微细孔超声加工关键技术

为提高微细孔超声加工的微细程度和精度,研究微细孔超声加工的关键技术,包括高精度的机床本体、超声加工单元、微细工具的制备技术、微细工具几何参数的选择等。对微细工具的动态压杆稳定性进行分析,结果表明微细工具的压杆稳定性不仅与静压力有关,还与超声振幅有关。导出判别动态压杆稳定性的Mathieu方程,并经简化给出工具临界压力和临界长度的计算判据,解决因工具长度、静压力(压应力)大小和超声振幅选择不当而导致的加工中出现工具轴弯曲、折断、破坏孔的形状精度的问题。对工件振动方式的微细孔超声加工进行的试验表明,微细工具的磨损率随着进给速度和超声振幅的增大而增加。在所研制的微细超声加工系统上可加工出直径13 μm的微细孔。     

微细超声加工机床关键零部件设计

微细超声加工机床是实施微细超声加工的基础。针对微细超声加工的原理,对微细超声加工机床中的关键零部件进行了设计,包括主轴设计、微细超声振动工作液槽设计、运动控制系统硬件设计与数据采集系统硬件设计。块电极通过辅助夹具安装于微细超声振动工作液槽中,能够实现微细工具电极的在线加工。采用双超声振动系统设计结构,可以根据加工需要自由的选择将微细超声振动施加到工具或者工件上。宏微复合的运动控制模式能有效的保证运动控制精度,加工实时力与机床运动结合形成的闭环结构能满足微细超声加工中的恒力进给需求。     

超声振动辅助模板电解加工微凹坑方法研究

针对微细电解加工表面微织构加工精度较差等问题,提出超声振动辅助模板电解加工方法。制备具有通孔结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)绝缘模板,设计制作超声振动变幅杆结构;进行超声振动辅助模板电解加工仿真分析,开展微凹坑加工试验研究。在加工电压为12 V和加工时间为12 s条件下,辅助以纵向超声波振动频率为28 kHz及超声振幅为7μm时有：绝缘模板作用下加工的微凹坑深度为10.4μm,直径为116μm;无绝缘模板作用下加工的微凹坑深度为9.7μm,直径为126μm;无超声振动时绝缘模板作用下加工的微凹坑深度为4.1μm,直径为114μm。     

电泳辅助微细超声加工机床设计与实验

微细超声加工时,加工区域内的磨粒会被高频振动的工具或工件振出加工区,使加工区域出现无磨粒,导致工具与工件直接作用,影响加工质量与加工效率。为解决上述问题,提出了一种电泳辅助微细超声加工新技术。利用超微磨粒的电泳特性,通过在工具电极与辅助电极之间施加电场,溶液中的超微磨粒泳动到加工区域,甚至是附着或半附着在微细工具上,保证了加工区域磨粒的存在,从而提高微细超声加工质量、加工效率。针对新技术,设计了电泳辅助微细超声加工机床并进行了实验,机床硬件部分包括主轴设计、运动系统硬件设计、电泳辅助微细超声加工工作液槽设计及数据采集系统硬件设计;基于LabVIEW软件开发恒力控制加工控制系统,包括初始化模块、运动控制选择模块、粗对刀模块、恒力对刀模块、恒力控制加工模块以及实时显示模块。开展了微细超声加工与电泳辅助微细超声加工对比实验研究,实验结果表明,在保持其他加工参数相同的条件下,电泳辅助微细超声加工的孔边缘质量更好,微细超声加工后的孔底表面粗糙度Sa=3.008μm,而电泳辅助微细超声加工后的孔底表面粗糙度Sa=1.494μm。     

超声振动切削加工振幅的简易测量

超声变幅杆振幅位移是超声振动加工中表征功率超声系统输出声功率大小的重要性能指标,常用测量方法或者测量精度差,或者仪器昂贵、不易操作。本文介绍了超声振动数控加工振幅的两种简易测量方法,该方法具有仪器简单、操作简便和便于在加工现场测量、结果相对准确等优点,对于超声变幅杆的振幅测量具有实用性和可行性。     

超声调制电加工振动系统研制及试验

根据超声调制电加工振动系统对换能器的要求,设计PZT陶瓷片组合的压电换能器,利用ANSYS分析换能器、变幅杆及工具电极的频率、振幅等参数变化规律;进行变幅杆与工具电极设计,利用数控车削、微细放电及微细线切割制作变幅杆与工具电极;通过超声振动系统的振动特性测试,验证超声振动系统的稳定性及工具电极设计的合理性;进行多种微结构超声调制电加工试验,验证超声电加工系统的可靠性及在微结构加工中精度好、效率高的技术优势。     

超声辅助微细磨料水射流加工陶瓷试验研究

针对陶瓷材料难加工的特性,提出了超声辅助微细磨料水射流加工技术。基于响应曲面法对工程陶瓷进行切槽试验,测量加工沟槽底部表面粗糙度,通过建立表面粗糙度预测模型,分析了系统压力、超声振幅及靶距对加工质量的影响规律。当系统压力为32.8MPa、振幅为16μm、靶距为10mm时,获得最低表面粗糙度为0.746μm。通过试验验证了该预测模型的准确性和有效性。     

