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工具搖（yáo）動對（duì）超聲（shēng）波加工微孔深徑比的影響

2020-8-13 來源：大連理工大學機械工程學院（yuàn）作者：雷森旺周凱餘祖元李劍中

摘要：微細超聲加工（gōng）深孔時會出現加工速度太小或加工力過大的現象，導致深孔加工無法繼（jì）續。為此采用輔助工具搖動的方法進行微細超聲微孔加工實驗（yàn），成功加工出直徑約為 92 μm、深徑比大於 10 的微（wēi）孔，且加工效率明顯（xiǎn）提高。同時（shí）研究（jiū）了工具搖動對加（jiā）工效果的（de）影響。

關鍵詞：工具搖動；微細超聲加（jiā）工：深孔

隨著科技的不斷發展，航空、醫療、精密儀器等行業對微細零件的需（xū）求量與日俱增，在湧（yǒng）現出的諸如微（wēi）細電火花加工、微（wēi）細電化學加（jiā）工、激光加工及微（wēi）細超聲波加工（gōng）等（děng）特（tè）種加工方（fāng）法中，超聲波加工通過磨粒衝擊脆硬性材料，可加（jiā）工導電或非導（dǎo）電（diàn）材（cái）料，且不受材料導熱性的（de）影響，能夠加工出高（gāo）深徑（jìng）比和複雜三維型腔的零件[1]。

在前人（rén）對微（wēi）細超聲波加工的研究中，有通過數學建模對工具（jù）磨損進行預測[2]，有對材料去除（chú）模式即對塑性和脆性去除進行探索[3]，也有對加工質量、精度（dù）影響因素的探究[4]，但對微細超聲加（jiā）工深孔的研究文（wén）獻（xiàn）很少。

安成明等在影響微細超聲加工效率的加工（gōng）參數研究中發現，以加工力反（fǎn）饋控製的恒力進給加工時，加工效率會隨著孔深度的增加而逐漸降低，認（rèn）為其原因可能是：當孔（kǒng）越深時，加工（gōng）區域與外（wài）界磨粒之間的交（jiāo）換過程越（yuè）困難，從而降低（dī）了材料去除率[5]。 Tateishi 等在用傳統微細（xì）超聲加工單晶矽上（shàng）的深孔時，證明（míng）了加（jiā）工開始產生的邊緣缺陷並非由於加工深度大而造成的，且認為無法加工（gōng）深孔的

原因是：在恒速加工時，加（jiā）工深度增加，孔底部無磨粒進入，導致（zhì）磨粒無法得到交換，且加工力隨著工具向（xiàng）下進給而（ér）增大（dà），甚至會使工具折（shé）斷而導致加工無法繼續。

基於此，Tateishi 等利用電流變流（liú）體輔助超聲加工方法，成功地加工出（chū）直徑為 100 μm、深徑比為 10 的孔（kǒng）[6]。王丹等采用五（wǔ）因素五水平正交試驗方法，分析了不同加工參數對（duì）微晶雲母陶瓷的微（wēi）細超聲（shēng）加工工具體（tǐ）積損耗率的影響，並選擇較優的參數組合（hé）在微（wēi）晶雲母（mǔ）陶瓷片上加工出直徑為（wéi） 80 μm、深度為 530 μm、孔側壁錐度小於 0.5°的深通孔，其深徑（jìng）比為（wéi） 6.625，但加工時間較長，達 4.5 h[7]。

在電火花加工模（mó）具實踐中，通過電極搖動可減（jiǎn）少切屑在放電間隙的堆積，從而避免了加工過程（chéng）中的短路和拉弧[8]。餘（yú）祖元等用微細電（diàn）火花輔助電極搖動的方（fāng）法在不鏽鋼上成功加工出深（shēn）徑比（bǐ）為 18 的微孔[9]，並認（rèn）為利用工具搖動（dòng）可增加加工屑的活動空間（jiān），便於排除加工屑（xiè），從而既能提高深徑比，還能提高加工效率和精度。此外，通過設計不同的工具（jù）搖動軌跡，可加工出不同形狀的孔。

然而，在用微細超聲加工（gōng）深孔時會（huì）出現加工速度減（jiǎn）小[5]或工具折斷[6]等現象，造成深孔加工無法進行。對此，本文提出（chū）一種結（jié）合工具搖動的微細超聲加工方法。在進行深孔加工（gōng）過程中，當工具進給到一定深度後（hòu），工具搖動增加了空間（jiān），便於排除加工屑，促進加（jiā）工區域的磨粒更新，從而達到提高微細孔加（jiā）工效率和深徑比的目的。

