硬质合金超声复合电加工设计及试验【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 扬州大学广陵学院 本科生毕业设计 毕业设计题目 硬质合金超声复合电加工设计及试验 学 生 姓 名 专 业 班 级 指 导 教 师 完 成 日 期 2014 年 06 月 06 日 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 摘 要 本文介绍了超声加工和电解加工的加工原理 ,分析了其存在的不足之处 ,对比显现出其两者复合加工的优势所在。介绍了超声电解加工的工作原理和实验构建 ,并对实验结果进行了的分析计算。 对 硬质合金 进行了单一超声加工试验及分析 ； 对硬质合金（ ）进行了超声、超声 电解复合加工试验 ,两实验对比分析 ,从而论证了超声电解加工方法的可行性 ,优势性和必要性 ,为今后进一步研究和实际应用奠定了理论和实验基础。 论文最后对该技术加工工艺进行了分析总结 ,提出现有工艺方案存在的问题及完善的措施，并对后续 研究应用提出了设想和展望。 关键词： 超声加工，电解加工，超声电解复合加工，硬质合金 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 of of to to of on of of of of of in to on to s to ， 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 目 录 摘 要 1 2 目 录 3 第一章 绪 论 5 特种加工技术概述 5 硬质合金的特性 6 课题研究目的及内容 6 第二章 超声加工和电解加工 7 超声加工原理及特点 7 电解加工原理及特点 8 超声电解复合加工原理 10 本章小结 13 第三章 超声电解复合加工试验系统 构建 14 复合加工机理 14 复合加工技术优势 15 构建实验系统 16 变幅杆设计与制作 18 极工具头设 计 20 工艺试验 22 验材料 22 具阴极及变幅杆 22 声磨料 22 解液 23 加工电参数 23 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 超声功率 23 声频率 23 试验步骤 24 硬质合金的单一超声加工 24 质合金 声复合电解加工试验 26 质合金 声复合电解加工试 验 28 章小结 32 第四章 总结与展望 33 致 谢 34 参考文献 35 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 第 一 章 特种加工技术概述 制造技术历史悠久，是人类生存与发展的基础及社会物质财富的主要来源，对人类的生产和物质文明起着极大的作用。 18 世纪 70 年代，英国发明了蒸汽机，由于当时还不能制造高精度的气缸，而迟迟不能转化为生产力。直至气缸镗床的出现，这一发明才得以广泛应用，从而导致第一次产业革命。不言而喻，新产品的研究开发，科 学技术和社会经济文化的发展，无不与制造技术息息相关。然而，以后的近 200 年，人们一直是采用传统加工方法，并利用机械能和切削力来切除工件金属而达到制造要求的。起加工实质是“以硬对软”。 本世纪 40 年代，前苏联曾发明电火花加工。人们初次脱离了传统加工的旧轨道，利用电能、热能，在不产生切削力的情况下，以低于工件金属硬度的工具去移除工件上多余的部位，成功地获得了“以柔克刚”的技术效果。 自本世纪 50 年代以来，特别是近一二十年，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的急需，不仅新产品更新 换代日益加快，而且产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比，并正在朝着高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温高压、大功率、尺寸大小两极分化的方向发展。为此，各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现、，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。