPetch強(qiáng)度關(guān)系：式中一斷裂強(qiáng)度，MPa；一常數(shù)；d一平均晶粒尺寸，μm。沿直徑方向方向的壓縮性能(抗張強(qiáng)度)可由下式?jīng)Q定：式中—最大張應(yīng)力/MPa；—開列時(shí)的載荷/MN；D—試樣直徑/mm；t—試樣厚度/mm。若刀具選用長(zhǎng)度為80 mm，直徑可按下式計(jì)算：式中，D一工具直徑；d一工件孔徑；一所用磨料磨粒的平均直徑。鉆削加工微晶玻璃的刀具選用表面電鍍金剛石的硬質(zhì)合金鋼。如果C=5106mm／s，頻率f=20 kHz，那么波長(zhǎng)λ=c/f=5106/20103=250mm。則：λ／2=125 mm。因此，根據(jù)加工工件的孔深，選用長(zhǎng)度為125 mm的刀具。超聲波的機(jī)械振動(dòng)經(jīng)變幅桿放大后傳給工具，使磨粒和工作液以一定的能量沖擊工件，并加工出一定的尺寸和形狀。工具的形狀和尺寸決定于工件表面的形狀和尺寸，兩者相差一個(gè)“加工間隙”(稍大于平均的磨粒直徑)。當(dāng)工件表面積較小或批量較少時(shí)，使工具和變幅桿成為一個(gè)整體，否則可將工具用焊接成螺紋聯(lián)結(jié)等方法固定在變幅桿下端。當(dāng)工具不大時(shí)，可以忽略工具對(duì)振動(dòng)的影響，但當(dāng)工具較重時(shí)，會(huì)減低振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率；工具較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)對(duì)變幅桿進(jìn)行修正，以滿足半個(gè)波長(zhǎng)的共振條件。整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)接部分應(yīng)緊密接觸，否則超聲波傳遞過(guò)程中將損失很大能量。在螺紋聯(lián)接處應(yīng)涂以凡士林油，絕不可存在空氣間隙，因?yàn)槌暡ㄍㄟ^(guò)空氣時(shí)會(huì)很快衰減。換能器、變幅桿或整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)選擇在振幅為零的駐波節(jié)點(diǎn)。按照波動(dòng)的合成原理，當(dāng)系統(tǒng)處在共振狀態(tài)時(shí)，只有在此駐波節(jié)點(diǎn)平面內(nèi)，從單方向入射波和反方向反射波引起的質(zhì)點(diǎn)位移恰好大小相等，方向相反，其合成位移始終為零。例如換能器長(zhǎng)度1/2處的中間截面上的任何點(diǎn)，即為靜止不動(dòng)的波節(jié)點(diǎn)，以后向兩端處振幅即逐漸增大，到換能器與變幅桿交界面上振幅為最大，稱波腹點(diǎn)。以后振幅又逐漸減小再次出現(xiàn)波節(jié)點(diǎn)，到工具端面處再次出現(xiàn)振幅更大的波腹點(diǎn)。整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)選擇波節(jié)點(diǎn)支承固緊在機(jī)床上。在超聲波加工中，工具在縱向和橫向都會(huì)磨損，工具端面的磨損是主要的，側(cè)面的磨損僅占全部磨損的l/10。這樣，不僅直接影響加工速度和加工精度，而且會(huì)破壞振動(dòng)系統(tǒng)的共振條件，降低加工效率。工具磨損量的大小，主要取決于工具材料、結(jié)構(gòu)和工件材料。 超聲波加工深小孔的實(shí)際應(yīng)用—對(duì)玻璃小孔的鉆削加工.