微细电火花加工系统及其工艺技术

开发了一套微细电火花加工系统,该系统不仅能加工微细轴、微细孔,还能实现微三维结构的微细电火花加工。研究了针对该系统的微细电火花加工工艺技术,研究了放电电压、放电电容等工艺参数,主轴转速,以及工作液介质对微细电火花加工效率、相对电极损耗率的影响规律。采用旋转削边电极技术大大提高了进行大深径比微细孔加工时的加工效率。进行了大量的加工实验,加工出了最小直径为6μm的微细轴以及最小直径为10μm的微细孔;通过对电极损耗的在线补偿策略研究,实现了微三维结构的加工,加工出了外径为4mm、具有24个叶片的微型涡轮盘及具有微三维结构的微细梁,充分证实了该系统的广泛适用性。     

电容式高频振动幅值测量方法研究

针对超声疲劳试验中20 kHz以上的高频振动幅值的测量问题,提出一种电容式高频振动幅值测量方法,并构建了基于该方法的测量系统。文中以振动信号处理为主线,设计基于调幅式的振动解调电路,实现传感器信号的高精度解调;设计频率自适应数字滤波器实现解调信号的动态滤波;设计基于Hilbert变换实现数字包络检波器完成振动信号幅值的精确求解。对基于此方法测量系统的精度和测量范围进行了实验验证,实验结果证明,此系统具有较高的精度和较大的测量范围,其精度优于0.3%F.S.,振幅测量范围最大可至100μm,动态频响超过20 kHz。     

超声振动加工7075-T6铝合金应力场数值模拟

由于铝合金属于难加工材料,采用普通机械加工难以达到预期效果。采用超声振动加工方法车削7075-T6铝合金试件应力场的变化。仿真结果表明:在Y方向,超声振动频率在10k Hz时,振幅12μm切削区域等效应力最大,振幅10μm等效应力次之,振幅8μm等效应力最小。而频率为40k Hz时等效应力正好相反。随着振动频率增加,切削力先减小后增大;在X方向,当振幅分别为10μm、12μm时,随振动频率升高,试件加工区应力先减小后增大,而振幅为8μm时,应力逐渐增大。当频率超过40k Hz后,其工件表面的应力场不受振幅影响且均呈下降趋势。超声振动频率控制在20-40k Hz范围内,振幅对切削力影响最小。随着振幅的增加,切削力先减小后增加。超声振动加工方法能有效地改善铝合金加工性能。     

纵扭超声换能器设计及其性能测试研究

纵扭超声振动加工在碳纤维复合材料等硬脆性材料上的应用越来越得到重视,针对现有纵扭超声换能器存在扭振分量较小或纵扭节面不重合等问题,设计一种新型的纵扭超声换能器。通过理论解析法设计了一种指数型变截面杆纵振超声换能器,然后在指数型变截面杆上设计螺旋槽,将一部分纵向振动转换为扭转振动;利用有限元软件分析螺旋槽结构参数对纵、扭谐振效果的影响规律,优选出最佳的螺旋槽参数;在此基础上对换能器进行模态分析和瞬态分析,结果表明换能器能够实现纵扭超声振动,且谐振频率与设计值误差较小,振幅值满足一般加工要求;最后对设计好的换能器实物进行阻抗分析和振幅测试,结果表明谐振频率与仿真值相差较小,纵振振幅9.4μm,扭振振幅5.3μm,能够适用于大部分的超声加工,也验证了设计方法的正确性。     

同步超声振动调制微细放电-电解加工技术

对超声频振动与微细电加工电源的"开、断"方式进行分析、探讨,研制脉冲电源斩波器,用激光传感器实时测量超声振动,可得斩波脉冲,能对电源进行有序"开、断"控制,实现超声振动与电源"开、断"实时同步;完善同步超声复合微细电加工系统;采用幅值6 V以下脉冲电压、低电导率电解液,进行同步超声振动微细电加工机理及试验研究,通过对超声、超声脉冲电解及同步超声脉冲电解加工结果的对比分析,验证同步超声电解加工方式技术优势;采用复合乙醇工作液、微细半导体混粉,可实现超声调制放电-电解复合微细加工,在保证加工精度、表面质量同时,提高加工过程稳定性与加工效率。     

微细深孔超声轴向振动钻削装置的设计

基于高频振动切削原理 ,设计了一种振频 2 0± 1KHz、振幅 2 5 μm的新型超声轴向振动钻削装置 ,该装置由数字锁相环频率自动跟踪式晶体管型超声波发生器、轴向半波长圆柱型压电陶瓷换能器、半波谐振圆锥型变幅杆以及工具系统组成 ,可在软质材料上实现微细深孔的精密、超精密加工     

