工具搖動(dòng)對(duì)超聲波加工微孔深徑比的影響

雷森旺，周凱，余祖元，李劍中

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

隨著科技的不斷發(fā)展，航空、醫(yī)療、精密儀器等行業(yè)對(duì)微細(xì)零件的需求量與日俱增，在涌現(xiàn)出的諸如微細(xì)電火花加工、微細(xì)電化學(xué)加工、激光加工及微細(xì)超聲波加工等特種加工方法中，超聲波加工通過(guò)磨粒沖擊脆硬性材料，可加工導(dǎo)電或非導(dǎo)電材料，且不受材料導(dǎo)熱性的影響，能夠加工出高深徑比和復(fù)雜三維型腔的零件[1]。

在前人對(duì)微細(xì)超聲波加工的研究中，有通過(guò)數(shù)學(xué)建模對(duì)工具磨損進(jìn)行預(yù)測(cè)[2]，有對(duì)材料去除模式即對(duì)塑性和脆性去除進(jìn)行探索[3]，也有對(duì)加工質(zhì)量、精度影響因素的探究[4]，但對(duì)微細(xì)超聲加工深孔的研究文獻(xiàn)很少。安成明等在影響微細(xì)超聲加工效率的加工參數(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，以加工力反饋控制的恒力進(jìn)給加工時(shí)，加工效率會(huì)隨著孔深度的增加而逐漸降低，認(rèn)為其原因可能是：當(dāng)孔越深時(shí)，加工區(qū)域與外界磨粒之間的交換過(guò)程越困難，從而降低了材料去除率[5]。Tateishi等在用傳統(tǒng)微細(xì)超聲加工單晶硅上的深孔時(shí)，證明了加工開(kāi)始產(chǎn)生的邊緣缺陷并非由于加工深度大而造成的，且認(rèn)為無(wú)法加工深孔的原因是：在恒速加工時(shí)，加工深度增加，孔底部無(wú)磨粒進(jìn)入，導(dǎo)致磨粒無(wú)法得到交換，且加工力隨著工具向下進(jìn)給而增大，甚至?xí)构ぞ哒蹟喽鴮?dǎo)致加工無(wú)法繼續(xù)。基于此，Tateishi等利用電流變流體輔助超聲加工方法，成功地加工出直徑為100 μm、深徑比為10的孔[6]。王丹等采用五因素五水平正交試驗(yàn)方法，分析了不同加工參數(shù)對(duì)微晶云母陶瓷的微細(xì)超聲加工工具體積損耗率的影響，并選擇較優(yōu)的參數(shù)組合在微晶云母陶瓷片上加工出直徑為80 μm、深度為530 μm、孔側(cè)壁錐度小于0.5°的深通孔，其深徑比為6.625，但加工時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)4.5 h[7]。

在電火花加工模具實(shí)踐中，通過(guò)電極搖動(dòng)可減少切屑在放電間隙的堆積，從而避免了加工過(guò)程中的短路和拉弧[8]。余祖元等用微細(xì)電火花輔助電極搖動(dòng)的方法在不銹鋼上成功加工出深徑比為18的微孔[9]，并認(rèn)為利用工具搖動(dòng)可增加加工屑的活動(dòng)空間，便于排除加工屑，從而既能提高深徑比，還能提高加工效率和精度。此外，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的工具搖動(dòng)軌跡，可加工出不同形狀的孔[9]。

然而，在用微細(xì)超聲加工深孔時(shí)會(huì)出現(xiàn)加工速度減小[5]或工具折斷[6]等現(xiàn)象，造成深孔加工無(wú)法進(jìn)行。對(duì)此，本文提出一種結(jié)合工具搖動(dòng)的微細(xì)超聲加工方法。在進(jìn)行深孔加工過(guò)程中，當(dāng)工具進(jìn)給到一定深度后，工具搖動(dòng)增加了空間，便于排除加工屑，促進(jìn)加工區(qū)域的磨粒更新，從而達(dá)到提高微細(xì)孔加工效率和深徑比的目的。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1是微細(xì)超聲立式加工裝置的示意圖。該裝置包括微細(xì)工具電火花制備模塊、精密伺服進(jìn)給模塊、微細(xì)超聲加工模塊及加工力監(jiān)測(cè)模塊，其實(shí)物照片見(jiàn)圖2。

圖1 微細(xì)超聲加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 微細(xì)超聲加工裝置實(shí)物圖