1 、實驗準備

1.1 實（shí）驗設備

圖 1 是微（wēi）細超聲立式加工（gōng）裝置的示意圖。該裝置包括微細工具電火花製備模塊、精密伺服進給模塊、微細超聲加工模塊及加工力監測模塊，其實物照片見（jiàn）圖 2。

圖 1 微細超聲加工裝置結構示意圖

圖 2 微細超聲加工裝置實物圖

微細工具電火花（huā）製備模塊由 RC 脈衝電（diàn）源、放電狀態（tài）檢測和 WEDG[10]走絲（sī）機構組成，主（zhǔ）要用於微細工具的在線製備。精密伺服進給模塊采用高精度運動平台，其定位精度為 1 μm，精密旋轉（zhuǎn）主軸的徑向跳動小（xiǎo）於 1 μm，最高轉速達 40 000 r/min。微細超（chāo）聲加工模塊（kuài）主要由超聲波發生器、超聲波換能器、加工力狀態監測裝置及磨粒懸浮液組成，其中，超聲波發（fā）生器的振動頻率（lǜ）約為 35 k Hz，振幅可調節範圍為 0.3~3 μm；加工力監測裝置采用（yòng）稱重範圍為1100 g、感量為 0.001 g 的（de）精密電子天平對加工力進行實時測量；磨粒懸浮液由金剛石粉末與去（qù）離子水按一定質量比配（pèi）製而成。

1.2 實驗條件

實（shí）驗采（cǎi）用恒力加工、工件振動[11]的方式進行，實（shí）驗條件見（jiàn）表 1。實驗過程中，每一個搖動半（bàn）徑對應一係列（liè）的搖動速度，當搖動半徑和搖動（dòng）速度均為 0時，即（jí）工具不搖動；振幅通過調節超聲波發生器的輸入電壓大小進行控製；懸浮液由金剛石磨粒（lì）和去（qù）離（lí）子水配製而成，其質量分數為 3%。

表 1 實驗條件

本實驗為圓孔加工，工具的搖（yáo）動運動示意見圖3。通過 X-Y 雙軸聯動實現圓形搖動軌跡，即工具在（zài）轉動（dòng）進給的同（tóng）時，沿（yán）著圓形搖動軌跡運動。

圖 3 工具搖（yáo）動運動示意圖（tú）

1.3 實驗方法

將（jiāng）大（dà）小合適的石英（yīng）片（piàn）通過（guò）強力雙麵（miàn）膠粘在換能器振（zhèn）動頭（tóu）上，並在石英片上滴加懸浮液（yè）。工具的磨損（sǔn）長度通過（guò）加工前後對工件上同一點進行探測的 Z 軸坐標之差得到，測（cè）量（liàng）的加載（zǎi）力值為 0.01 g，

其計算（suàn）示意見圖 4。為保證測量值的準確性，加工前後采用多次探測並取其平（píng）均值（zhí）。

本文設置加工力（lì）的（de）最大值為 3 g。在（zài）實驗過程中，通過（guò）改變進給速度保（bǎo）持加工力在一定範圍內波動（恒力加工）。

圖 5、圖 6 分別是正常加工和無法繼續加（jiā）工的力信號曲線。當（dāng）加工（gōng）無法繼（jì）續時，工具與孔（kǒng）底部之間的磨粒較（jiào）少或（huò）沒有磨粒，工具將直接撞擊工件，導致力信號曲線波（bō）動劇烈，同時也沒有產生（shēng）正常去除（chú）材（cái）料的力信號（圖 5 所示虛線框中的曲線）。當進給速度小於（yú） 0.2 μm/s 且力（lì）信號曲線波動迅速時則停（tíng）止加工，此時的進給深度作為最終進給深（shēn）度（dù），再減去工具磨損量，即可得到加工孔的深度。

圖 4 工具磨損計算示意圖

圖 5 正常加工時的力信號曲線（xiàn）

圖 6 無法繼續加工時的力信號曲線

2 、實驗結果及分析

2.1 無工（gōng）具搖動加工（gōng）實驗

在（zài）進行無工具搖動微細超聲深孔加工實驗時，記錄工具進給一定深度所用的（de）時間，以驗證文獻[5]中的現象是否（fǒu）為共性。如表 2 所示，1#~6# 是無工具搖動時各孔的加工參數。在實驗中發現