例如，各种难切削材料的加工；各种形状复杂、尺寸或微小或特大、精密零件的加工；薄壁、弹性元件等低刚度、特殊零件的加工等。对此，采用传统的加工方法十分困难，甚至无法加工。于是，人们一方面通过研究高效加工的刀具和刀具材料、自动优化切削参数、提高刀具可靠性和在线刀 具监控系统、开发新型切削液、研制新型自动机床等各种途径，进一步改善切削状态、提高切削加工水平，并解决了一些问题；另一方面，则冲破传统加工方法的束缚，不断地探索寻求心的加工方法，于是一种本质上区别于传统加工的特种加工变应运而生。后来，由于新颖制造技术的进一步发展，人们从广义上来定义特种加工，即将电磁声光化学等能量或其组合施加在工件的被加工部位上，从而实现材料被去除、变 形 、 改 变 性 能 或 被 镀 覆 的 非 传 统 加 工 方 法 统 称 为 特 种 加 工 （ 它是一种涉及多学科、学科交叉 融合的先进制造技买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 术，具有才传统加工所无可比拟的特点 1。 硬质合金的特性 硬质合金是 由硬度很高的难熔金属碳化物 (W C 、 )和金属粘结剂 (M o)用粉末冶金的方法制成的材料 ，硬质合金中的 碳化物都具有硬度高、熔点高、化学稳定性和热稳定性好等特点。采取普通的切削加工方法来加工硬质合金材料简直是无法想象的。有关资料表明，超声加工对于玻璃、陶瓷等非金属脆性材料具有很高的加工精度和加工效率，加工表面的表面质量也很好，但用来加工硬质合金材料，其加工效率较低，加 工工具 局部损耗较大等缺 陷。所 以对 于硬质合金材料基本不采用超声加工方法，通常仍以电解加工或 电火花加工的方法进行零件或模 具加工。电解加工适合于包括硬质合金的大多数金属材料的成形加工，可获得较高的加工速度，较好的表面粗糙度 (0 16 1 25 m )，但与超声 加工所得到的表面粗糙度 ( 0 1 1 m )相 比 要差些。显然，采用超声加工、电解加工的方法来加工硬质合金具有各 自的优点和缺点。将两种加 工方法进行适当的结合，即采用超声电解复合加工的方法 ，既保证电解加工的高效性 ，得到很高 的 加工速度，又保持了超声加工的较好加工精度和表面粗糙度。 题研究目的及内容 . 随着科学技术的发展，具有三维型面的难加工材料的应用越来越广泛，普通的机械加工难以满足要求，而超声波加工不仅能加工硬质合金、淬火钢、陶瓷、半导体锗和硅片等硬脆材料，电解加工具有效率高、电极无损耗，表面质量好等优点，特别适用于导电性难加工材料的三维型面加工。 超声加工结合电化学加工，利用超声作用对电解加工过程的改善，可以提高超声加工的效率，减小电极损耗，提高电解加工的精度，具有技术复合综合技术优势。 本课题本课题探讨硬质合金材 料超声加工特性，并进行超声加工工具及工艺设计，进行超声参数试验及优化 ，为其实际应用建立工艺基础。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 第二章 超声加工和电解加工 声加工的原理及特点 声加工的基本原理 超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种特种加工方法，超声加工的基本原理如图 1示。超声加工时，在工具 1 和工件2 之间加入水（或油等）和磨料混合的悬浮液 3，并使工具以适当的压力 F 轻轻压在工件上。超声换能器 6 产生高达 16000上的超声频率作纵向振动，由于弹性杆（弹性杆使振幅产生一定的放大 变化，通常称其为变幅杆）的作用，振幅被放大到 右，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮磨料的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工工件表面，把被加工工件表面的材料粉碎成很细的微小颗粒，从工件上被打击下来。虽然每一次打击下来的材料很少，但每秒打击的次数高达 16000 次（与超声频率有关）以上，所以仍有一定的加工速度。 