超声加工技术的应用, 主要利用超声振动工具, 在具备磨料的干磨料、液体介质中形成冲击力、液压力、抛磨力等, 产生气蚀之后可去除材料;或者将工具、工件等按照一定方向实行超声频振动, 形成振动加工;或者通过超声振动作用, 促进工件的相互结合。近年来, 超声加工技术已经广泛发展起来, 并且在磨削加工、超声振动切削领域广泛应用, 尤其在工程陶瓷加工中, 已经取得一定进展, 解决了诸多关键性技术问题, 效果良好。
将磨料悬浮液加入到工件与工具之间, 利用超声发生器形成超声振动波;经过换能器的转换之后, 形成超声机械振动, 这样悬浮液中产生的磨粒就会对加工表面造成撞击, 被加工材料的局部就会经过撞击而掉落。在工件的表面, 具有瞬间交替作用的正压冲击波与负压空化作用, 以此强化加工过程。在超声加工技术中, 涉及到机床、超声振动系统、电源、轴向力反馈保护系统等, 且超声振动系统是关键、核心环节[1], 主要包括以下几部分。
通过应用超声波转换器, 可以将高频电振动转化为机械振动, 并通过以下两种形式实现: (1) 磁致伸缩法。在处于变化状态的磁场中, 砦铁磁体或者铁氧化体的长度也会发生变化, 即磁致伸缩效应。在磁致伸缩换能器中, Q值 (即能量峰值锐度) 相对较低, 因此可以传递较宽的频率, 以此增加设计变幅杆的灵活性, 而刀具与其相连接之后, 即使发生加工过程的磨损现象, 也可进行重磨[2]; (2) 压电效应法。通过应用压电晶片, 在外电场中随着电场的方向变化而产生形变, 利用压电换能器将高频的电振动转化为机械振动。压电换能器的电声转换频率较高, 不会产生热量损失, 也不需要采取冷却方法, 可支持旋转性操作, 便于操作。
通过应用变幅杆, 可以进一步扩大换能器中发出的超声振幅, 支持超声波加工过程。这主要由于在任意截面中的振动能量保持不变, 而截面越小的地方, 能量密度则越大, 而振动幅度也随之加大。在加工大功率超声过程中, 可以将变幅杆与工具设计为一个整体, 可考虑采用CAD技术、CAM技术、有限元分析技术等[3]。
可以将工具看作是变幅杆的负载, 因此工具尺寸大小、质量好坏等, 将与变幅杆的连接密切相关, 同时也对超声振动频率、超声波加工性能等产生影响。通过应用螺钉或者焊接形式, 将工具固定到变幅杆中。如果采取可拆卸的方式, 虽然便于工具的更换速度, 但是可能造成超声能量损失、工具松懈或者过于疲劳等缺陷。
陶瓷材料可以广泛应用于诸多工作场合, 由于其用途的特殊性, 因此对加工精度、表面质量等提出诸多要求;但是考虑到陶瓷材料的低断裂韧性、高脆性等特征, 和材料的弹性较为接近, 因此加工过程存在一定难度, 如果加工方法不当, 可能破坏表面层组织, 对加工质量造成影响。因此, 加工技术的选择, 将对陶瓷材料应用范围产生重要作用。当前, 国内外诸多学者已经开展超声加工技术在陶瓷加工中的应用研究。
精密超声加工技术主要针对A12O3陶瓷材料中的微去除量应用, 主要对陶瓷材料中超声加工的特征进行模拟, 分析材料的去除原理。经大量的实践研究来看, 在低冲击力的作用下。陶瓷材料的结构会发生变化, 同时出现晶粒错位问题, 而过高的冲击力, 又会发生凹痕或者裂纹[4]。
