超聲波加工硬脆材料的研究

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1、超聲波加工硬脆材料的研究　　工程陶瓷具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)良性能，廣泛用于機(jī)械、電子、宇航、汽車、冶金、化工等行業(yè)。由于工程陶瓷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[1]。近年來(lái)小孔加工出現(xiàn)了一些特種加工方法，包括電火花加工、電子束加工、激光加工、超聲波加工等[3-5]。其中，超聲波能在各種硬脆材料上打小孔，特別適合在寶石、陶瓷、玻璃及各種半導(dǎo)體材料上加工小孔[5]?！　∫?、超聲波加工的機(jī)理　　超聲波加工是利用超聲頻振動(dòng)的工具端面通過(guò)磨料去加工材料

2、的一種方法，當(dāng)工具為細(xì)絲或細(xì)管時(shí)就能加工出小孔。圖1為超聲波加工的原理圖(1—超聲波發(fā)生器、2—換能器、3—聚能器、4—變幅桿、5—磨料與磨料液、6—工具、7—工件)，加工時(shí)在工具和工件之間加入液體(水或煤油)和磨料混合的懸浮液，并使工具以一定的壓力P壓在工件上，超聲波換能器產(chǎn)生17~25kHz的超聲頻縱向振動(dòng)，并借助于變幅桿把振幅放大到~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

3、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)，迅速破壞材料表面，此時(shí)材料表面就會(huì)留下所需要的形狀。超聲磨削加工的材料必須是脆性的，在脆性材料表面產(chǎn)生的應(yīng)力不會(huì)因塑料流動(dòng)而分散，所以材料發(fā)生崩碎現(xiàn)象。反之，對(duì)于可延性材料，磨料有傾向于被吸收的趨勢(shì)，因而可能被去除的材料極微小。　　二、超聲波加工系統(tǒng)　　超聲波加工的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。在加工時(shí)，鋼針焊接、超聲波產(chǎn)生、打孔速度等均要控制恰當(dāng)，否則無(wú)法加工出質(zhì)量?jī)?yōu)良的微孔。因此必須做好下面幾點(diǎn)：(1)焊接好鋼針，焊接時(shí)可用

4、助焊劑(油)，除油、除銹，不應(yīng)有空氣間隙，采用高強(qiáng)度焊錫，使用酒精燈或50~75W的電烙鐵進(jìn)行焊接，焊點(diǎn)要求光滑；(2)選擇好磨料(金剛砂)，一般粒度粗加工速度快，粒度細(xì)加工精度高，金剛砂顆粒太細(xì)或金剛砂硬度太低及水沙比例不合適都會(huì)導(dǎo)致打孔速度低，一般水沙的比例為能流動(dòng)即可、不可太干；(3)安裝好工具頭，安裝時(shí)應(yīng)保持端面干凈，并用一定的力旋緊，換工具頭時(shí)應(yīng)關(guān)掉工作開(kāi)關(guān)，不可無(wú)工具頭運(yùn)轉(zhuǎn)；(4)調(diào)節(jié)好諧振狀態(tài)，將功率調(diào)整鈕(調(diào)諧鈕)順時(shí)針?lè)较蛐筋^，先開(kāi)電源開(kāi)關(guān)后開(kāi)工作開(kāi)關(guān)，這時(shí)電流表指示在小于5

5、0毫安左右(若大于70~100毫安可能是鋼針開(kāi)焊或松動(dòng))，再調(diào)整功率輸出鈕使電路諧振，電流表指示在30-50毫安，此時(shí)打孔針頭可使液體(水)霧化，電流過(guò)大輸出功率也大，可能會(huì)震斷針，可視加工深度調(diào)整輸出功率，若在打孔過(guò)程中，電流變大，打孔針頭又不能使水霧化，此時(shí)為失諧狀態(tài)，可能是針開(kāi)焊、震裂，重新焊接即可排除；(5)鋼針長(zhǎng)度在35~0mm內(nèi)效果最佳，打深孔時(shí)為得到加工速度，先保持在35~40mm之間，在打一段后換長(zhǎng)針可提高打孔速度和深度，換長(zhǎng)針后應(yīng)注意調(diào)整調(diào)諧，否則易斷針或震裂焊接處；(6)打孔

6、時(shí)應(yīng)掌握一個(gè)最佳靜壓力，用力太大或用力太輕都會(huì)影響加工速度。　　三、超聲波在硬脆材料中加工微孔的實(shí)驗(yàn)　　利用超聲波加工裝置在工程陶瓷上進(jìn)行了微孔加工實(shí)驗(yàn)，圖3是在陶瓷片上打出的一排微孔，陶瓷片厚度為2mm，　　小孔孔徑為，加工出來(lái)的微孔形狀規(guī)則、邊沿比較光滑。但在工具入口和出口端，工件材料會(huì)發(fā)生邊崩現(xiàn)象，尤其在出口處邊崩現(xiàn)象比較嚴(yán)重。入口崩邊是由于工具的進(jìn)給力和超生振動(dòng)使材料產(chǎn)生環(huán)狀裂紋，工具的磨削作用使整個(gè)裂紋上端脫落；出口崩邊是由于陶瓷材料抗拉強(qiáng)度很低，進(jìn)給力和超聲沖擊力使其沿環(huán)狀裂紋方向發(fā)

7、生斷裂?！　D4是利用超聲波打孔方法在玻璃片上打出的小孔，玻璃片厚度為3mm，小孔孔徑為。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，入口崩邊之所以發(fā)生是由于：工具的進(jìn)給力和超生振動(dòng)使材料產(chǎn)生環(huán)狀裂紋，工具的磨削作用使整個(gè)裂紋上端脫落；出口崩邊的原因是由于玻璃材料抗拉強(qiáng)度很低，進(jìn)給力和超聲沖擊力使其沿環(huán)狀裂紋方向發(fā)生斷裂。下面將對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行研究。　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲波加工硬脆瓷材料時(shí)，材料去除率隨靜載荷、工具振幅、磨粒直徑的

8、增加而增加；加工表面粗糙度隨工具振幅、磨粒直徑的增大而增加，隨靜壓力的增大而降低。　　[1]張祖軍,陳奎儒,劉繼光等.深小孔特種加工[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,XX,6:20-22.　　[2]張?jiān)?電火花加工控制技術(shù)的新發(fā)展[J].機(jī)電工程,1995,1:54-57.　　[3]李又生.深孔激光加工研究[J].激光技術(shù),1998,22(2):98-102.　　[4]宋宜梅,李少華,鐘慶華.電子束技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].廣西機(jī)械,XX,01:17-20.　　[5]王軍,萬(wàn)珍平.基于玻璃小孔的超聲