阳极振动辅助微细电解线切割技术

在微细电解线切割加工过程中,工具线电极与工件之间的加工间隙在微米量级,因此,电解加工产物的及时输运是微细电解线切割加工中极为关键的问题。提出在线电极进行轴向往复运动的同时叠加阳极低频微幅振动的方法,促进加工间隙内产物排出,提高加工精度与加工稳定性。探讨加工间隙内电解产物影响微细电解线切割加工精度的机理,研究线电极往复运动条件下阳极振动对加工间隙内产物排出效率的影响。试验结果表明提高阳极的振动频率和振动幅值可以改善微细电解线切割的加工精度和加工稳定性;阳极叠加振动较阳极无振动的切缝更宽、更均匀。采用优化参数加工出宽度4.28 μm的微缝、微槽以及方螺旋结构。     

压电换能器的设计与温度特性研究

针对目前超声振动加工中存在的压电陶瓷发热严重,影响换能器性能和寿命的问题,通过对压电换能器进行设计、分析与试验对比,在保证输出振幅能够满足加工要求的前提下,得出振动系统合适的输入电压范围,使超声振动系统能够稳定运行。首先对超声换能器进行谐响应分析和稳态热分析,分析结果显示,对压电陶瓷施加电压后,换能器输出端的振幅最大,压电陶瓷的温度最高。建立试验平台进行试验分析,试验结果表明,当输入电压达到140 V时,压电陶瓷的温度高于居里温度的一半,此时振幅趋于峰值30.0μm。当输入电压为70～130 V时,输出振幅足够大,压电陶瓷的发热情况良好,能够满足系统长时间工作的要求,为超声振动系统能够稳定工作提供了一种可行方法。     

微细加工用两轴联动压电平台控制系统研究

根据微细加工的实时性、精度要求,提出压电器件的分段控制方法及其两轴联动的嵌入式控制系统结构。根据误差将压电器件控制分为恒电压控制与误差控制两个阶段,恒电压控制段采用迟滞特性主环的平均曲线估算恒值控制电压,误差控制段利用积分控制,研制了基于ARM Cortex处理器的两轴联动微细加工用压电平台控制系统。测试表明:阶跃响应稳态误差<0.1μm,调节时间约1.2ms,超调量约5.6%;正弦响应误差-0.343～0.245μm;轮廓稳态误差-0.084～0.079μm,考虑系统超调,轮廓误差-0.41～0.131μm,能满足微细加工领域的实时精确控制要求。     

超声复合电加工振动装置的特性分析与优化

超声复合电加工中的超声振动装置是加工系统的核心部件之一,由于影响复合加工过程的参数多且复杂,超声共振的稳定性难以实时、有效控制,为保证复合加工过程超声振动参数的稳定,利用ANSYS工具进行参数化建模,利用其功能强大的多物理场耦合功能对振动装置进行动力学分析并进行装置主参数的优化设计;利用ANSYS后处理功能,可求得加工工具在不同截面处的振幅;利用激光微位移传感器检测不同截面的超声振动振幅,二者相比较,可验证优化设计方法能够对变截面超声加工工具起到良好的修正作用。     

基于ANSYS设计的旋转超声加工振动装置与试验

旋转超声加工是加工陶瓷等硬脆材料的有效方式。参数化设计了旋转超声加工振动装置模型(包括夹心式压电换能器、变幅杆和工具头),运用ANSYS压电分析模块对旋转超声振动装置进行模态分析与谐响应分析。结果表明:当频率为19.8 kHz时,变幅杆小端面输出振幅最大约为19.6μm,符合旋转超声加工的要求。构建了旋转超声加工振动系统,以陶瓷材料为试验对象,进行机械磨削与旋转超声加工对比试验,加工完成后得到了加工深度与表面粗糙度参数,表明采用旋转超声加工可以得到更理想的表面粗糙度和更高的材料去除率。     

一种新型卧式微电火花机床的设计与实验研究

针对微电极制作的效率问题,提出了一种快速在线微电极加工成形的方法,设计了一种新型卧式微电火花机床。该机床由金刚石砂轮超精密在线电极磨削、线电极电火花在线电极磨削共同完成微米级电极的高效精密制作,该机床组成部分还包括基于CCD的在线光学尺寸检测与测量系统、精密运动与进给系统、纳秒级独立式脉冲放电电源与放电状态检测反馈系统组成。在该机床上进行了微电极制作、微小孔加工以及微电火花铣削等实验,加工出直径为15μm微细轴和直径为50μm微小孔。     

超声椭圆振动-化学机械复合抛光工具及实验研究

针对硅片的传统化学机械抛光,特别是随着硅片直径不断增大,硅片抛光表面质量和抛光效率成为一个亟待解决的问题。介绍一种超声椭圆振动-化学机械复合抛光新技术,并对抛光机理,抛光工具设计,性能及检测进行了详细论述和说明。在上述研究工作基础上,建立了超声椭圆振动辅助抛光实验系统,并进行了实验研究。实验结果显示,在抛光加工中引入超声椭圆运动后,工件抛光表面粗糙度值由传统抛光法的Ra0.077μm降低到Ra0.032μm,材料去除率最多可提高24%,且工件表面形貌有明显改善。