，未使用工具搖動進行深孔（kǒng）加工時，達到一定進給深度後，工具隻能以很小的速度向下進給，耗時長。

根據實驗數據繪製進（jìn）給深（shēn）度與加工時間的關係曲線，由圖 7可見（jiàn），當工具進給到一定深度後，其進給速度會逐漸減小，即（jí）加工速度減慢，加（jiā）工效率降低，與文（wén）獻[5]描述的一致，其（qí）中 1# 工具所對應的曲線的減小趨勢最明顯。

此外，4# 工具加工的孔（kǒng），其深徑比最大，為 6.38，孔徑為（wéi） 107.7 μm；但耗時較長（zhǎng），約 49 min。

表2 各孔的（de）加（jiā）工參數

圖（tú） 7 無工具搖動加工時的進給深度與（yǔ）加工（gōng）時間的關係曲線

2.2 工具搖（yáo）動加工實驗

以 100 μm 作為微孔的目標直徑進行（háng）工具搖動（dòng）微細超聲深孔加工實驗，並與無工具搖動加工進行比較（以 6# 工具為（wéi）代表）。

表 2 所（suǒ）示 7#~12# 是工具搖動時各孔的加工參數，根（gēn）據實（shí）驗數據繪製（zhì）進給深度與加（jiā）工時間的關（guān）係曲線，對比（bǐ） 6# 工具可發現，使用工具搖動（dòng）加工時，達到一定（dìng）進給深度後，工具（jù）仍能（néng）以（yǐ）較大的（de）速度進（jìn）給，且（qiě）加工力波動在（zài）設定範圍內（nèi），用時也較短。如圖 9 所示（shì），10# 工具加工的微孔直徑約為 92 μm，深徑比為 10.1，耗時 25 min。

圖（tú） 8 工具搖動加工時的進給深度與加工時間的關係曲線

圖 9 深徑比為 10.1 的孔及加工後的（de）工具

2.2.1 工具搖動對深徑比的影響

圖 10 是工具（jù）搖動加工微孔和無搖（yáo）動加工微孔的（de）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（wéi） 70±5 μm，且采用搖動加工（gōng）後，存在搖動半（bàn）徑，所加工孔的深（shēn）徑比均大於 9。因此，使（shǐ）用工具搖動進行微孔加工，可使孔的深徑比有較大的提高（gāo）。

圖（tú）10 工具搖動對孔的深徑比的影響

2.2.2 工具搖動對加工效率的影響

由圖 8 可知，使用工具搖動進行加工，在提高孔的深徑（jìng）比的同時，還縮短了加工時間，提高了加工效率。由於工件材料去除率反映了微孔直徑、加工深度、工具損耗和（hé）加工時間等情況，因此能綜合反映出超聲微（wēi）孔加工效率和綜（zōng）合性能。本文通（tōng）過計算各（gè）孔的材（cái）料去除率來（lái）對比加工（gōng）效率。材料去除（chú）率vw的計算公式（shì）為：

由圖 11 可見，1#、2# 工（gōng）具加工的材料去除率較大，主（zhǔ）要是由於工具直徑較大（dà），故加（jiā）工能力強（qiáng）；3#--6# 工具的直徑相差不大（dà），故材料去除率差別也較小（xiǎo）；在使用工具搖動加工後（hòu），7#~12#

工（gōng）具加工的材料去除率均有所提高，其提高程度與（yǔ）搖動參數有關（guān）。

為了探究工具搖動參數對材料去除率的影響，在相同的搖動半徑下，選用不同的搖動速度進行超聲微孔加工實驗，並取相同的進給深度為 1.05 mm，工具直徑為 71±3 μm，其他實驗條件同表

1。

圖 11 工具搖動對孔的（de）材料去除率的影響

由圖（tú） 12 可看出，當工具搖動半（bàn）徑一定時，材料（liào）去除率（lǜ）隨著搖動速度的增加而增大。分析原因：搖動速度增加時，處於工具（jù）端部下方的加工區（qū）域移動速度（dù）加快，孔底部（bù）的材料更快地被（bèi）去除，從而提高了（le）材料去除（chú）率；同時，工具與加工孔側壁間的懸浮液流動加快，促進加工屑的排出和（hé）孔底磨（mó）粒的交換。

圖 12 材料去除率隨工具（jù）搖動速度的變化（huà）（粒徑 1 μm）

另外，搖動半徑為 9 μm 時（shí），材（cái）料去除率（lǜ）先增大、後減小，這可能是由於（yú）隨著搖動速度增加到一定值並超過了該加工條件下的加工能力後，加工效率（lǜ）隨之降低。

