陶瓷材料超聲銑磨加工的實驗研究

侯獻(xiàn)軍

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110159)

陶瓷材料超聲銑磨加工的實驗研究

侯獻(xiàn)軍

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110159)

對陶瓷材料的超聲銑磨加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行分析，并采用超聲振動實驗系統(tǒng)對陶瓷材料進(jìn)行超聲磨削加工正交實驗，研究不同工藝參數(shù)對超聲加工陶瓷材料表面粗糙度的影響。實驗表明：與傳統(tǒng)機(jī)械加工相比，超聲加工能夠使工件的表面粗糙度值降低；當(dāng)振幅最大、主軸轉(zhuǎn)速最大、進(jìn)給速度最小、切深最小時，得到的加工表面粗糙度值最?。患庸?shù)對粗糙度值影響大小依次為：進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、振幅和切削深度。

超聲加工；陶瓷材料；加工參數(shù)；表面粗糙度

工程陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐磨損、抗腐蝕和絕熱性好等優(yōu)異性能，在能源、機(jī)械電子、航空航天、計算機(jī)、生物工程等領(lǐng)域日益顯示出廣闊的應(yīng)用前景。但工程陶瓷一般具有抗剪切應(yīng)力很高而抗拉伸應(yīng)力極低、彈性模量大、脆性大等特性，使其加工成本高、效率低、加工質(zhì)量不理想,開發(fā)高效率、高質(zhì)量、低成本的陶瓷材料加工技術(shù)具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義[1]。超聲振動銑削加工條件下各向切削力都明顯低于普通銑削切削力，平均切削力更有大幅度降低，超聲振動切削方法更適合加工陶瓷基復(fù)合材料[2-6]。本文通過銑磨工程陶瓷材料，分析不同工藝參數(shù)對工程陶瓷表面完整性的影響，研究電鍍金剛石砂輪超聲振動銑磨工程陶瓷的去除機(jī)理；設(shè)計一套可在銑床上應(yīng)用的超聲振動系統(tǒng)，并使該超聲系統(tǒng)的振幅可調(diào)，以滿足超聲銑磨加工實驗不同振動參數(shù)的要求；利用測力儀測量并比較超聲振動銑磨加工與普通銑磨加工在不同振動參數(shù)產(chǎn)生的切削力變化及對工件表面粗糙度的影響。

1 實驗系統(tǒng)的構(gòu)成與原理

1.1 超聲振動系統(tǒng)加工的基本原理

超聲加工是采用工具端面的超聲振動，通過磨料懸浮液加工脆性材料的一種加工方法。超聲振動系統(tǒng)示意圖如圖1所示。加工時，在工具頭和工件4之間加入磨料懸浮液，同時使工具以一定的力作用在工件上，超聲換能器產(chǎn)生16kHz以上超聲波的縱向振動，通過變幅桿把振幅放大到0.05～0.1mm左右，驅(qū)動工具端面作超聲振動，迫使磨料懸浮液中的磨粒以很大的加速度和速度不斷地錘擊、沖擊加工表面，使工件材料被加工下來。與此同時，工作液在工具端面的超聲振動作用產(chǎn)生的高頻、交變的液壓正負(fù)沖擊波和“空化”作用加劇了機(jī)械破壞[7]。

圖1 超聲振動系統(tǒng)示意圖

1.2 超聲振動銑磨實驗系統(tǒng)的構(gòu)成與條件

該超聲振動銑磨系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、超聲換能器、變幅桿和刀具等。

超聲波發(fā)生器的作用是將工頻50Hz、220VAC交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電信號，使換能器實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換。本實驗所用超聲波發(fā)生器功能參數(shù)為：電源220V，50Hz，8A；功率P=250W(峰值)；頻率f=20kHz。

超聲換能器的作用是將超聲頻電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。目前所使用的換能器主要有兩種：一種是磁致伸縮換能器，一種是壓電換能器。本實驗采用壓電換能器。

超聲變幅桿的作用是放大超聲振動幅度。本實驗采用圓錐形超聲變幅桿，既能滿足振幅和強(qiáng)度要求，也易于制造，材料選用40Cr。

刀具，由于傳統(tǒng)的燒結(jié)金剛石砂輪在加工碳纖維復(fù)合材料時，砂輪孔容易堵塞而造成砂輪鈍化，且磨損相對較快，因此加工尺寸精度不高，本文選用電鍍金剛石砂輪工具對陶瓷材料進(jìn)行磨削加工，加工工具直徑為8mm，金剛石粒度為100/120 #，實物如圖2所示。