超声振动脉冲放电加工技术主要应用于工程陶瓷小孔中, 工具电极中的超声振动, 形成脉冲放电, 进而取替传统的电火花加工形式, 发挥专用脉冲发生器的重要作用。另外, 通过应用工具电极中超声振动, 还可以对缝隙进行清洗。该技术可以对A12O3基陶瓷刀具的材料表面方孔进行定位和加工;通过对其工作机理、加工参数等研究, 可获得不同陶瓷材料加工的效率、表面粗糙性等, 总结发生影响的规律[5]。通过实验结果来看, 采取该种复合加工技术, 结合超声加工与放电加工的双重优势, 提高陶瓷材料的性能与质量, 更好地投入使用。
该技术主要针对陶瓷深孔加工, 具有高效性、精密性等特征, 通过对超声振动磨削技术及传统的磨削陶瓷深孔技术进行对比。从实验结果来看, 采取超声振动磨削技术, 可有效保障陶瓷加工的效率, 并可避免在加工过程中发生的裂纹、凹坑等缺陷和问题, 因此在陶瓷加工中具有良好的应用空间, 将成为今后发展趋势。
当前, 超声振动磨削机理的研究较为深入, 尤其是细晶氧化锆陶瓷试件中, 进行二维超声振动磨削试验, 对其性能、应用等进行确定。该实验中, 主要针对磨削的深度对磨削力、材料去除率、表面粗糙度等因素进行探讨。通过实验结果, 获得如下体会。
(1) 通过研究普通的磨削技术, 与二维超声振动磨削技术进行对比, 充分体现了磨削深度的变化对增加材料去除率的影响;在同样的磨削深度状态下, 二维超声振动磨削的去除率强于普通磨削技术;而超声振动磨削材料的去除率可以达到普通技术的2倍左右[6]。
(2) 无论是普通磨削技术还是超声振动磨削技术, 都将随着磨削深度的增加而有所提高, 如果达到了临界值, 那么磨削力就会产生波动, 进而超过了该临界的深度值磨削力进一步下降。经实验来看, 采用超声振动磨削力技术, 与普通磨削力相比将减少20%~35%左右。
(3) 在同样的切深状态下, 二维超声振动的磨削表面粗超度较低, 与普通的磨削技术相比, 表面粗糙度可降低20%~50%, 而二维振动磨削可有效保障磨削的性能与表面质量。
(4) 超声加工技术的应用, 可有效改善传统加工技术的弊端, 尤其在脆硬材料加工中的应用, 推动材料加工技术的优化发展。
由上可见, 通过超声加工技术在陶瓷加工中的应用, 可有效控制成本, 提高加工效率, 确保工件的良好性能与质量水平。因此, 经大量实验来看, 超声加工技术是一种有效的工程陶瓷加工方法。随着我国在陶瓷材料加工方面的不断探索与研究, 研发了越来越多先进的加工设备、掌握了复合加工方法, 推动工程陶瓷加工技术的成熟发展, 进而为今后工程陶瓷材料的应用拓展空间。
摘要：本文结合超声加工技术原理, 对超声加工技术在陶瓷加工中的应用进行分析, 着重介绍二维超声加工技术的运用, 以更好地保障工程陶瓷加工质量水平。
关键词：超声加工,陶瓷加工,二维超声技术,应用
[1] 张磊.硬脆材料异形面超声微精加工工艺研究[D].扬州大学, 2010.
[2] 冯平法, 郑书友, 张京京.功率超声加工关键技术的研究进展[J].制造技术与机床, 2009 (5) .
[3] 赵文凤, 郭钟宁, 唐勇军.新型超声振动结构的研究进展[J].机床与液压, 2010 (15) .
[4] 贾宝贤, 王冬生, 赵万生, 等.微细超声加工技术的发展现状与评析[J].电加工与模具, 2006 (4) .
[5] 魏星.面向先进性材料的超声加工技术[A].中国电子学会2008年电子机械、微波结构工艺学术会议, 2008.
[6] 郑建新, 徐家文, 吕正兵.陶瓷材料延性域磨削机理[J].硅酸盐学报, 2006 (1) .
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