由（yóu）圖 13 可看出，材料去（qù）除率均隨著搖動速度的增加呈先增大、後減小的規律。這可能是由於使用直徑為 0.5 μm 的磨粒時，加工能力減小，隨著搖動速度增加（jiā），更快地達到加工能力的（de）最大值。

圖（tú） 13 材料去除（chú）率隨工具搖動速度的（de）變化（粒徑 0.5 μm）

由於實際搖動速（sù）度與給（gěi）定搖動速度存在很（hěn）大（dà）差異，故未進行相同搖動速度、不同搖動半徑下的加工實驗，但對此（cǐ）種情況下（xià）的材料去除率做了如下猜測：隨著工具搖動半徑的增加，去除的（de）材料體積將增（zēng）多，材料去除率隨之會減小；當搖動半徑增加後，工具（jù）與孔側壁間的距離將增大，便（biàn）於加工屑的排出和孔底部（bù）磨粒的交換（huàn），這會促使（shǐ）材料去（qù）除率增大（dà）。

由於上述兩（liǎng）個原因，材料去除率可能（néng）隨（suí）著（zhe）工具搖動半徑的變化而不呈現出明顯的（de）規律。

2.2.3 工具搖動（dòng）對（duì）工具磨損的（de）影響

在微細超聲加工過程中，特別是長時間加工，工具磨損較嚴重。工具磨損與加（jiā）工時間、工具直徑（jìng）、磨粒大小、靜壓力、振（zhèn）幅（fú）等（děng）有直接關係[12]。本實驗中，加工深孔的時間較長，對工具磨損的影響較（jiào）大；同時使用了（le）工具搖動，其對工具磨損的影響尚不明確。在實際生產中，衡量工具是（shì）否（fǒu）耐磨損，不隻考慮工具磨損速度，還要考慮相應的加工速度，故采用工具相對磨損率作為衡量工具耐磨損的指標。對上（shàng）述實驗中不同工（gōng）具的相對磨損率進行了（le）比較，工具相（xiàng）對磨損（sǔn）率 θ 可表示為：

圖 14 是（shì）工具 1#~12# 的相對磨損率。可見，使（shǐ）用工具搖動後，工具磨損加快。分析原因：工具搖動促進了加工屑的排（pái）出和孔底部磨粒的交換，同時加快對工件和工具材料的去除，導致工具磨損增（zēng）大（dà）。

2.2.4 工具搖動對加工間隙的影響

在超聲加工微孔（kǒng）過（guò）程中，加工區域與外界磨粒會隨著懸浮液的（de）流動進行交換，且高速運動的磨粒對側壁也會造成很大的衝擊，因此孔的尺寸相比於工具尺寸有所增大，在孔壁與工具之間會形成加工間隙，間隙的大小將影響所加工孔的尺寸。

圖 14 工具搖動對工具（jù）相對磨損率的影響

通過對上述（shù）實驗中單邊加工間隙的計算和比較，分別得出了無工具搖動和工具搖動時的單邊加工間（jiān）隙 Dg的（de）表達式：

圖 15 是不同的工具加工孔（kǒng）的單邊加工間隙。由 7#~12# 對應的工具搖動後的實（shí）驗數據可見，單邊加工間隙有減小（xiǎo）的趨勢。分（fèn）析原因：當工具搖動後，磨（mó）粒與（yǔ）外界的交換通道加大，對孔側壁的衝擊作用減（jiǎn）小，故加工間隙減小。

圖 15 工具搖動對單邊加工間隙的影響

4 、結束語

本文提出了輔助工具（jù）搖動的微細超聲深孔加工方法。通過工作平台 X-Y 軸的聯動進行圓周運動，實現圓形搖動軌跡，結合傳統微細（xì）超聲加（jiā）工，成功加工出深徑比為10 的微（wēi）孔，且加工效率明顯（xiǎn）提高。

在研（yán）究搖動參數對加工（gōng）效率的影響時，發（fā）現材料去除率會隨著搖動速度的增加而增大，有（yǒu）時搖動速度增加到一定程度後會使材料（liào）去除率（lǜ）減小，並猜測搖動半徑變化對材料去除率的影響無明顯規律。同時，使用工具搖（yáo）動進行（háng）微孔加工時（shí），會使工具（jù）磨損（sǔn）增加，而加工間（jiān）隙（xì）減小。

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