微細(xì)工具電火花制備模塊由RC脈沖電源、放電狀態(tài)檢測(cè)和WEDG[10]走絲機(jī)構(gòu)組成，主要用于微細(xì)工具的在線制備。精密伺服進(jìn)給模塊采用高精度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其定位精度為1 μm，精密旋轉(zhuǎn)主軸的徑向跳動(dòng)小于1 μm，最高轉(zhuǎn)速達(dá)40 000 r/min。微細(xì)超聲加工模塊主要由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、加工力狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置及磨粒懸浮液組成，其中，超聲波發(fā)生器的振動(dòng)頻率約為35 kHz，振幅可調(diào)節(jié)范圍為0.3～3 μm；加工力監(jiān)測(cè)裝置采用稱(chēng)重范圍為1100 g、感量為0.001 g的精密電子天平對(duì)加工力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量；磨粒懸浮液由金剛石粉末與去離子水按一定質(zhì)量比配制而成。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用恒力加工、工件振動(dòng)[11]的方式進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每一個(gè)搖動(dòng)半徑對(duì)應(yīng)一系列的搖動(dòng)速度，當(dāng)搖動(dòng)半徑和搖動(dòng)速度均為0時(shí)，即工具不搖動(dòng)；振幅通過(guò)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的輸入電壓大小進(jìn)行控制；懸浮液由金剛石磨粒和去離子水配制而成，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)為圓孔加工，工具的搖動(dòng)運(yùn)動(dòng)示意見(jiàn)圖3。通過(guò)X-Y雙軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)圓形搖動(dòng)軌跡，即工具在轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)給的同時(shí)，沿著圓形搖動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)。

圖3 工具搖動(dòng)運(yùn)動(dòng)示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將大小合適的石英片通過(guò)強(qiáng)力雙面膠粘在換能器振動(dòng)頭上，并在石英片上滴加懸浮液。工具的磨損長(zhǎng)度通過(guò)加工前后對(duì)工件上同一點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)的Z軸坐標(biāo)之差得到，測(cè)量的加載力值為0.01 g，其計(jì)算示意見(jiàn)圖4。為保證測(cè)量值的準(zhǔn)確性，加工前后采用多次探測(cè)并取其平均值。

本文設(shè)置加工力的最大值為3 g。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)改變進(jìn)給速度保持加工力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)（恒力加工）。圖5、圖6分別是正常加工和無(wú)法繼續(xù)加工的力信號(hào)曲線。當(dāng)加工無(wú)法繼續(xù)時(shí)，工具與孔底部之間的磨粒較少或沒(méi)有磨粒，工具將直接撞擊工件，導(dǎo)致力信號(hào)曲線波動(dòng)劇烈，同時(shí)也沒(méi)有產(chǎn)生正常去除材料的力信號(hào)（圖5所示虛線框中的曲線）。當(dāng)進(jìn)給速度小于0.2 μm/s且力信號(hào)曲線波動(dòng)迅速時(shí)則停止加工，此時(shí)的進(jìn)給深度作為最終進(jìn)給深度，再減去工具磨損量，即可得到加工孔的深度。

圖4 工具磨損計(jì)算示意圖

圖5 正常加工時(shí)的力信號(hào)曲線

圖6 無(wú)法繼續(xù)加工時(shí)的力信號(hào)曲線

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無(wú)工具搖動(dòng)加工實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行無(wú)工具搖動(dòng)微細(xì)超聲深孔加工實(shí)驗(yàn)時(shí)，記錄工具進(jìn)給一定深度所用的時(shí)間，以驗(yàn)證文獻(xiàn)[5]中的現(xiàn)象是否為共性。如表2所示，1#～6#是無(wú)工具搖動(dòng)時(shí)各孔的加工參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，未使用工具搖動(dòng)進(jìn)行深孔加工時(shí)，達(dá)到一定進(jìn)給深度后，工具只能以很小的速度向下進(jìn)給，耗時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制進(jìn)給深度與加工時(shí)間的關(guān)系曲線，由圖7可見(jiàn)，當(dāng)工具進(jìn)給到一定深度后，其進(jìn)給速度會(huì)逐漸減小，即加工速度減慢，加工效率降低，與文獻(xiàn)[5]描述的一致，其中1#工具所對(duì)應(yīng)的曲線的減小趨勢(shì)最明顯。此外，4#工具加工的孔，其深徑比最大，為6.38，孔徑為107.7 μm；但耗時(shí)較長(zhǎng)，約49 min。

表2 各孔的加工參數(shù)

圖7 無(wú)工具搖動(dòng)加工時(shí)的進(jìn)給深度與加工時(shí)間的關(guān)系曲線

2.2 工具搖動(dòng)加工實(shí)驗(yàn)

