【正文】 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 . 磨料選擇 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 3 280、 2 100。 工具的振幅與頻率的選擇 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，因此一般使用振幅為 ～ 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，振幅為 ，頻率為 15kHz。 加工壓力的選擇 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)，其靜壓力約為 ，當(dāng)加工面積在 20mm178。以上時(shí)，最佳靜壓力約為 ～ 。加工的工具頭是直徑 9 mm 的空心工具，其內(nèi)圓直徑為 8mm。則其加工面積是 mm178。，故其最佳加工壓力選為 — 。 磨料懸浮液濃度的參數(shù)選擇 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，襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）報(bào)告紙 19 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 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。通常采用的濃度為磨料對(duì)水的質(zhì)量比約為 ～1左右。在加工中，磨料與水的比為 ： 1，即磨料懸浮液的濃度為 ％。 加工效果與缺陷 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 (見(jiàn) 圖 )，尤其在出口處邊崩現(xiàn)象特別嚴(yán)重。 圖 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。 可采取如下措施：①在進(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(kāi)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。 襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）報(bào)告紙 20 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 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想，采用分層去除方法加工硬脆材料，具有工具 制作簡(jiǎn)單，工具與工件問(wèn)宏觀作用力小，工具損耗能夠得到補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維輪廓的加工等特點(diǎn)，是具有開(kāi)發(fā)前景的超聲波加工技術(shù)。 超聲波銑削加工的原理與特點(diǎn) 在超聲波銑削加工中，工具在超聲波高頻振動(dòng)的同時(shí)，還做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在 CNC系統(tǒng)的控制下，每層做 X、 Y兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。磨料顆粒在工具三種運(yùn)動(dòng)的綜合 作用下，不斷地錘擊、沖擊、拋磨和刮擦硬脆材料的工件表面。 當(dāng)工具、磨粒和工件沒(méi)接觸的時(shí)候，材料的去除主要是靠磨粒沖擊作用，工具的旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的作用比較弱：而當(dāng)三者接觸后，磨粒直接作用于工件表面上，隨著加工的進(jìn) 行， 一部分磨粒由于工具壓力的作用，使之壓入工具中，露出的部分刻劃工件的表面，在工 具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的作用下，劃過(guò)圓形軌跡，在工件表面形成弧形凹痕。另一部分磨粒則在工 件與工具之 間 發(fā)生滾動(dòng)，產(chǎn)生滾軋效果，使工件表面產(chǎn)生微裂紋，裂紋擴(kuò)展后使工件表面產(chǎn)生脆性崩碎形成切屑。 同時(shí)，工具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)也在工具、磨粒及工件接觸時(shí)作用較強(qiáng)，在未接觸時(shí)作用較弱。由于硬脆材料的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小，對(duì)磨粒加壓時(shí)，就在硬脆材料加工表面的 拉伸應(yīng)力最大部位產(chǎn)生微裂紋，工具的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展。當(dāng)縱橫交錯(cuò)的裂紋擴(kuò)展并相互交叉時(shí)，受 裂紋包圍的部分就會(huì)破裂并崩離出小碎塊來(lái)。