1 2 工件 3 磨料悬浮液 4、 5 变幅杆 6 换能器 7 超声波发生器 图 声加工原理图 与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和 “ 空化 ” 作用，迫使工作液 “ 钻 ” 入被加工材料的微细缝隙处，从而更加剧了机械破买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 坏作用。所谓 “ 空化 ” 作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成较大的负压和局部真空，使得工作液内瞬间形 成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡又重新闭合，又引起较强的液压冲击波，上述作用迅速地、反复地施加在工具与工件之间微小间隙内的工作液里，可以大大强化加工过程。此外，正负交变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，带动磨料运动，使部分变钝了的磨粒及时得到更新。 由此可见，超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，其中，磨粒的机械撞击作用是占主导地位的。本质上，材料去除的能量是机械能。 由于超声加工基于局部撞击作用，所以当受到撞击作用时，越是硬脆的材料，其受破坏的程度越大，越容易进行超声加工。相反，脆性和硬度不大的韧性材料，由于它对撞击能量的吸收、缓冲作用而难以实施超声加工，或者说加工效果很不理想。所以，这一性质常利用在工具材料选择上，要求它既能撞击磨粒，又不至于使自身受到很大的破坏，一般选择塑性较好的材料，通常采用 45 钢或弹簧钢等材料作为工具材料较合适。 声加工的基本特点 1. 超声加工适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷（氧化铝、氮化硅等）、石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等材料。在理论上，对于导电的 硬脆金属材料如淬火钢、硬质合金等，也能进行加工，但加工效率较低。 2. 由于工具的运动轨迹通常为直线，工具可用相对较软的材料制造且可以制成较复杂的形状，可以加工具有异型截面的形状、具有阶梯的通孔、盲孔等；不需要使工具和工件作比较复杂的相对运动，在一般情况下，超声加工机床的结构比较简单，操作、维修都很方便。 3. 由于去除加工材料是靠粒度极微小的磨料瞬时、局部的撞击作用以及超声空化作用，所以工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小（即使产生很小的切削热也会被磨料悬浮液及时带走），不会引起变形及烧伤，因而 零件的表面粗糙度较好，一般可达 m，加工精度达到 (且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的零件 3 超声加工的局限性： 1 超声加工面积较大时，超声加工效率有明显的降低；其次超声加工很难加工韧性买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 较大金属材料（工具钢、硬质合金等）； 2 超声加工圆柱形孔深度一般以工具直径的 5 倍为限，对于深径比较大的深小孔加工很困难 3 超声加工工具在磨料的抛磨下有损耗，同时，磨粒使工具与工件之间存在间隙，因此，精加工时要考虑工具损耗及磨粒直径大小对加工精度的影响，工具设计中应给予合理补偿 。 解加工原理及特点 工原理 1 直流电源 2 工具阴极 3 工件阳极 4 电解液泵 5 电解液图 图 电解加工示意图 电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原 理将工件加工成形的一种特种加工方法。如图 示，加工时，工件接直流电源 （一般为 10正极，工具接负极，两极之间保持较小的间隙（ 一般在 围内） 。电解液从极间间隙中流过 （ 6s） ，使两极之间形成导电通路，并在电源电压下产生电流，从而形成电化学阳极溶解。随着工具相对工件不断进给，工件金属不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，最终两极间各处的间隙趋于一致，工件表面形成与工具工作面基本相似的形状。