超聲波振動(dòng)加工技術(shù)，是利用超聲波發(fā)生器一換能器一變幅桿一模具頭的振動(dòng)，帶動(dòng)工作液中的磨料振動(dòng)，在玻璃上產(chǎn)生空化、拋磨等作用，而實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃進(jìn)行加工。所以在加工中，磨料的作用很大，有必要對(duì)磨料進(jìn)行選擇與分析。磨料硬度越高，加工速度越快，但要考慮成本。加工金剛石和寶石等超硬材料時(shí)必須用金剛石磨料；加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等高硬脆性材料時(shí)，宜采用硬度較高的碳化硼磨料；加工硬度不高的脆硬材料時(shí)，可用碳化硅磨料。加工中選擇了4種不同粒度的碳化硅作為磨料，磨料與水的混合液作為工作液。碳化硅的目數(shù)分別為3280、2100。 過(guò)大的振幅和過(guò)高的頻率會(huì)使工具和變幅桿承受很大的內(nèi)應(yīng)力，可能超過(guò)其疲勞強(qiáng)度而縮短使用壽命，而且聯(lián)接處的損耗也增大，～ mm，頻率為16～25kHz。加工所用的NPI15008000超聲波打孔機(jī)，其超聲振幅與頻率都是恒定的，頻率為15kHz。加工時(shí)工具對(duì)工件應(yīng)有一個(gè)合適的進(jìn)給壓力，壓力過(guò)小，則工具末端與工件加工表面間的間隙增大，從而減弱了磨料對(duì)工件的撞擊力和打擊深度；壓力過(guò)大，會(huì)使工具與工件間隙減小，磨料和工作液不能順利循環(huán)更新，都會(huì)降低生產(chǎn)率。一般而言，加工面積小時(shí)，單位面積最佳靜壓力可較大。例如采用圓形實(shí)心工具在玻璃上加工小孔時(shí)，加工面積在513mm178。范圍內(nèi)，當(dāng)加工面積在20mm178。以上時(shí)，～。加工的工具頭是直徑9 mm的空心工具，其內(nèi)圓直徑為8mm。 mm178。，—。磨料懸浮液濃度低，加工間隙內(nèi)的磨粒就少，特別是加工面積和深度較大時(shí)可能造成加工區(qū)局部無(wú)磨料的現(xiàn)象，使加工速度大大下降。隨著懸浮液中磨料濃度的增加，加工速度也提高。但濃度太高時(shí)，磨料在加工區(qū)域的循環(huán)運(yùn)動(dòng)和對(duì)工件的撞擊運(yùn)動(dòng)受到影響，又會(huì)導(dǎo)致加工速度的降低?！?左右。在加工中，：1，％。超聲波振動(dòng)磨削加工，一個(gè)很難避免的問(wèn)題是工具入口和出口端的工件材料會(huì)發(fā)生邊崩現(xiàn)象()，尤其在出口處邊崩現(xiàn)象特別嚴(yán)重。 加工效果圖這是由于在超聲振動(dòng)作用下，工具頭的內(nèi)空有一股很大的氣流往下流動(dòng)，能加強(qiáng)力aT時(shí)工具頭與工件間隙的磨料流動(dòng)。但當(dāng)加工結(jié)束時(shí)，這股氣流卻又使磨料往下流動(dòng)，造成工具頭與工件間的磨料減少，工具頭繼續(xù)振動(dòng)時(shí)易使工件的出口快速震破，以致工件加工出口端的邊崩范圍明顯增大。為避免出現(xiàn)嚴(yán)重邊崩的現(xiàn)象發(fā)生?？刹扇∪缦麓胧孩僭谶M(jìn)行超聲加工時(shí)，在工件下面墊一塊柔軟的墊片，墊片的作用既可起到減振作用，又可保證在加工過(guò)程中工件不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，改善了邊崩的情況；②在加工開始和臨結(jié)束時(shí)，適當(dāng)減少進(jìn)給壓力，以磨削作用為主進(jìn)行加工。第四章 超聲波銑削加工超聲波銑削是一種新興的超聲波加工工藝，它利用簡(jiǎn)單形狀工具，基于快速原型中分層制造思