游離磨料的高效加工

1．超聲研磨工藝超聲研磨是一種采用游離磨料（研磨膏或研磨液）進行切削的加工方法。磨料通過研磨工具的振動產生切削功能，從而把研磨頭（工具）的形狀傳遞到工件上。脆性材料有一個不利于加工的特點，在受力時，材料中的裂紋會擴展，從而導致材料斷裂。超聲研磨正是利用脆性材料的這一特點。有目的有控制地促進材料表層的斷裂和切屑的形成。超聲研磨的原理如圖1所示。高頻發生器產生一個交流電信號，然后通過壓電陶瓷超聲換能器將電能轉變為機械能。機械系統的振動頻率與交流電信號的頻率相同。超聲研磨的工具系統的共振頻率與其機械結構有關，一般選在f＝19～23kHz的范圍內。工具磨損時，它的共振頻率會發生變化，所以高頻發生器必須根據工具的磨損程度自動進行調整，使整個振動系統在該頻率下的功耗最小。超聲換能器的振幅大約有5μm，通過一個機械轉換器——超聲頭使幅值增大至20～30μm。超聲頭有三大功能：夾持工具、放大報幅值和進行自振頻率匹配。成形工具直接連接在超聲頭上，連接方式有焊接、粘結和錐形過盈連接。超聲研磨時的切屑主要靠游離磨料如氮化硼來切除。游離磨料通過裝在超聲頭側面的噴嘴注入切削區，然后通過工具的運動離開切削區。在工件的幾何尺寸容許的情況下也可通過工具和超聲頭的中心孔把游離磨料吸出切削區。加工開始時，磨粉松散地停留在工件與工具之間。在工具縱向高頻振動的作用下，磨料在工作間隙內不斷地撞擊工件表面。在微觀區域內造成了裂紋，通過時間和空間上的積累，形成了切屑。在超聲仿形研磨時，研磨壓力是一個重要的過程參數，其次是振動幅值。它們直接與切削機理有關，能影響加工過程的優化。

　　2．超聲研磨加工玻璃超聲振動加工玻璃起始于50年代，但超聲仿形研磨直到今天在玻璃加工業中尚未得到很推廣，原因在于超聲加工的精度不高。切削效率很低，而且技術難以掌握。最近的研究工作已經對超聲研磨過程和工具的技術進行了深入的探討。機器的關鍵部件已經過了有目標的改進。這些進展可以足以預見，超聲研磨將會在不遠的未來走出實驗室，進入到工業生產。在玻璃上鉆孔時，超聲加工已經可以與金剛石鉆削競爭，優化后的超聲鉆孔已經達到金剛石鉆削時的材料切除速度。根據孔徑和孔深的不同，超聲鉆孔時的進鉆速度可也達到20～40mm/min。用金剛石鉆削玻璃上的孔時，需要從兩面進刀，以免鉆透時出現玻璃崩裂，采用超聲鉆孔時，則可從一側直接鉆通，工具出口時不會出現玻璃的崩裂。從而可以省去金剛石鉆孔時的校正和倒角等加工工序。在玻璃上鉆小孔時，超聲研磨的作用變得更為重要。普通的金剛石鉆孔，最小孔徑大約在2mm左右。超聲鉆孔時的最小孔徑幾乎沒有任何限制，目前在實驗室中進行的實驗表明，用超聲研磨可在3mm厚的玻璃上鉆出直徑為0.5～1.0mm的小孔。

　　3．超聲軌跡加工用常規方法加工玻璃時，工件的輪廓形狀十分有限，復雜曲面基本上無法加工。1996年，德國亞琛工大研制了一種新的超聲研磨技術，用它不僅可以進行超聲仿形，而且可以根據工具的軌跡運動產生各種不同的曲面，這樣既擴大了超聲研磨的應用范圍又改善了在玻璃上進行幾何成形的可能。超聲軌跡加工的優點雖不需要仿形工具。

　　在具有適當的工藝過程和相應的機器設備時，這種加工方法的應用潛力很大。圖1是一臺四軸超聲加工中心，它既可用來進行仿形加工又可進行軌跡加工。刀具除了作縱向振動外。還進行旋轉運動，其是有轉速可達4500r／min。圖2示出了超聲軌跡加工時的重要工藝參數。除了振幅值和研磨壓力外，工具轉速、進給速度和切削深度也是非常重要的可調整的工藝參數。其中進給速度和切削深度可以在很大范圍內任意組合。也就是說，提高進給速度時，必須降低切削深度。反之，降低進給速度則必須提高切削深度、才能保證平均材料切除率不變。