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 b. 加工过程 图 加工示意图 工特点： （ 1）加工范围广。常用于加工硬质合金、高温合金、淬火钢、不锈钢等难加工材料。 （ 2）生产率高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。电解加工能以简单的直线进给运动一次加工出复杂的型腔、型面和型孔，而且加工速度可以和电流密度成比例地增加。据统计，电解加工的生产率约为电火花加工的至 10 倍，在某些情况下，甚至可以超过机械切削加工。 （ 3）加工质量好。可获得一定的加工精度和较低的表面粗糙度。 （ 4）可用于加工薄壁和易变形零件。电解加工工具 和工件不接触，不存在切 削力，不产生残余应力、变形、毛刺。 （ 5）工具阴极无损耗。在电解加工过程中工具阴极上仅仅析出氢气，而不发生溶解反应，所以没有损耗。 (6)易与机械加工及其他特种加工方法相结合形成复合加工 ,如电解磨削、电解抛光、超声电解等。 另外 ,电解加工也具有一定的局限性，主要表现为： (1)不容易达到较高的加工精度和加工稳定性。这一方面是由于阴极的设计、制造和修正都比较困难，阴极本身还存在制造精度问题；另一方面是影响电解加工间隙稳定性的参数很多，控制比较困难。 (2)电解加工的附属设备较多， 占地面积较大，机床需要有足够的刚度和防腐蚀性能，造价较高，因此单件小批量生产时的成本比较高。 (3)电解加工产物需要进行妥善处理，否则将污染环境。 综上所述，电解加工工艺具有表面无变质层、无残余应力、表面粗糙度小、加工成本较低、加工效率高等优点，这些特点是其它特种加工方式所不全具备的。因此电解加工在机理上存在能实现精密加工，甚至是 加工的可能性，因此发掘其机理优势，将其应用于 很有研究前景的课题。 -+b c+买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 与传统电解加工相比 ,电解加工除拥有上述特点外还有自身的工艺特点 ,如电解液的浓度低、加 工电压低、阴阳极间的间隙小、加工零件尺寸小、精度要求高等。为了克服以上 缺陷 ,复合加工应运而生 ,显示了其性能优越性和加工稳定性。 2. 3. 超声 电解复合加工 随着经济的发展 ,现有的特种加工方法已经不能满足社会发展的要求 , 复合加工应运而生 ,在很好的解决常规特种加工方法缺陷的同时很好的确保了其优越性和高效性 ,同时也扩大了材料加工范围 ,大大提高了特种加工技术加工效率和加工精度 . 复合加工应用多种形式能量的综合作用来实现对工件材料的去除和加工，其中包括传统加工和特种加工的复合、特种加工与特种加工的复合，实现不 同加工技术的优势互补 ,扬长避短 ,大大提高了加工效率和加工精度。 图 复合加工实验设备 加工原理 超声电解复合加工的基本构思就是，将超声加工和电解加工两种工艺结合在一起。复合加工的工作液是采用带有悬浮磨料的钝化性电解液，首先由电解加工在工件待加工表面形成钝化膜，阻止金属继续溶解，继而利用磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨，来去除工件表面对应于工具阴极部分的钝化膜，该处裸露的金属层恢复活化，继续溶解，又形成新的钝化膜层。上述过程周而复始，反复进行，在能够控制加工输入微能量变化的前 提下，期望能有效地改善电解的定域性，提高总体加工精度。超声空化作用还能改善极间状态，加强产物排除。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 图 超声 电解复合加工示意图 超声 工件接直流电源正极，工具接阴极，其加工的原理是，阳极的工件因电解作用，加工表面产生致密的电解产物，从而减小了电解作用，甚 至形成钝化膜，阻止电解加工进一步进行。此时，加工液中的磨粒因超声波的作用而作高频的抛磨作用，破坏加工区域的电解产物，并在超声振动及空化作用下由工作液带走，此时，工件表面金属再次显露出来，电解作用继续进行，两过程交替进行 ,如此循环 ,从而完成加工过程。 工特点 相对于单一的超声微细加工及电解微细加工，超声 电解复合微细加工的技术优势主要有以下几个方面： 1高频振动冲击波及“负压空化”作用能有效、及时地去除加工料去除量以钝化膜层为单位（ m 或亚 m 级 34），机理上可保证加工过程中钝化膜产生和去除的协调配合 ，解决电解微细加工过程难以持续的问题，使其实用成为可能。 