工具搖動(dòng)對(duì)超聲波加工微孔深徑比的影響
2020-8-13 來源：大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 作者：雷森旺 周凱 余祖元 李劍中
摘要：微細(xì)超聲加工深孔時(shí)會(huì)出現(xiàn)加工速度太小或加工力過大的現(xiàn)象，導(dǎo)致深孔加工無法繼續(xù)。 為此采用輔助工具搖動(dòng)的方法進(jìn)行微細(xì)超聲微孔加工實(shí)驗(yàn)，成功加工出直徑約為 92 μm、深徑比大于 10 的微孔，且加工效率明顯提高。 同時(shí)研究了工具搖動(dòng)對(duì)加工效果的影響。
關(guān)鍵詞：工具搖動(dòng)；微細(xì)超聲加工：深孔
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(shí)，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(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，達(dá) 4.5 h[7]。
在電火花加工模具實(shí)踐中，通過電極搖動(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，通過設(shè)計(jì)不同的工具搖動(dòng)軌跡，可加工出不同形狀的孔。
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 k Hz，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)條件見表 1。 實(shí)驗(yàn)過程中，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)示意見圖3。通過 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。 工具的磨損長度通過加工前后對(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(dòng)（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(hào)曲線。 當(dāng)加工無法繼續(xù)時(shí)，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(hào)曲線波動(dòng)劇烈，同時(shí)也沒有產(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 無工具搖動(dòng)加工實(shí)驗(yàn)
在進(jìn)行無工具搖動(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。
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，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，約 49 min。
表2 各孔的加工參數(shù)
圖 7 無工具搖動(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小；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。 本文通過計(jì)算各孔的材料去除率來對(duì)比加工效率。 材料去除率vw的計(jì)算公式為：
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(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。
圖 12 材料去除率隨工具搖動(dòng)速度的變化（粒徑 1 μm）
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 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)減小；當(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)超聲加工過程中， 特別是長時(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， 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：
圖 14 是工具 1#~12# 的相對(duì)磨損率。 可見，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：
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，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
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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