超声波加工硬脆材料的研究

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1、超声波加工硬脆材料的研究超声波加工硬脆材料的研究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[3-5]。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[5]。　　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

2、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。图1为超声波加工.L.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

3、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

4、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50~75m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

5、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.L.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

6、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。　　[1]张祖军,陈奎儒,刘继光等.深小孔特种加工[J].机械工程与自动化,2006,6:20-22.　　[2]张云.电火花加工控制技术的新发展[J].机

7、电工程,1995,1:54-57.　　[3]李又生.深孔激光加工研究[J].激光技术,1998,22(2):98-102.　　[4]宋宜梅,李少华,钟庆华.电子束技术在工业领域中的应用[J].广西机械,2003,01:17-20.　　[5]王军,万珍平.基于玻璃小孔的超声波加工实验研究[J].机械制造,2009,47:61-63.