2电解微细加工采用钝化性电解液，如浓度 1% 5%的 解钝化膜能控制在局部进行有选择地电解蚀除，提高电解加工的定域性；当电解液浓度降低时，效率曲线 (如图 示 )将会右移，切断间隙将减小，即只有在很小间隙时，钝化膜才能被破坏，这时的电场、流场变化对加工精度的不良影响将变得很小，杂散腐蚀现象可以完全避免，从而获得所需的形状和尺寸。 3超声 电解复合微细加工中，超声作用需去除的是电解钝化膜，磨料粒度可以更微细，可使用 微粉（甚至无磨料 加工），从而可最大限度地减小超声加工工具损耗，大幅度提高微细加工精度，减小粗糙度。另外低浓度钝化性电解液，不具污染性，且在超声频振动、微电流电解作用时采用“静态”供液即可，无需常买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 规电解加工的电解液循环系统，便于实现低成本及清洁、绿色制造。 图 效率曲线 4. 超声电解复合微细加工方式的材料去除是以钝化膜层为单位（亚 m 级），电解钝化与超声作用消除交替进行，机理上可保证加工过程中钝化膜产生和去除的协调配合，解决电解微细加工过程难以持续的问题，使其实用成为可能。 因此超声 电解 复合微细加工工艺在机理上能够保持两种特种加工方法的优点，可提高加工精度，具有独特的优越性。 超声电解加工在确保加工精度的同时 ,大副提高了加工速度 ,有效提高加工精度 但是该项技术仍不成熟 ,仍然存在一些缺陷等待解决如电流密度较大时加工杂散腐蚀现象（从某外电源漏散电流而引起的金属腐蚀）。当杂散电流在金属构件的某一表面区域离开金属 (电子导体相 )而进入介质 (离子导体相 )时，对于金属构件的这一区域来说，是阳极电流，故加速金属的阳极溶解，造成由杂散电流而引起的“腐蚀”破坏。）严重，采取超高频脉冲电源、混气加工或复合 电解液等措施，虽可得到一定程度改善，但还需要进一步探索。 综上所述 ,超声 电解复合微细加工可保持电解加工高效率、阴极损耗小的优点，同时超声振动、脉冲电流又可以改善电解加工过程，具有复合技术优势，能够满足微细加工的要求，具有进一步研究和应用的前景。 本章小结 本章分析了超声电解以及超声电解复合加工的原理和特点，探讨超声电解加工可行性与技术优势，为试验系统构建建立了基础。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 第三章 超声电解复合加工实验构建 微细加工材料需要的去除量微小，加工精度要求很高，为了避免大电流密度的杂散腐蚀作用，电 解作用须在低电位、微电流密度下进行，即处于效率曲线的钝化区，并且不能采用活性大但杂散腐蚀严重的 解液，这样，用单一电解方式加工时，材料开始虽可以电解，但随着加工过程的继续，工件阳极超电位升高，加工进入钝化区，工件表面产生低电流密度难以破坏的钝化膜，阻止电解作用的持续进行，这就使单一电解方式在微细加工中的应用受到限制。至于超声加工技术，比较适合于加工硬脆材料，特别是陶瓷材料，表面粗糙度较低，尺寸精度较高，并且不存在残余应力，不改变组织结构；但缺点是超声加工工具有损耗，加工效率较低，且在材料面积、韧性较 大时，效率显著降低，应用受到限制。可见，单独使用电解或超声波加工方法加工硬脆材料都不是最好的方法。初步研究分析证明，将超声频振动加工工艺和脉冲电流电解加工工艺有机复合，扬长避短，可发展成为 种材料微器件加工的一种全新工艺。 合加工机理 . 1. 换能器 图 超声电解复合加工原理图 超声电解复合微细加工是加工硬脆材料的新工艺，是将超声频振动加工、脉冲电流及电解加工技术等多种工艺有机复合在一起的一种加工方法。加工原理如图 能器 6 将超声波发生器输出的高频电信号转变为机械振动能，通过变幅连接件使工具端面作小振幅超声高频振动，工具头 1 和工件 2 分别接脉冲电解电源的负极和正极，加工区买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 充满磨料 +电解液组成的复合工作液，在超声和脉冲电解双重作用下加工 部位逐步蚀除，最终形成与工具头端面形状相关的加工件。 