基于釬焊金剛石鉆頭的旋轉(zhuǎn)超聲鉆削工程陶瓷的實驗研究

汪 勇，張國青

（池州學(xué)院 機械與電子工程系，安徽 池州 247000）

引言

陶瓷材料孔的加工方法一般分為傳統(tǒng)的機械加工方法和特種加工方法[1-3]?，F(xiàn)利用釬焊金剛石薄壁鉆頭，結(jié)合旋轉(zhuǎn)超聲加工方式，對工程陶瓷材料進(jìn)行鉆削實驗。以加工過程中施加的壓力、工具轉(zhuǎn)速和超聲振幅為實驗因素，以加工過程中的材料去除率為優(yōu)化目標(biāo)，對99氧化鋁材料進(jìn)行正交鉆削實驗，優(yōu)化加工參數(shù)。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 旋轉(zhuǎn)超聲機床及鉆削工具

旋轉(zhuǎn)超聲鉆削實驗安排在自主研制的旋轉(zhuǎn)超聲加工機床上完成，主要由超聲換能器、變幅桿和工作臺組成。實驗過程中由氣動工作臺施加給工件靜壓力，完成工件的恒壓旋轉(zhuǎn)超聲鉆削加工。實驗選擇材料性能優(yōu)良的合金鋼Cr12MoV材料作為旋轉(zhuǎn)超聲加工工具基體材料，采用調(diào)質(zhì)工藝對Crl2MoV進(jìn)行熱處理，淬火前進(jìn)行等溫退火，850±10℃，保溫100-120min，740℃等溫4h。淬火溫度控制在1010℃，可以獲得最高硬度為63～65HRC。再經(jīng)520℃回火處理，這樣可以細(xì)化晶粒，而且在保持材料的橫向尺寸基本不變的情況下，可以穩(wěn)定地獲得最高的硬度及較高的強度，有效地降低超聲能量在材料傳播過程中的內(nèi)耗損。

金剛石薄壁鉆頭見圖1，金剛石工具的制備工藝采取真空爐中釬焊法，釬料為鎳基合金粉末，金剛石磨粒為普通級，粒度80/100，釬焊加熱溫度為1050℃，保溫30min。

圖1 釬焊金剛石薄壁鉆頭

1.2 工件材料

工件材料選擇99氧化鋁陶瓷，陶瓷性能見表1所示。

表1 Al2O3工程陶瓷材料特性

1.3 實驗方法

加工過程中，利用測量系統(tǒng)測量加工過程中扭矩的大小，此系統(tǒng)由Kistler動態(tài)測力儀9255B、Kistler電荷放大器5070和數(shù)據(jù)采集即處理微機系統(tǒng)構(gòu)成。利用三維視頻采集系統(tǒng)觀察釬焊金剛石工具磨粒的磨損狀態(tài)。

圖2 鉆削加工示意圖

正交實驗中，以工具的轉(zhuǎn)速Vs、壓力P和超聲振幅AF(amplitude frequency)為實驗因素，每個因素取四個水平，以加工過程中的材料去除率為實驗考察目標(biāo)。實驗時，控制每次鉆削工程陶瓷達(dá)固定深度10mm，所以材料去除率直接用去除固定質(zhì)量的工件材料所使用的時間來表示，所用時間越小，材料去除率越大，反之，材料去除率就越小，其單位為s。具體實驗參數(shù)見表2，其中因素振幅的水平分別為0、1、2、3，其中水平0是指不施加超聲波。正交實驗表選取L16（45）正交實驗表，其中實驗表的后兩列空出。

表2 正交實驗加工具體參數(shù)

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 實驗結(jié)果

根據(jù)表2的實驗因素和各因素水平進(jìn)行正交實驗，實驗參數(shù)配比及加工過程中的材料去除率如表3所示。

表3 鉆削實驗結(jié)果

為了明確分析各因素對材料去除率的影響，將表3的實驗結(jié)果制成材料去除率的單因素影響曲線，如圖3所示。從圖3可以明顯看出，隨著工具轉(zhuǎn)速、壓力和超聲振幅的加大，鉆削加工時間越小，即材料的去除率越大。同時，從各因素對材料去除率影響曲線的趨勢來看，因素C對材料去除率和扭矩的影響最明顯，因素B次之，因素A影響最小。

圖3 材料去除率的單因素影響曲線

2.1 實驗結(jié)果的極差分析

對表3的實驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表4所示。從表中可以看出，因素A、B、C的極差R分別為6.00、6.86和9.43，因此，針對工程陶瓷孔加工來說，以材料的去除率為考察指標(biāo)，因素C即施加的超聲波振幅的影響最為明顯。同時，由表4分析結(jié)果可知，以材料去除率指標(biāo)，最優(yōu)的方案是A4B4C4。

指標(biāo)分析項材料去除率/s B C K1 K2 K3 K4 k1 k2 k3 k4極差R A 37.06 21.91 18.25 13.08 9.27 5.48 4.56 3.27 6.00 39.38 21.61 17.36 11.95 9.85 5.40 4.34 2.99 6.86 49.15 17.15 12.58 11.42 12.29 4.29 3.15 2.86 9.43

3 結(jié)論

利用釬焊金剛石薄壁鉆頭鉆削工程陶瓷材料，以工具轉(zhuǎn)速、壓力和超聲波振幅為實驗因素，以工件材料的去除率為考察指標(biāo)，得到以下結(jié)論：

（1）工程陶瓷材料的去除率受三種實驗因素的影響趨勢相同，隨工具轉(zhuǎn)速、壓力和超聲波振幅的增大而增大；

（2）超聲波的振幅對工程陶瓷材料的去除率影響最為明顯，最優(yōu)的加工方案為A4B4C4。

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