脆性材料的旋转超声辅助铣削

郭继林1，TSAO钟成2

1.国立台北科技大学车辆工程系，台北106；

2.新竹县塔华工学院自动化工程系307

2012年5月21日收到；2012年9月22日接受

摘要：

为了提高超声波铣削的加工效率，最简单、最有效的方法是从改进刀具设计入手。本研究的主要目的是利用旋转超声加工(RUM)在去除脆性材料方面的有效性来扩展这种独立的创新制造方法(自驱动旋转超声加工)的应用，并通过实验研究其在脆性材料上的铣削应用。所设计的工具与先前建立的RUM机床结合使用，并选择玻璃作为实验工件。讨论了进给速度与切削深度的相互关系。通过测量工件的表面粗糙度，评价并提出了利用表面粗糙度进行铣削加工的总体效果。超声波辅助研磨会降低研磨阻力，从而提高加工速度。

关键词:旋转超声波；超声波辅助研磨；脆性材料

1、介绍

1927年，WOOD和LOOMIS首次介绍了超声波加工的应用。他们在玻璃棒上施加高频振动(约70千赫)，借助研磨砂砾从玻璃基板上去除材料。他们发现这种工艺适合在玻璃基板上钻孔，并发表了第一篇关于超声波加工[1]的研究论文。1950年，美国工程师巴拉穆特(BALAMUTH)揭示了工具类型对砂砾混合以及材料去除率的影响。这项研究导致了所用加工工具的发展，从而大大提高了超声去除脆性和硬质材料的效率[2]。在其发展的早期，超声波加工依靠纵向振动和研磨浆来去除微观尺度的材料。材料去除机制的模式包括锤击、磨损和滚齿，如图1(a)[35所示。因此，它的应用主要局限于钻井过程，材料挖掘的深度受到泥浆进入孔内深度的限制。使用表面磨损机制，直到TYRELL [6]通过在圆形板的底部电镀金刚石磨粒，将磨料直接粘合到工具上。然后，通过在刀具底部和侧面电镀金刚石磨粒，MARKOV将这种方法扩展到旋转超声波加工(RUM)。他成功地进行了槽铣，提高了可达到的钻孔深度，同时促进了超声波铣削工艺的发展[7]。这种固定磨粒铣削方法不涉及研磨磨粒的自由滚动，这有效地消除了滚齿作用。然而，由于研磨砂砾和工具的耦合，材料提取的效果得到增强，如图1(b) [8]所示。由于铣削被归类为水平加工过程，其运动垂直于由RUM提供的纵向动能。这意味着锤击和拔出动作不能辅助铣削过程，仅留下由刀具旋转和微振动[9]产生的磨损动作。在这种情况下，提高超声波铣削加工效率的最简单和最有效的方法似乎是从改进刀具设计开始的。贝聿铭和普拉巴卡尔·[10]设计了一种相对于工具底面呈15°锥度的铣刀。这种设计使用锥角将纵向力分解为横向力，这保持了所有三种材料去除模式(锤击、磨损和提取)。PEI将这种方法命名为旋转超声波端面铣削(RUFM)，并在参考文献中详细讨论了钻孔和铣削的材料去除率(MRR)。[11]。由于刀具半径限制了RUFM的切削深度，只能进行表面铣削，工件宽度小于刀具半径。与MRR和其他工艺相比，超声磨削是一种比其他超声加工方法更有效的表面铣削替代方法[12]。为了改进超声波铣削的应用，YA等人[13]将刀具底部修改成球形。工具的曲面有效地传递了超声波动能，字母被成功地刻在玻璃工件上。图1材料去除模式:(a)自由研磨砂砾；(b)

固定磨粒

2实验装置

在本实验中，RUM平台由几个系统组成，如超声波系统、进给系统、驱动控制系统。进给系统使用计算机控制的步进电机来驱动滚珠丝杠。它提供3个自由度的同步驱动。Visual Basic编程语言用于执行过程规划。刀具路径因此自动生成，这有效地减少了人为因素的影响(图2)。图2实验装置的照片

超声波系统通过压电陶瓷产生振动。压电产生的最大振幅是有限的，因此加工频率被设置为接近铣削系统的共振频率，以便利用共振效应并增加振幅和能量。这意味着该过程的效率可以提高。为了将超声波动能保持在最佳水平，实验平台包括共振传感器和补偿系统。它会自动测量振动工具的共振点并进行相应调整，这比手动调整更可靠。此外，共振频率因振动系统的发热、加工阻抗的变化、工具磨损和其他因素而变化。这种自动补偿方案考虑了上述因素，并且每隔10秒微调处理频率，以将高频振动保持在最佳状态。

