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超声波加工硬脆材料

   工程陶瓷具有强度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能,广泛用于机械、电子、宇航、汽车、冶金、化工等行业。由于工程陶瓷具有极高的硬度和脆性,其成形 加工十分困难,特别是成形孔的加工尤为困难[1]。近年来小孔加工出现了一些特种加工方法,包括电火花加工、电子束加工、激光加工、超声波加工等 。其中,超声波能在各种硬脆材料上打小孔,特别适合在宝石、陶瓷、玻璃及各种半导体材料上加工小孔。

一、超声波加工的机理

超声波加工是利用超声频振动的工具端面通过磨料去加工材料的一种方法,当工具为细丝或细管时就能加工出小孔。超声波加工的原理图(1—超声波发 生器、2—换能器、3—聚能器、4—变幅杆、5—磨料与磨料液、6—工具、7—工件),加工时在工具和工件之间加入液体(水或煤油)和磨料混合的悬浮液, 并使工具以一定的压力P压在工件上,超声波换能器产生17~25kHz的超声频纵向振动,并借助于变幅杆把振幅放大到0.01~0.02mm驱动工具振 动,迫使工作液中的磨粒以很高的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面,把加工区的材料粉碎成很细的微粒从材料上去除。同时工作液受工具端面的超声振动 作用而产生的高频变液压冲击波和空化作用,促使磨料悬浮液渗透到被加工材料的微裂缝内,迅速破坏材料表面,此时材料表面就会留下所需要的形状。超声磨削加 工的材料必须是脆性的,在脆性材料表面产生的应力不会因塑料流动而分散,所以材料发生崩碎现象。反之,对于可延性材料,磨料有倾向于被吸收的趋势,因而可 能被去除的材料极微小。

二、超声波加工系统

超声波加工的实验装置如图2所示。在加工时,钢针焊接、超声波产生、打孔速度等均要控制恰当,否则无法加工出质量优良的微孔。因此必须做好下面几点: (1)焊接好钢针,焊接时可用助焊剂(油),除油、除锈,不应有空气间隙,采用高强度焊锡,使用酒精灯或50~75W的电烙铁进行焊接,焊点要求光滑; (2)选择好磨料(金刚砂),一般粒度粗加工速度快,粒度细加工精度高,金刚砂颗粒太细或金刚砂硬度太低及水沙比例不合适都会导致打孔速度低,一般水沙的 比例为能流动即可、不可太干;(3)安装好工具头,安装时应保持端面干净,并用一定的力旋紧,换工具头时应关掉工作开关,不可无工具头运转;(4)调节好 谐振状态,将功率调整钮(调谐钮)顺时针方向旋到头,先开电源开关后开工作开关,这时电流表指示在小于50毫安左右(若大于70~100毫安可能是钢针开 焊或松动),再调整功率输出钮使电路谐振,电流表指示在30-50毫安,此时打孔针头可使液体(水)雾化,电流过大输出功率也大,可能会震断针,可视加工 深度调整输出功率,若在打孔过程中,电流变大,打孔针头又不能使水雾化,此时为失谐状态,可能是针开焊、震裂,重新焊接即可排除;(5)钢针长度在35~ 40mm内效果最佳,打深孔时为得到加工速度,先保持在35~40mm之间,在打一段后换长针可提高打孔速度和深度,换长针后应注意调整调谐,否则易断针 或震裂焊接处;(6)打孔时应掌握一个最佳静压力,用力太大或用力太轻都会影响加工速度。

三、超声波在硬脆材料中加工微孔的实验

利用超声波加工装置在工程陶瓷上进行了微孔加工实验,图3是在陶瓷片上打出的一排微孔,陶瓷片厚度为2mm,小孔孔径为0.2mm,加工出来的微孔形 状规则、边沿比较光滑。但在工具入口和出口端,工件材料会发生边崩现象,尤其在出口处边崩现象比较严重。入口崩边是由于工具的进给力和超生振动使材料产生 环状裂纹,工具的磨削作用使整个裂纹上端脱落;出口崩边是由于陶瓷材料抗拉强度很低,进给力和超声冲击力使其沿环状裂纹方向发生断裂。

图4是利用超声波打孔方法在玻璃片上打出的小孔,玻璃片厚度为3mm,小孔孔径为0.2mm。超声波振动磨削加工,一个很难避免的问题是工具入口和出 口端的工件材料会发生边崩现象,尤其在出口处边崩现象特别严重,入口崩边之所以发生是由于:工具的进给力和超生振动使材料产生环状裂纹,工具的磨削作用使 整个裂纹上端脱落;出口崩边的原因是由于玻璃材料抗拉强度很低,进给力和超声冲击力使其沿环状裂纹方向发生断裂。下面将对这些问题进行研究。

实验结果表明:超声波加工硬脆瓷材料时,材料去除率随静载荷、工具振幅、磨粒直径的增加而增加;加工表面粗糙度随工具振幅、磨粒直径的增大而增加,随静压力的增大而降低。

[来源:原创] [作者:国创电气] [日期:13-07-15]
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