以100 μm作為微孔的目標(biāo)直徑進(jìn)行工具搖動(dòng)微細(xì)超聲深孔加工實(shí)驗(yàn)，并與無(wú)工具搖動(dòng)加工進(jìn)行比較（以6#工具為代表）。表2所示7#～12#是工具搖動(dòng)時(shí)各孔的加工參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制進(jìn)給深度與加工時(shí)間的關(guān)系曲線，對(duì)比6#工具可發(fā)現(xiàn)，使用工具搖動(dòng)加工時(shí)，達(dá)到一定進(jìn)給深度后，工具仍能以較大的速度進(jìn)給，且加工力波動(dòng)在設(shè)定范圍內(nèi)，用時(shí)也較短。如圖9所示，10#工具加工的微孔直徑約為92 μm，深徑比為10.1，耗時(shí)25 min。

圖8 工具搖動(dòng)加工時(shí)的進(jìn)給深度與加工時(shí)間的關(guān)系曲線

圖9 深徑比為10.1的孔及加工后的工具

2.2.1 工具搖動(dòng)對(duì)深徑比的影響

圖10是工具搖動(dòng)加工微孔和無(wú)搖動(dòng)加工微孔的深徑比。分析可知，1#、2#工具的直徑較大，分別為152、202 μm，所加工孔的深徑比最??；3#～5#工具的直徑均為100±5 μm，6#工具的直徑為90 μm，所加工孔的深徑比均在6～7之間；7#～12#工具的直徑為70±5 μm，且采用搖動(dòng)加工后，存在搖動(dòng)半徑，所加工孔的深徑比均大于9。因此，使用工具搖動(dòng)進(jìn)行微孔加工，可使孔的深徑比有較大的提高。

圖10 工具搖動(dòng)對(duì)孔的深徑比的影響

2.2.2 工具搖動(dòng)對(duì)加工效率的影響

由圖8可知，使用工具搖動(dòng)進(jìn)行加工，在提高孔的深徑比的同時(shí)，還縮短了加工時(shí)間，提高了加工效率。由于工件材料去除率反映了微孔直徑、加工深度、工具損耗和加工時(shí)間等情況，因此能綜合反映出超聲微孔加工效率和綜合性能。本文通過(guò)計(jì)算各孔的材料去除率來(lái)對(duì)比加工效率。材料去除率vw的計(jì)算公式為：

式中：D為微孔直徑，μm；L為工具進(jìn)給深度，μm；ΔZ為工具磨損長(zhǎng)度，μm；T為加工時(shí)間，s。

由圖11可見(jiàn)，1#、2#工具加工的材料去除率較大，主要是由于工具直徑較大，故加工能力強(qiáng)；3#～6#工具的直徑相差不大，故材料去除率差別也較??；在使用工具搖動(dòng)加工后，7#～12#工具加工的材料去除率均有所提高，其提高程度與搖動(dòng)參數(shù)有關(guān)。為了探究工具搖動(dòng)參數(shù)對(duì)材料去除率的影響，在相同的搖動(dòng)半徑下，選用不同的搖動(dòng)速度進(jìn)行超聲微孔加工實(shí)驗(yàn)，并取相同的進(jìn)給深度為1.05 mm，工具直徑為71±3 μm，其他實(shí)驗(yàn)條件同表1。

圖11 工具搖動(dòng)對(duì)孔的材料去除率的影響

由圖12可看出，當(dāng)工具搖動(dòng)半徑一定時(shí)，材料去除率隨著搖動(dòng)速度的增加而增大。分析原因：搖動(dòng)速度增加時(shí)，處于工具端部下方的加工區(qū)域移動(dòng)速度加快，孔底部的材料更快地被去除，從而提高了材料去除率；同時(shí)，工具與加工孔側(cè)壁間的懸浮液流動(dòng)加快，促進(jìn)加工屑的排出和孔底磨粒的交換。另外，搖動(dòng)半徑為9 μm時(shí)，材料去除率先增大、后減小，這可能是由于隨著搖動(dòng)速度增加到一定值并超過(guò)了該加工條件下的加工能力后，加工效率隨之降低。由圖13可看出，材料去除率均隨著搖動(dòng)速度的增加呈先增大、后減小的規(guī)律。這可能是由于使用直徑為0.5 μm的磨粒時(shí)，加工能力減小，隨著搖動(dòng)速度增加，更快地達(dá)到加工能力的最大值。