3实验参数和设计

3.1实验参数

3.1.1振动频率和振幅超声波铣削利用压电陶瓷产生的高频振动。

振荡幅度为0.1-0.3m，可通过喇叭增加数倍。为了增加过程的容量，可以施加更大的电压。然而，提高电压带来的改善相当有限。加工频率必须设置在铣削系统的共振频率附近，以便利用共振效应并增加振幅和能量。根据到谐振点的距离，可以达到10到100倍的放大倍数。由于振幅较大，过程的效率可以提高。

共振频率因振动系统的发热以及加工阻力和工具磨损等其他因素而变化。考虑到这些不确定性，该研究平台包括一个自动频率补偿系统。可以使用共振变化的反馈来自动调节处理频率，使得振动可以保持在最佳状态。

3.1.2转速

RUM工艺不仅利用振动去除材料，还利用旋转产生的磨损。这是朗姆酒的MRR优于固定超声加工的主要原因。转速越高，材料去除率越高；然而，旋转速度的增加导致加工后的表面质量下降。此外，与增加的转速相关的更大的离心力意味着冷却剂不能在工作表面上停留很长时间，从而降低了冷却效率。

3.1.3切割深度和进给速度

材料去除率(MRR)指单位时间去除的材料；它的计算取决于刀具形状、铣削材料的长度和铣削时间。因此，实验可能导致不同的材料去除率。由于铣削是水平加工过程，最重要的工艺参数是进给速度。由于进料速度将决定整个研磨时间，更高的进料速度将导致更有效的过程。因此，进料速度应与材料去除效率一起确定。材料移除量也根据切割深度而变化。当切削深度增加时，施加在刀具上的阻力也相应增加。如果切削深度太大，会在刀具上产生巨大的应力，导致刀具变形和断裂。在这种情况下，由于切割深度大，进给速度应该降低。

3.2实验设计

3.2.1工件选择

超声波加工利用微振动的能量在锤击作用下去除材料。因此，当铣削硬而脆的材料时，由超声波能量产生的反复锤击作用被传递到材料上，并在塑性变形之前导致断裂。然而，如果加工韧性材料，其高塑性变形将吸收与锤击作用相关的动能，消除超声波的影响。这导致了一个不利的MRR。一种材料是否适合于

超声波加工可由其脆性决定，其定义和计算如下所示

B=SS/SF (1)

其中，B表示脆性，ss表示剪切应力，SF表示断裂应力。材料越硬，断裂应力越低。因此，脆性更高。不同材料的脆性和超声可加工性列于表1。如表1所列，超声波适用于加工玻璃和陶瓷等硬脆材料。由于本研究的目的是评估超声波铣削的效率和实用性，所以选择非钢化玻璃作为实验材料，因为它价格便宜且容易获得。它的努普硬度大约在450-510之间。

表1材料脆性和超声可加工性

3.2.2材料去除实验的设计

MRR随切割深度(H)和进料速度(v)而变化。当H和v增加时，MRR增加。然而，随着铣削阻力的增加，过度的铣削阻力可能会使工件的表面粗糙度变粗，并加速刀具磨损。为了理解上述两个因素之间的相互关系，在材料去除实验中选择了三个进给速度水平和三个切割深度水平作为工艺参数。表2列出了为实验设计的工艺参数矩阵。所进行的实验包括用不同的参数铣削150毫米长的槽。每次运行后测量铣槽的表面粗糙度。为了减少实验误差，转速固定在5000转/分，振幅调整为25米。共振补偿系统自动调整工具的共振频率。该工具的固定长度为30毫米。这些恒定的参数使频率在整个实验过程中保持相对恒定。

表2材料去除实验设计

处理频率f=22千赫；振幅alpha;= 25微米；转速5000转/分。

3.2.3参考实验

理论上，超声波降低了切削阻力和成品工件的表面粗糙度。为了验证超声波处理是否对这些参数有影响，进行了参考实验来比较材料去除实验的结果。由于较大的铣削深度导致较高的加工阻力，为了简化实验参数，切削深度被固定在3毫米。在不同的进给速度下，在没有超声波的情况下铣削150毫米长的槽。参考实验的设计列于表3。

表3无超声波铣削基准实验设计

处理频率f=0千赫；振幅alpha;= 0微米；转速5000转/分。

4实验结果

本实验旨在评估超声波铣削是否有利于材料去除。在不同的进给速度和切削深度下，讨论了各参数对工件表面粗糙度的影响。使用表面粗糙度计测量2.5毫米取样宽度的平均表面粗糙度(Ra)。因为探测器的测量长度限制在25毫米，所以无法完全测量整个150毫米的狭缝。相反，选择工具入口和出口区域进行表面粗糙度测量。为了减少测量误差，在入口和出口区域的不同位置随机重复测量20次，并对结果进行平均和比较，如表4所示。

表4铣削入口和出口区域的槽表面粗糙度

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