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]。

在前人對微細(xì)超聲波加工的研究中，有通過數(shù)學(xué)建模對工具磨損進(jìn)行預(yù)測[2]，有對材料去除模式即對塑性和脆性去除進(jìn)行探索[3]，也有對加工質(zhì)量、精度影響因素的探究[4]，但對微細(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，加工效率會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，加工區(qū)域與外界磨粒之間的交換過程越困難，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，證明了加工開始產(chǎn)生的邊緣缺陷并非由于加工深度大而造成的，且認(rèn)為無法加工深孔的原因是：在恒速加工時，加工深度增加，孔底部無磨粒進(jìn)入，導(dǎo)致磨粒無法得到交換，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，但加工時間較長，達(dá)4.5 h[7]。

在電火花加工模具實(shí)踐中，通過電極搖動可減少切屑在放電間隙的堆積，從而避免了加工過程中的短路和拉弧[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)為利用工具搖動可增加加工屑的活動空間，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，通過設(shè)計(jì)不同的工具搖動軌跡，可加工出不同形狀的孔[9]。

然而，在用微細(xì)超聲加工深孔時會出現(xiàn)加工速度減小[5]或工具折斷[6]等現(xiàn)象，造成深孔加工無法進(jìn)行。對此，本文提出一種結(jié)合工具搖動的微細(xì)超聲加工方法。在進(jìn)行深孔加工過程中，當(dāng)工具進(jìn)給到一定深度后，工具搖動增加了空間，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)測模塊，其實(shí)物照片見圖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)動平臺，其定位精度為1 μm，精密旋轉(zhuǎn)主軸的徑向跳動小于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)測裝置及磨粒懸浮液組成，其中，超聲波發(fā)生器的振動頻率約為35 kHz，振幅可調(diào)節(jié)范圍為0.3～3 μm；加工力監(jiān)測裝置采用稱重范圍為1100 g、感量為0.001 g的精密電子天平對加工力進(jìn)行實(shí)時測量；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[11]的方式進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)條件見表1。實(shí)驗(yàn)過程中，每一個搖動半徑對應(yīng)一系列的搖動速度，當(dāng)搖動半徑和搖動速度均為0時，即工具不搖動；振幅通過調(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，工具的搖動運(yùn)動示意見圖3。通過X-Y雙軸聯(lián)動實(shí)現(xiàn)圓形搖動軌跡，即工具在轉(zhuǎn)動進(jìn)給的同時，沿著圓形搖動軌跡運(yùn)動。

圖3 工具搖動運(yùn)動示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

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

本文設(shè)置加工力的最大值為3 g。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過改變進(jìn)給速度保持加工力在一定范圍內(nèi)波動（恒力加工）。圖5、圖6分別是正常加工和無法繼續(xù)加工的力信號曲線。當(dāng)加工無法繼續(xù)時，工具與孔底部之間的磨粒較少或沒有磨粒，工具將直接撞擊工件，導(dǎo)致力信號曲線波動劇烈，同時也沒有產(chǎn)生正常去除材料的力信號（圖5所示虛線框中的曲線）。當(dāng)進(jìn)給速度小于0.2 μm/s且力信號曲線波動迅速時則停止加工，此時的進(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 正常加工時的力信號曲線

圖6 無法繼續(xù)加工時的力信號曲線

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無工具搖動加工實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行無工具搖動微細(xì)超聲深孔加工實(shí)驗(yàn)時，記錄工具進(jìn)給一定深度所用的時間，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#是無工具搖動時各孔的加工參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，未使用工具搖動進(jìn)行深孔加工時，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，耗時長。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制進(jìn)給深度與加工時間的關(guān)系曲線，由圖7可見，當(dāng)工具進(jìn)給到一定深度后，其進(jìn)給速度會逐漸減小，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#工具所對應(yīng)的曲線的減小趨勢最明顯。此外，4#工具加工的孔，其深徑比最大，為6.38，孔徑為107.7 μm；但耗時較長，約49 min。

表2 各孔的加工參數(shù)

圖7 無工具搖動加工時的進(jìn)給深度與加工時間的關(guān)系曲線

2.2 工具搖動加工實(shí)驗(yàn)

以100 μm作為微孔的目標(biāo)直徑進(jìn)行工具搖動微細(xì)超聲深孔加工實(shí)驗(yàn)，并與無工具搖動加工進(jìn)行比較（以6#工具為代表）。表2所示7#～12#是工具搖動時各孔的加工參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制進(jìn)給深度與加工時間的關(guān)系曲線，對比6#工具可發(fā)現(xiàn)，使用工具搖動加工時，達(dá)到一定進(jìn)給深度后，工具仍能以較大的速度進(jìn)給，且加工力波動在設(shè)定范圍內(nèi)，用時也較短。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25 min。

