（机械制造及其自动化专业论文）超硬材料的超声电火花复合加工的试验研究.pdf

r _j一i-， i1， r l ， n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h eu l t r a s o n i ch y b r i de d m m a c h i n i n g o fs u p e r - h a r dm a t e r i a l s a t h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y m i a od o n g h u i a d v i s e d b y a s s o c i a t ep r o f g a oc h a n g s h u i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 01 0 j，=1 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：矍兰：望 日 期：鲨# 丑堕 1 一 ， 一j1， l ， 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 超硬材料具有高硬度、高耐磨性等特点，使用传统的机械方法成型加工比较困难，而特种 加工是加工这些超硬材料的有效方法。在难加工材料和精密加工中，超声加工技术具有普通加 工无法比拟的工艺效果，将超声加工和电火花相结合进行复合加工，常常能大幅度地提高加工 速度、改善加工质量和完成一般加工方法难以完成的加工工作。因此，被广泛地应用于国民经 济的各部门，并有广阔的应用前景。 本文在理论上分析了超声电火花复合加工的加工机理及超硬合金、聚晶金刚石、导电陶瓷 三种超硬材料的性能及用途。针对超硬材料的超声电火花复合加工试验，分析了超声振动对间 隙放电状态、放电通道的形成的影响以及超声对放电凹坑、表面显微组织的影响。通过试验方 案的设计，运用超声电火花法对这三种超硬材料进行加工，研究脉冲宽度、超声振幅、磨粒大 小对加工效率的影响以及加工中电极的损耗情况。并进一步分析了电火花加工对超声加工的影 响，并对超声电火花复合加工中的放电情况进行一定的分析。超声复合加工中的电火花放电是 一个复杂的过程，电火花加工对超声加工的加工效率和加工精度有一定影响。试验结果表明材 料的去除率随着脉冲宽度、超声振幅的增大而增大；加工表面粗糙度随着脉冲宽度、超声振幅 的增大而增大，磨料颗粒的大小也影响了加工表面粗糙度。 关键词：超硬材料，超声加工，电火花，超声电火花复合加工 l l l - - 一 超硬材料的超声电火花复合加工的研究 a b s t r a c t s u p e r - h a r dm a t e r i a lh a sc h a r a c t e r i s t i c so fh i 咖h a r d n e s sa n dh i g l lw e a r a b i l i t y i ti sd i f f i c u l tt o m a c h i n ei tb yt h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lm e t h o d n o n - t r a d i t i o n a lm a c h i n i n gi sa ne f f e c t i v ew a yt o p r o c e s st h es u p e r - h a r dm a t e r i a l i nt h ed i f f i c u l t - t o - c u tm a t e r i a lm a c h i n i n ga n dp r e c i s i o nm a c h i n i n g , t h eu l t r a s o n i cm a c h i n i n gt e c h n o l o g yh a st h ee f f e c tt h a tg e n e r a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yc a nn o tm a t c h t h ec o m b i n a t i o no fu l t r a s o n i cm a c h i n i n ga n de l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) c a ng r e a t l y i m p r o v et h ep r o c e s s i n gs p e e da n dq u a l i t y t h i st e c h n i q u ec a nc o m p l e t et h ep r o c e s s i n gw o r kt h a t g e n e r a lp r o c e s s i n gm e t h o dc a nn o tf i n i s h t h e r e f o r e ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sn a t i o n a l d e p a r t m e n t sa n dh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h i sp a p e r , t h em e c h a n i s mo fu l t r a s o n i ch y b r i de d mi ns u p e r - h a r dm a t e r i a lp r o c e s s i n ga n dt h e p r o p e r t i e so fs u p e r - h a r da l l o y , p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d ( p c d ) a n dc o n d u c t i v ec e r a m i c a r ei n t r o d u c e d t h ee f f e c to fu l t r a s o n i cv i b r a t i o no nt h eg a pd i s c h a r g es t a t u s ，d i s c h a r g ec h a n n e la n dt h es u r f a c e m i c r o s t r u c t u r ei ss t u d i e d as e to fe x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dt om a c h i n et h et