圖12 材料去除率隨工具搖動(dòng)速度的變化（粒徑1 μm）

圖13 材料去除率隨工具搖動(dòng)速度的變化（粒徑0.5 μm）

由于實(shí)際搖動(dòng)速度與給定搖動(dòng)速度存在很大差異，故未進(jìn)行相同搖動(dòng)速度、不同搖動(dòng)半徑下的加工實(shí)驗(yàn)，但對(duì)此種情況下的材料去除率做了如下猜測(cè)：隨著工具搖動(dòng)半徑的增加，去除的材料體積將增多，材料去除率隨之會(huì)減?。划?dāng)搖動(dòng)半徑增加后，工具與孔側(cè)壁間的距離將增大，便于加工屑的排出和孔底部磨粒的交換，這會(huì)促使材料去除率增大。由于上述兩個(gè)原因，材料去除率可能隨著工具搖動(dòng)半徑的變化而不呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。

2.2.3 工具搖動(dòng)對(duì)工具磨損的影響

在微細(xì)超聲加工過(guò)程中，特別是長(zhǎng)時(shí)間加工，工具磨損較嚴(yán)重。工具磨損與加工時(shí)間、工具直徑、磨粒大小、靜壓力、振幅等有直接關(guān)系[12]。本實(shí)驗(yàn)中，加工深孔的時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)工具磨損的影響較大；同時(shí)使用了工具搖動(dòng)，其對(duì)工具磨損的影響尚不明確。在實(shí)際生產(chǎn)中，衡量工具是否耐磨損，不只考慮工具磨損速度，還要考慮相應(yīng)的加工速度，故采用工具相對(duì)磨損率作為衡量工具耐磨損的指標(biāo)。

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)中不同工具的相對(duì)磨損率進(jìn)行了比較，工具相對(duì)磨損率θ可表示為：

式中：vt為工具磨損速度，μm/s；vw為材料去除率，也稱(chēng)加工速度，μm/s；d為工具直徑，μm；ΔZ為工具磨損長(zhǎng)度，μm；T為加工時(shí)間，s。

圖14是工具1#～12#的相對(duì)磨損率?？梢?jiàn)，使用工具搖動(dòng)后，工具磨損加快。分析原因：工具搖動(dòng)促進(jìn)了加工屑的排出和孔底部磨粒的交換，同時(shí)加快對(duì)工件和工具材料的去除，導(dǎo)致工具磨損增大。

2.2.4 工具搖動(dòng)對(duì)加工間隙的影響

在超聲加工微孔過(guò)程中，加工區(qū)域與外界磨粒會(huì)隨著懸浮液的流動(dòng)進(jìn)行交換，且高速運(yùn)動(dòng)的磨粒對(duì)側(cè)壁也會(huì)造成很大的沖擊，因此孔的尺寸相比于工具尺寸有所增大，在孔壁與工具之間會(huì)形成加工間隙，間隙的大小將影響所加工孔的尺寸。

圖14 工具搖動(dòng)對(duì)工具相對(duì)磨損率的影響

通過(guò)對(duì)上述實(shí)驗(yàn)中單邊加工間隙的計(jì)算和比較，分別得出了無(wú)工具搖動(dòng)和工具搖動(dòng)時(shí)的單邊加工間隙Dg的表達(dá)式：

式中：D為微孔直徑，μm；d為工具直徑，μm；r為搖動(dòng)半徑，μm。

圖15是不同的工具加工孔的單邊加工間隙。由7#～12#對(duì)應(yīng)的工具搖動(dòng)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，單邊加工間隙有減小的趨勢(shì)。分析原因：當(dāng)工具搖動(dòng)后，磨粒與外界的交換通道加大，對(duì)孔側(cè)壁的沖擊作用減小，故加工間隙減小。

圖15 工具搖動(dòng)對(duì)單邊加工間隙的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了輔助工具搖動(dòng)的微細(xì)超聲深孔加工方法。通過(guò)工作平臺(tái)X-Y軸的聯(lián)動(dòng)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圓形搖動(dòng)軌跡，結(jié)合傳統(tǒng)微細(xì)超聲加工，成功加工出深徑比為10的微孔，且加工效率明顯提高。在研究搖動(dòng)參數(shù)對(duì)加工效率的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)材料去除率會(huì)隨著搖動(dòng)速度的增加而增大，有時(shí)搖動(dòng)速度增加到一定程度后會(huì)使材料去除率減小，并猜測(cè)搖動(dòng)半徑變化對(duì)材料去除率的影響無(wú)明顯規(guī)律。同時(shí)，使用工具搖動(dòng)進(jìn)行微孔加工時(shí)，會(huì)使工具磨損增加，而加工間隙減小。

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