這就是 硬脆材料銑削加工時(shí)切削生成和表面形成的基本過(guò)程。 由以上分析可以看出，超聲波銑削加工中也同時(shí)具有以下三種材料去除機(jī)理： 1. 沖擊：隨著工具的旋轉(zhuǎn)，工具端面的磨料顆粒沖擊加工表面的不同地方 ； 2. 磨蝕：工具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及工具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使磨料顆粒在工件的表面刮擦出微小溝槽 ； 3. 超聲波空化作用。 因此，我們可將整個(gè)加工過(guò)程分為兩個(gè)階段考慮： 當(dāng)工具、磨粒、工件三者不 接觸時(shí)，只考慮超聲波振動(dòng)，忽略工具旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響 ； 襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）報(bào)告紙 21 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 當(dāng)工具、磨粒、工件三者接觸后，考 慮超聲波振動(dòng)、工具旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的綜合作用。超聲波銑削加工中總的材料去除率為兩部分去除材料之和，其中第一部分中的材料去除較少，第二部分的 去除為主要的去除方式。 超聲 銑削 機(jī)床 超聲波加工時(shí)，工具與工件問(wèn)作用力很小，加工機(jī)床只需實(shí)現(xiàn)工具的工作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及調(diào)整工具與工件間相對(duì)位置的運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)床構(gòu)造較簡(jiǎn)單，一般包括支撐振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)架、工作臺(tái)面、進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及床身等部分。國(guó)產(chǎn) CSJ2型超聲加工機(jī)床是其中的代表產(chǎn)品，如圖 所示。其振動(dòng)系統(tǒng)安裝在一根能上下移動(dòng)的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌由上下兩組滾動(dòng)導(dǎo)輪定位，使導(dǎo)軌能靈活 可靠地上下移動(dòng)。工具的向下進(jìn)給以及對(duì)工件施加壓力靠振動(dòng)系統(tǒng)自重，為了能調(diào)節(jié)壓力大小，在機(jī)床后面有可加減的平衡重錘，除此之外，還有重錘杠桿加載、彈簧夾載、液壓或氣壓加載等加壓方式。 圖 國(guó)產(chǎn) CSJ一 2型超聲加工機(jī)床 超聲波銑削加工中材料去除率模型 超聲波加工中，大量的自由磨粒在工具的超聲振動(dòng)下不斷的沖擊工件，每個(gè)磨粒可以看作一個(gè)小壓頭，其壓痕形式和形成的橫向裂紋環(huán)如圖 。 超聲波銑削加工中工 具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)做超聲振動(dòng)時(shí)，情況將與傳統(tǒng)超聲振動(dòng)襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）報(bào)告紙 22 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 不同。壓痕的形式及工件中產(chǎn)生的裂紋如下：當(dāng)工具回退進(jìn)入 下一 個(gè) 推動(dòng)磨料沖擊工件的循環(huán)時(shí)，工具旋轉(zhuǎn)到一個(gè)新的位置，工具端面下磨料顆粒也相應(yīng)發(fā)生滑動(dòng)和滾動(dòng)。因此一個(gè)工具沖擊周期中產(chǎn)生的壓痕大部分與上個(gè)周期的壓痕重疊在一起。由于壓痕作用形成的橫向裂紋環(huán)被兩個(gè)環(huán)所包圍，從而造成切削區(qū)大量的刮擦，導(dǎo)致材料的去除。 圖 為了建立材料去除率模型，可以假設(shè)工件材料為理想的脆性材料，材料去除為脆性斷裂方式：所有磨料顆粒尺寸一致，在懸浮液中 均勻分布，且在每一個(gè)超聲振動(dòng)循環(huán)內(nèi)所有的磨粒都參與切割，超聲波振幅、頻率、工其直徑不變，不考慮加工過(guò)程中工具的損耗。在研究單顆磨粒與工件的相互作用的基礎(chǔ)上，給出單顆磨粒在一個(gè)振動(dòng)循環(huán)內(nèi)去除的材料體積，然后計(jì)算出所有磨粒去除材料之和為整個(gè)過(guò)程的材料去除率。 磨料顆粒在工具端面超聲波振動(dòng)下沖擊工件表面，在工件表面形成壓痕，每個(gè)壓痕導(dǎo)致距工件表面深度為 Ch的環(huán)形橫向裂紋，當(dāng)橫向裂紋擴(kuò)展到工件表面或兩相鄰的橫向裂紋相遇時(shí)，一層厚為 Ch的工件材料被去除 。 