圖2 超聲加工刀具實物圖

2 實驗設(shè)計與實驗

2.1 實驗設(shè)計與結(jié)果

通過正交試驗,以加工工件表面粗糙度值為最終考核目標(biāo),經(jīng)極差分析,討論超聲振動振幅、主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度四個加工參數(shù)對工件表面質(zhì)量的影響,并選擇最合適的加工參數(shù)。正交試驗采用L16(44)四因素四水平的實驗方案，正交試驗參數(shù)水平表如表1所示，正交實驗表和結(jié)果如表2所示。

表1 正交試驗參數(shù)水平表

表2 正交試驗表

2.2 實驗結(jié)果分析與驗證

正交試驗結(jié)果分析如表3所示。通過表3正交試驗極差分析可以得出不同加工參數(shù)對實驗粗糙度值的影響，振幅、主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度對粗糙度值的影響趨勢分別如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

表3 正交試驗分析結(jié)果表

圖3 振幅對粗糙度值的影響

圖4 主軸轉(zhuǎn)速對粗糙度值的影響

圖5 切削深度對粗糙度值的影響

圖6 進(jìn)給速度對粗糙度值的影響

由正交實驗結(jié)果可知，本實驗條件下的最優(yōu)加工參數(shù)為振幅9μm、主軸轉(zhuǎn)速4000r/min、切削深度0.1mm、進(jìn)給速度50mm/min，此時工件的表面粗糙度值最小。即當(dāng)振幅最大、主軸轉(zhuǎn)速最大、進(jìn)給速度最小、切深最小時，得到的加工表面粗糙度值最小。四個因素對粗糙度值影響大小依次為：進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、振幅和切削深度。在已進(jìn)行的試驗中沒有出現(xiàn)此最優(yōu)方案，按最優(yōu)加工參數(shù)組合進(jìn)行試驗驗證，得到的加工表面粗糙度Ra為1.85μm。

3 結(jié)論

對陶瓷材料進(jìn)行了超聲振動磨削正交試驗研究，并與傳統(tǒng)磨削加工方式進(jìn)行了對比，研究了不同加工參數(shù)對超聲加工對陶瓷表面粗糙度值的影響，得出如下結(jié)論：當(dāng)振幅最大、主軸轉(zhuǎn)速最大、進(jìn)給速度最小、切深最小時，得到的加工表面粗糙度值最?。辉诒緦嶒灄l件下加工參數(shù)的最優(yōu)組合為：振幅9μm、主軸轉(zhuǎn)速4000r/min、切削深度0.1mm、進(jìn)給速度50mm/min；加工參數(shù)對粗糙度值影響大小依次為：進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、振幅和切削深度。

[1] 羅志海,楊潤澤.工程陶瓷加工技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)械制造,2010(12):46-48.

[2] 王明海,姜慶杰,徐穎翔.超聲振動銑削陶瓷基復(fù)合材料切削力模擬研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2014(11):54-59.

[3] 柴京富,李堯忠,舒峰.工程陶瓷材料超聲磨削加工工藝研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2009(7):81-83.

[4] 魏士亮,趙鴻,薛開，等.工程陶瓷脆性域旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工切削力研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2014(08):976-981.

[5] 劉超,楊俊平,欣利，等.工程陶瓷材料磨削加工工藝研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].新技術(shù)工藝，2009(7):6-11.

[6] 鄭書友,馮平法,徐西鵬.旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)研究進(jìn)展[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2009(11):1799-1804.

[6] 張遼遠(yuǎn).現(xiàn)代加工技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

ExperimentalInvestigationontheUltrasonicMill-grindingofEngineeringCeramicMaterial

HOU Xianjun

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

In this paper,the ultrasonic mill-grinding system for ceramic materials is analyzed on its structure and working principle.An orthogonal experiment on the ultrasonic mill-grinding of the ceramic material was carried out by ultrasonic vibration system.The effects of processing parameters on the surface roughness of ground ceramic materials were investigated by experiments.The results show that,compared with traditional machining,ultrasonic mill-grinding can reduce the surface roughness of the workpiece;the smallest surface roughness value can be obtained with the maximum amplitude,maximum spindle speed,minimum feed rate,minimum depth of cutting;The influence order of machining parameters on the roughness value is:feed speed,spindle speed,amplitude and cutting depth.

ultrasonic mill-grinding;ceramic material;processing parameters;surface roughness

TH16

A

2016-12-26

侯獻(xiàn)軍(1969—)，男，實驗師，研究方向：機(jī)械制造、超聲加工研究。

1003-1251(2017)05-0095-03