超声电解复合微细加工采用磨料 +一定浓度 化性电解液组成的复合工作液，加工开始后，由于微电流电解作用在工件表面产生厚度极薄、强度远低于基体材料的钝化膜，引入超声频振动、脉冲电流后，高频振动冲击波及“负压空化”作用能完全消除这层电解钝化膜，有效、及时地排除间隙区的电解加工产物，改善及加强电解作用，使加工过程连续进行下去。同时，又由于采用高频脉冲电流，电解作用间歇进行，更有利于改善及稳定电解加工的间隙状态，提高电解去除的定域性，进而提高加工精度及表面 质量。 钝化膜破坏后的表面又迅速由于电解作用而产生新的钝化膜，阻止进一步电解，这样可避免通常大电流密度电解时产生的杂散腐蚀作用。这种特性对 件的高深度比沟槽加工非常重要。 可见，在整个加工过程中，工件表面始终处于钝化 活化 钝化不断交替变化作用下，逐渐有选择地去除，从而达到表面微精光整加工的目的。 如果在此基础上，将超声电源的交变电信号通过调制电路产生电解电源的斩波信号，从而使电解直流电压成为与工具阴极超声振动（振幅 A）保持相位有序的脉冲电压，实现超声振动与脉冲电流同步协调的振动电解微细加工。即 当阴极振动与微器件接近区间加电解脉冲（幅值 U） ，开始电解作用，振动远离区间为电解脉冲间隔，进行加工产物的排除与电解液的循环更新，这种方式更有利于加工过程的改善和加工产物排除，更容易实现“静液”方式的微细电解加工，有利于提高微细加工精度和加工效率，加工过程稳定性会更好。 合加工技术优势 仅用振动 +微电流电解复合作用虽然对硬脆金属材料加工能取得良好效果，但对于半导体（如硅片）加工效果甚微，对非导电材料更难以进行振动 +微电流电解复合加工，这时采用辅助阳极及合适的电参数，利用超声冲击空化效应及加工区阴极的析 氢气体在加工区产生微火花放电条件（实际试验中当电压达到 3V 以上即可有微火花出现）；对于半导体及陶瓷等绝缘材料借助阴极析氢作用，在附加阳极与阴极间形成气泡，加工区产生微火花放电、电解及超声的多重复合加工 31。理论上火花放电对阴极有一定的损耗作用，但微火花放电是在电解液中进行，可以通过控制电参数及辅助阳极位置有效减小，而绝缘材料加工效率及精度得到有效提高。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 建实验系统 采用图 示的微细加工试验系统。用组合电加工方式制作的微细工具（阴极）通过植物油耦合与变幅杆连接，以减少能量损失，变幅杆在换能器 带动下作超声频振动，换能器将超声发生器提供的超声频交流电信号转化为超声频机械振动。换能器采用磁致伸缩式镍材振子，机械强度高、性能稳定，利用其磁致伸缩效应将电能转变成超声频机械振动，调节激振电容，将振动频率调至系统共振点，可得到最大振幅。因为能量密度21 ()2J c A, 即 , 12, 因此振幅大小可由调节电源功率得到，超声振动经变幅杆放大，传到工具头（阴极）端面实现超声作用。 工件由粘接剂（或双面胶）固定于绝缘工作台上，电解电源引线正负极分别与微器件及阴极连接，微器件加工采用含微细磨粒的钝化性电解液，因材料去除总量微小，加工产物可由超声振动“空化”效应及时带出加工区，采用“静态”方式提供电解液即可。在连通器压力油的作用下，安装在工作台上的微器件与工具阴极间保持一定的微压力，大小可由砝码微细精确调节。阴极与工件之间的间隙随高频振动作周期性变化，随着加工深度增加，工作台在压力油的作用下自动向上位移，微器件加工深度由 Z 向测微仪给出。在电解电源线路中串入分流器（或电涡流传感器），可将复合 加工中的电解电流信号通过数字存储示波器及 进行记录，以便分析调节加工参数。 器电涡流传感器活塞杆连通器压力油加载砝码连通器导管进给台进给台z 向 测 微 仪超声振动阴极电解液超声变幅杆工作台接换能器高频脉冲电源底座+微器件密封图 超声电解实验系统 超声发生器是具有自动频率跟踪的正反馈放大器，利用电子管工作的不稳定性买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 产生原始工作信号，通过 L、 C 选频回路，选出有用信号，由激励器（电子管 励放大，其信号频率为换能器的工作频率，电子管 成推挽功率放大器，调谐指示器可调节指示输入功率；磁化电源提供换能器直流电流，消除超声振动倍 频现象。 