圖8 工具搖動加工時的進(jìn)給深度與加工時間的關(guān)系曲線

圖9 深徑比為10.1的孔及加工后的工具

2.2.1 工具搖動對深徑比的影響

圖10是工具搖動加工微孔和無搖動加工微孔的深徑比。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?。?#～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，且采用搖動加工后，存在搖動半徑，所加工孔的深徑比均大于9。因此，使用工具搖動進(jìn)行微孔加工，可使孔的深徑比有較大的提高。

圖10 工具搖動對孔的深徑比的影響

2.2.2 工具搖動對加工效率的影響

由圖8可知，使用工具搖動進(jìn)行加工，在提高孔的深徑比的同時，還縮短了加工時間，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。本文通過計(jì)算各孔的材料去除率來對比加工效率。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為工具磨損長度，μm；T為加工時間，s。

由圖11可見，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小；在使用工具搖動加工后，7#～12#工具加工的材料去除率均有所提高，其提高程度與搖動參數(shù)有關(guān)。為了探究工具搖動參數(shù)對材料去除率的影響，在相同的搖動半徑下，選用不同的搖動速度進(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 工具搖動對孔的材料去除率的影響

由圖12可看出，當(dāng)工具搖動半徑一定時，材料去除率隨著搖動速度的增加而增大。分析原因：搖動速度增加時，處于工具端部下方的加工區(qū)域移動速度加快，孔底部的材料更快地被去除，從而提高了材料去除率；同時，工具與加工孔側(cè)壁間的懸浮液流動加快，促進(jìn)加工屑的排出和孔底磨粒的交換。另外，搖動半徑為9 μm時，材料去除率先增大、后減小，這可能是由于隨著搖動速度增加到一定值并超過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，加工能力減小，隨著搖動速度增加，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速度的變化（粒徑1 μm）

圖13 材料去除率隨工具搖動速度的變化（粒徑0.5 μm）

由于實(shí)際搖動速度與給定搖動速度存在很大差異，故未進(jìn)行相同搖動速度、不同搖動半徑下的加工實(shí)驗(yàn)，但對此種情況下的材料去除率做了如下猜測：隨著工具搖動半徑的增加，去除的材料體積將增多，材料去除率隨之會減??；當(dāng)搖動半徑增加后，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，這會促使材料去除率增大。由于上述兩個原因，材料去除率可能隨著工具搖動半徑的變化而不呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。

2.2.3 工具搖動對工具磨損的影響

在微細(xì)超聲加工過程中，特別是長時間加工，工具磨損較嚴(yán)重。工具磨損與加工時間、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，加工深孔的時間較長，對工具磨損的影響較大；同時使用了工具搖動，其對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，故采用工具相對磨損率作為衡量工具耐磨損的指標(biāo)。

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

式中：vt為工具磨損速度，μm/s；vw為材料去除率，也稱加工速度，μm/s；d為工具直徑，μm；ΔZ為工具磨損長度，μm；T為加工時間，s。

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

2.2.4 工具搖動對加工間隙的影響

在超聲加工微孔過程中，加工區(qū)域與外界磨粒會隨著懸浮液的流動進(jìn)行交換，且高速運(yùn)動的磨粒對側(cè)壁也會造成很大的沖擊，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 工具搖動對工具相對磨損率的影響

通過對上述實(shí)驗(yàn)中單邊加工間隙的計(jì)算和比較，分別得出了無工具搖動和工具搖動時的單邊加工間隙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#對應(yīng)的工具搖動后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，單邊加工間隙有減小的趨勢。分析原因：當(dāng)工具搖動后，磨粒與外界的交換通道加大，對孔側(cè)壁的沖擊作用減小，故加工間隙減小。

圖15 工具搖動對單邊加工間隙的影響

4 結(jié)束語

本文提出了輔助工具搖動的微細(xì)超聲深孔加工方法。通過工作平臺X-Y軸的聯(lián)動進(jìn)行圓周運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)圓形搖動軌跡，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。在研究搖動參數(shù)對加工效率的影響時，發(fā)現(xiàn)材料去除率會隨著搖動速度的增加而增大，有時搖動速度增加到一定程度后會使材料去除率減小，并猜測搖動半徑變化對材料去除率的影響無明顯規(guī)律。同時，使用工具搖動進(jìn)行微孔加工時，會使工具磨損增加，而加工間隙減小。

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