超聲波銑削加工中磨粒受力分析 ： 在超聲波銑削加工中，工具上下運(yùn) 動(dòng)，同時(shí)作同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工具端面相對(duì)于平衡 位置做振幅為 A，頻率為廠的正弦波運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程為 y(t)=Asin(2π ft)，工具端面的 磨料顆粒在工具的推動(dòng)下做振幅一致的正弦運(yùn)動(dòng)，如圖 。 襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）報(bào)告紙 23 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 工具端面的振動(dòng)狀態(tài) 在實(shí)際超聲波加工中，工具頭自振幅最高點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)，在 a時(shí)刻接觸到磨料顆粒，推動(dòng)磨粒向下運(yùn)動(dòng)，在 b時(shí)刻磨粒到達(dá)其最低位置，由于工件的阻力作用，磨粒能到達(dá) 最大沖擊深度 6處。隨后工具做反方向運(yùn)動(dòng)，在 c時(shí)刻工具與磨粒脫離接觸。因此，由于工具的上下振動(dòng)，在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，僅部分時(shí)間內(nèi)工 具、磨粒及工件發(fā)生接觸，使 磨粒沖擊、刮擦工件表面。用 △t 表示一個(gè)周期內(nèi)工件與工具的接觸時(shí)問(wèn)，在 △t／ 2(點(diǎn) ab)時(shí)間內(nèi)工具端面位移從 Y=Aδ 變化為 Y— A，則 △t 值可由下式近似計(jì)算： 根據(jù)大連理工大學(xué)教授馮冬菊在《超聲波銑削加工材料去除率的理論模型》的研究，超聲波銑削加工 中考慮工具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后的材料去除率 MRR為 ： HKdFAMCSRR RCn2/14/32226)1a r c s i n (21????????????????????????? (43) 其中 ξb為比例常數(shù)， ξ為每個(gè)振動(dòng)循環(huán)中磨粒最大的沖擊深度。 F為加工靜壓 力，d為磨粒直徑 , n 為工轉(zhuǎn)速度 ， H 為超聲振動(dòng)頻率 。 由上式可以看出，隨著加工靜壓力、磨粒直徑、工具轉(zhuǎn)速、超聲波振動(dòng)頻率等加工參數(shù)增加，材料去除率增加。該公式的推導(dǎo)過(guò)程中只考慮了工具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，假設(shè)工具、 磨粒和工件三者接觸后，磨粒的轉(zhuǎn)速與工具轉(zhuǎn)速一致，而實(shí)際超聲波銑削加工中，由于磨料顆粒與工具問(wèn)并不是剛性連接，磨粒相對(duì)于工具存在滑動(dòng)和滾動(dòng)，該公式還應(yīng)乘以 一個(gè)小于 l的比例系數(shù)或減小 比例 系數(shù)才與實(shí)際加工過(guò)程比較符合。 公式 (43)中沒(méi)有考慮機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工件材料主 要是由于工具端面擊打工作液中的磨料顆粒沖擊、劃擦工件表面而被去除的。雖然從理論上說(shuō)由于機(jī)床的的進(jìn)給，磨 粒與工件問(wèn)的實(shí)際滑動(dòng)距離較小，但由于合成力的存在，工件受到的磨粒前進(jìn)方向的應(yīng)力增大，為裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展提供了有利條件，從而使得脆性材料的裂紋產(chǎn)生與襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）報(bào)告紙 24 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 擴(kuò)展可能性增加，使材料去除率變大。所以說(shuō)機(jī)床進(jìn)給是超聲波銑削加工材料去除的一個(gè)不可 忽視的因素。 當(dāng)考慮機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，工具端面下的磨粒就具有三種運(yùn)動(dòng)形式：隨工具的超聲波 振動(dòng)、隨工具的轉(zhuǎn)動(dòng)、由于機(jī)床的進(jìn)給與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 那么， 根據(jù)大連理工大學(xué)教授馮冬菊在《超聲 波銑削加工材料去除率的理論模型》的研究， 當(dāng)振動(dòng)頻率為 f、工具轉(zhuǎn)速為n，整個(gè)工具端面下所有有效磨粒