图 超声发生器工作原 理 超声装置由超声发生器及超声频振动头两大部分组成，包括振动头、机座、液压升降机构、旋转工作台等部分组成，超声振动头主要包括换能器和升降机构。超声换能器是超声装置的核心部分，它采用性能稳定可靠的镍材磁致伸缩式结构。一端用钎焊的方法使之与传振杆联接，另一端装有吸声罩，用以提高换能器的单面发射效率，传振杆和变幅杆按照换能器的标称工作频率设计，故不应任意改变其几何形状尺寸。传振杆中间法兰盘 (法兰盘只是一个统称，通常是指在一个类似盘状的金属体色的周边开上几个固定用的孔用于连接其它东西。它的作用是连接及传动。 )使换能 器固定在振动头上，变幅杆与传振杆之间由螺纹联接，为了保证超声波传输有良好的声耦合，连接处的加工精度要求较高。振动头的内腔有冷却水套 冷却换能器，可保证其正常工作时不会因温度过高而烧坏换能器绕组。振动头的升降机构包括振动头、立柱和调节螺母，锁紧螺钉。超声装置采用螺纹立柱来导向和升降，且用锁紧装置定位。液压升降可旋转工作台由液压系统、传动链、纵横进给机构三个部分组成。 液压系统由两个液压耦件组成，采用间隙式密封，故反应灵敏，此耦件制造时要求精度高，所以油缸体和柱塞采用研配，无互换性，以保证此偶件合理的配合间隙 ，以防压力油泄流。在液压升降台中，工作台套与柱塞之间加了一个轴承来保证柱塞仅能上下滑动而无旋转，以减少液压耦件的磨损。此外，在传动链中，采用了寿命长、成本低的耐油 O 型圈作为传动带。电机安装板和滑圈可绕立柱转动，以调整皮带的松紧，使之经常处在正常工作状态。 变幅杆调谐指示器激励器 能器磁化电源电源电压放大器 C 选频回路功率放大器 G 3 . G 4买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 超声发生器部分的输出功率及工作频率： 5W250W（连续可调）；工作频率为20续可调）。 利用构造的超声 电解复合微细加工系统可以进行单一超声加工、超声 直流电解以及超声 脉冲电流电解复合微细加工试验。 变幅杆设计与制作 变幅杆的作用是把机械震动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中到叫嚣的面积上，即聚能作用。 变幅杆可制成锥形的、指数形的、阶梯形的。本试验采用指数型变幅杆。 设计频率为 f=20幅杆所用材料为调质 45 号钢，纵波在杆中的传播速度C 5170m/s，宽端直径 45端直径为 13极设计的工作长度 26端直径 d=12端直径 0 计算指数型变幅杆的主要参数： (1)面积系数 122)半波谐振长度 3)检查是否满足限制条件 f 。 3 l N ， 362 C 因此，可知工作频率满足限制条件f (4)质点位移节点 移节点 点变幅杆振幅为零。 r r 3 (5)对于指数形变幅 杆 )轴向直径变化查表可得 变幅杆长 26 21312 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 轴向的直径变化按 1 计算，。根据上面所求出的参量，计算出变幅杆外形的加工尺寸，确定指数型变幅杆轴向直径的变化情况，如图 示 。 x ( (0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 10 变幅杆直径变化 数型变幅杆横截面直径 尺寸变化示意图 图 指数形变幅杆设计图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 图 形变幅杆设计图 根据尺寸计算，对指数型变幅杆进行整体设计，如图 示。 电极工具头设计 常用的工具头总体形状有圆柱形、阶梯形、锥形三种。 通常，阴极总体长度不超过波长的十分之一，径向尺寸不超过换能器小端的几何尺寸。本次设计的阴极尺寸均非常小，与换能器底部直径相差很大，因此本次设计的总体形状为锥形，即将工具阴极的作用长度设计成锥形，端部保留 一定长度为小阶梯轴。微细阴极工具头成形端面的形状和尺寸需根据不同的试件结构形状和尺寸要求来设计，理论上两者相差一个“加工间隙”。为了保证加工精度，必须考虑磨料及工具磨损对最终精度的影响，对参与加工部位的尺寸进行估算修正才能得到工具阴极真正设计尺寸。 