特種加工12

1、14超聲波加工機床及其發(fā)展超聲波加工機床及其發(fā)展各種硬脆材料和硬脆復(fù)合材料很難用傳統(tǒng)刀具進行加工因而往往采用非傳統(tǒng)的工藝方法進行加工這些非傳統(tǒng)工藝方法多數(shù)直接使用各種能量如超聲波加工和激光加工等。超聲波加工始于1927年已有七十多年的發(fā)展歷史適合于加工各種硬脆材料如玻璃、陶瓷、石英、金剛石、硅等。1超聲波加工的基本原理及特點超聲波加工的基本原理及特點圖1所示是超聲波加工原理圖在工件和工具間加入磨料懸浮液由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲振蕩波經(jīng)換能

2、器轉(zhuǎn)換成超聲機械振動使懸浮液中的磨粒不斷地撞擊加工表面把硬而脆的被加工材料局部破壞而撞擊下來。在工件表面瞬間正負(fù)交替的正壓沖擊波和負(fù)壓空化作用下強化了加工過程。因此超聲波加工實質(zhì)上是磨料的機械沖擊與超聲波沖擊及空化作用的綜合結(jié)果。圖1超聲波加工原理在傳統(tǒng)超聲波加工的基礎(chǔ)上發(fā)展了旋轉(zhuǎn)超聲波加工即工具在不斷振動的同時還以一定的速度旋轉(zhuǎn)這將迫使工具中的磨粒不斷地沖擊和劃擦工件表面把工件材料粉碎成很小的微粒去除以提高加工效率。超聲波加工精度高速

3、度快加工材料適應(yīng)范圍廣可加工出復(fù)雜型腔及型面加工時工具和工件接觸輕切削力小不會發(fā)生燒傷、變形、殘余應(yīng)力等缺陷而且超聲加工機床的結(jié)構(gòu)簡單易于維護。2超聲波加工機床的基本組成超聲波加工機床的基本組成超聲加工機床為實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲加工一般要由機床本體、超聲波電源、超聲振動系統(tǒng)、主軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、主軸軸向進給系統(tǒng)、軸向力反饋保護系統(tǒng)等組成分述如下。34得到0.1～1GHz級的超高頻超聲波換能器需要將壓電晶片做得非常薄加工很困難所以對超高頻超聲換能器采用

4、濺射成形的氧化鋅薄膜但是機電耦合系數(shù)低。為此日本東北大學(xué)中村教授等人提出用鈦擴散周期地形成自發(fā)極化反相區(qū)域同時在表面配置叉指電極作成新型超高頻超聲換能器可得到變換損失低于5.5dB、相對帶寬為0.9的寬頻帶橫波超聲換能器[6]。目前所使用的超聲換能器絕大多數(shù)仍然是壓電晶體材料其中鋯鈦酸鉛類壓電陶瓷又居多數(shù)。這是因為鋯鈦酸鉛類強電介質(zhì)材料經(jīng)燒結(jié)、極化后所形成的壓電陶瓷容易加工表征能量轉(zhuǎn)換效率的縱向機電耦合系數(shù)約70%相對其他壓電材料其值較

5、大。2.2.2變幅桿及工具變幅桿及工具變幅桿的作用是將來自換能器的超聲振幅由0.005～0.01mm放大至0.01～0.1mm以便進行超聲波加工。變幅桿之所以能放大振幅是由于通過其任一截面的振動能量是不變的(傳播損耗不計)截面小的地方能量密度大振動振幅也就越大。在進行大功率的超聲加工及精密加工時往往將變幅桿與工具設(shè)計制成一個整體在進行小功率的超聲加工及加工精度不高時則將變幅桿與工具設(shè)計制成可拆卸式。變幅桿的基本形式有圓錐型、指數(shù)型、階梯

6、型。此外還有由2種以上單一形狀組成的組合型。在面積系數(shù)N一定時階梯型變幅桿的放大倍數(shù)Mp最大圓錐型變幅桿的放大倍數(shù)最小。但階梯型變幅桿由于半徑的突然變化會產(chǎn)生壓力集中因此變幅桿容易損壞。當(dāng)放大倍數(shù)過大時還可能發(fā)生側(cè)振且對附加于端面的負(fù)荷較敏感。目前對超聲變幅桿的研究和優(yōu)化已廣泛應(yīng)用了CADCAM技術(shù)和有限元分析技術(shù)。如使用ANSYS軟件對變幅桿進行優(yōu)化:首先分析需要的所有數(shù)據(jù)(材料屬性、頻率范圍等)定義結(jié)構(gòu)的幾何形狀然后求解計算固有頻率

7、、位移、應(yīng)變和應(yīng)力最后是估計分析結(jié)果和畫出應(yīng)力曲線。工具是變幅桿的負(fù)載其結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量大小以及與變幅桿連接的好壞對超聲振動共振頻率和超聲波加工性能均有很大影響。工具可以通過焊接或螺釘固定在變幅桿上也可以和變幅桿設(shè)計成整體。采用可拆卸式雖然能快速更換工具但可能出現(xiàn)工具松懈、超聲能量損失、疲勞破壞等問題。采用中空變幅桿和工具在硬脆材料上加工深孔時可通過變幅桿和工具的中心孔供給磨料磨料供給能力得到增強使加工效率得到提高。工具材料應(yīng)有高的抗磨損