超声电解复合微细加工材料去除量微小，零件精度、表面质量要求很高，加工时，微小阴极与变幅杆作超声频振动，因此微细阴极制作要求有其特殊性： (1) 为了保证加工的精度及效率，必须有制作精度高、工作稳定可靠的微细阴极，传统机械加工难以实现此类微尺度阴极的加工，必须借助 微细特种加工方式，本文中采用微细放电组合方式； （ 2）加工是在电解质溶液中进行，电解液中含有超声微细磨料，因此阴极材料须具有好的耐腐蚀性及高的硬度与耐磨性，最大限度减少阴极磨损。 (3) 为保持加工过程连续，提高加工效率，阴极与工件间须保持微小恒定的工作压力；同时由于微细阴极尺寸微小且作超声频振动，防止阴极弯曲、折断，阴极必须具有一定的强度与韧性； (4)为达到加工精度要求，必须保证阴极安装后对工作台面的垂直度及与变幅杆的同轴度，这要求阴极体初步加工后，与变幅杆用螺纹连接，再进行整体精加工，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 变幅杆与阴极的连 接精度应足够高，同时结构设计上须考虑整体加工的定位装夹，相互之间的拆装定位及阴极电源引入。加工中的变幅杆与阴极接合面须用高粘度植物油耦合，以减小超声能量损失，提高加工效率。 计如图，圆柱工具头： 图 圆柱工具头尺寸设计 图 方形工具头尺寸设计 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 图 数形变幅杆及阴极体设计图 图 超声 电解复合微细加工试验系统 1 试验材料 加工试验分为单一超声加工、超声 电解复合加工两部分，试验材料选择为：单晶硅片、压电 陶瓷（锆钛酸铅、钛酸钡）、硬质合金（ 2工具阴极及变幅杆 由前述分析可知，指数形变幅杆振幅放大倍数较小，但有较宽的共振频率范围，共振稳定性较好。由于超声 电解复合微细加工对超声振动的振幅要求不大，对精度及过程稳定性要求较高的情况下，一般采用指数形变幅杆。 3 超声磨料 单晶硅片和压电陶瓷的单一超声微细加工试验中，选用 400 目碳化硅磨料；在超声 电解复合微细加工硬质合金时选用 400 目或 1600 目的碳化硅磨料，磨料在电解液中的浓度为 20%。 3 6 4. 电解液 根据微 细加工试验要求，为提高复合加工中微细电解作用去除材料的定域性，提高加工精度，选择浓度为 5%或更低的钝化性 解液，与成混和工作液。 3 6 5 加工电参数 超声 电解复合微细加工时，电解作用随着电解电压的增大而增大，但电压过高电解电流密度增加，去除材料的非线性将减小，易于产生杂散腐蚀现象，使微细加工的定域性变差，因此，试验中选择电解电源电压幅值： 1V 5V。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 电解电压脉冲频率可在 0流） 10000围内选择； 脉冲占空比 选择范围在 30% 50%（即 3:7 1:1）。 6 超声 功率 由于微细加工材料去除量微小，超声作主要为去除电解钝化膜及排除加工产物，因此所需超声功率相对很小；另方面选用较小的超声功率可使超声振幅减小，有利于减小阴极的磨损，因此，根据加工要求，超声功率须在 5W 250W 内合理选择。 7 超声频率 工具阴极和变幅杆联接后固接至超声 电解复合微细加工装置上，启动超声装置，调节发生器输出频率至系统共振频率。 时基： 幅度： 共振时采集的超声发生器输出的超声频交变电压 如图 示，通过数 字存储示波器可得到超声发生器输出至换能器的超声频电压信号波形，图示共振频率为 于系统共振频率易受外界因素（如工具损耗、工作压力变化、加工深度改变、螺纹联接松动等）的影响，共振频率点会发生漂移，为保证加工过程的稳定，需及时调节超声发生器的输出信号频率，使系统始终保持在共振状态下。 8 试验步骤 : 幅杆与工具头用蓖麻油耦合，这样可以减小能量损耗。并安装好工具头上，调整工作台，使得工具和工件对准 开 液压油通路，让工件在适当的压力下顶在工具电极表面，在工具电极和工件之间滴上 400#碳化硅磨料。 得冷却液在加工过程中不断循环，防止磁致伸缩换能器由于过热而烧坏。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 24 选择强弱档，在本试验中，当使用 1工具头时选择强档，当使用 具头时选择弱档。 后再调节频率按钮，当工件端面上有气泡，且发出刺儿的蜂鸣声，则说明机床以达到共振状态，此时频率约为 20时工件已处于加工状态，