h i n ek i n d so fs u p e r - h a r d m a t e r i a lw i t hu l t r a s o n i ch y b 面de d m i nt h i sw a y , t h ei m p a c t so fp u l s ew i d t h ，u l t r a s o n i ca m p l i t u d e a n da b r a s i v es i z eo nt h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya r eo b t a i n e d t h ea t t r i t i o no ft h ee l e c t r o d ea r ea l s o i n t r o d u c e dh e r e t h ei m p a c to fe d m p r o c e s so nu l t r a s o n i cm a c h i n i n ga n dt h ed i s c h a r g es i t u a t i o na 北 a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a te d m h a ss o m ei m p a c to nt h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo fu l t r a s o n i c m a c h i n i n g t h ed i s c h a r g eo fe d m i nt h ee x p e r i m e n ti sac o m p l e xp r o c e s s t h er e s u l t sa l s os h o wt h a t t h em a t e r i a lr e m o v a lr a t ei n c r e a s e si ft h ep u l s ew i d t ha n du l t r a s o n i ca m p l i t u d ei n c r e a s e s u r f a c e r o u g h n e s sb e c o m e sl a r g e rw h e nt h ep u l s ew i d t ha n du l t r a s o n i ca m p l i t u d ei n c r e a s e t h es i z eo f a b r a s i v ep a r t i c l e sa l s oh a sac e r t a i ni m p a c to nt h er o u g h n e s s k e y w o r d s ：s u p e r - h a r dm a t e r i a l ，u l t r a s o n i cm a c h i n i n g ，e d m ，u l t r a s o n i ch y b i r de d m ， 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 弓i 言l 1 2 超声加工的产生及特点1 1 2 1 超声加工的产生l 1 2 2 超声加工的特点l 1 3 电火花加工的产生及特点2 1 3 1 电火花加工的产生2 1 3 2 电火花加工的特点2 1 4 超声电火花复合加工的发展研究现状3 1 4 1 国外发展概况。3 1 4 2 国内发展概况。4 1 5 超硬材料加工技术5 1 6 本文主要研究内容。6 第二章超硬材料的加工技术7 2 1 超硬材料的机械加工工艺7 2 1 1 磨削加工7 2 1 2 切削加工。7 2 2 超硬材料的特种加工工艺8 2 2 1 碳弧气刨加工。8 2 2 2 电熔爆加工。9 2 2 3 电火花加工d m ) 9 2 2 4 激光加工( l b h d 。1 0 2 2 5 超声加工( u s m ) l o 2 2 6 短电弧强电加工l o 2 3 三种超硬材料的性能1 1 2 3 1 硬质合金1 1 2 3 2 聚晶金刚石复合片( p d c ) 1 2 2 3 3 导电陶瓷1 3 2 4 本章小结1 4 i i i 超硬材料的超声电火花复合加工的研究 第三章超声电火花复合加工的机理1 5 3 1 超声波加工系统基本原理1 5 3 1 1 超声波发生器1 6 3 1 2 超声换能器1 6 3 1 3 超声变幅杆1 7 3 1 3 1 变幅杆的性能参数1 8 3 1 3 2 变幅杆的类型选择。1 8 3 1 3 3 变幅杆的材料选择1 9 3 1 4 磨料工作液及其循环系统1 9 3 2 电火花加工系统的原理。2 0 3 3 超声电火花复合加工的分类2 1 3 3 1 超声电火花的简单叠加复合加工2 1 3 3 2 控制电脉冲的超声放电复合加工2 2 3 3 3 超声频间隙脉冲放电加工2 2 3 3 4 超声间隙脉冲放电复合加工2 3 3 3 5 超声电火花线切割。2 4 3 4 试验的超声电火花复合加工机理2 5 3 5 超声加工影响电火花加工机理的研究2 6 3 5 1 电火花加工的物理过程2 6 3 5 1 1 介质击穿和通道形成2 7 3 5 1 2 能量转换和传递2 7 3 5 1 3 工件表面被蚀材料的抛出2 8 3 5 1 4 介质的消电离。2 8 3 5 2 超声波的空化作用及次级效应2 9 3 5 3 超声振动对放电通道的影响。2 9 3 5 3 1 超声电火花复合加工放电通道的形成2 9 3 5 3 2 超声电火花复合加工放电通道的偏转。3 0 3 5 3 3 超声电火花复合加工放电通道的位形平衡3 l 3 5 4 超声加工影响电火花加工放电间隙的机理3 l 3 5 4 1 超声振动对间隙放电状态的改善。3 1 3 5 4 2 磨粒对间隙放电状态的影响3 3 3 5 5 超声振动强化电火花加工材料抛出的机理3 3 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 3 5 6 超声振动改善工件加工表面显微组织的机理3 5 3 6 本章小结3 5 第四章超硬材料超声电火花复合加工系统及其试验研究3 7 4 1 超声电火花复合加工试验系统3 7 4 1 1 机床结构3 7 4 1 2 工具电极及磨料3 9 4 1 3 超声电火花复合加工试验3 9 4 2 超声电火花复合加工中材料去除率的试验研究3 9 4 2 1 超声振幅对去除率的影响4 0 4 2 2 脉冲宽度对去除率的影响4 1 4 2 3 磨粒大小对去除率的影响。4 3 4 3 超声电火花复合加工中材料表面粗糙度的试验研究4 3 4 3 1 超声功率对表面粗糙度的影响4 3 4 3 2 脉冲宽度对表面粗糙度的影响4 5 4 3 3 磨粒大小对表面粗糙度的影响4 8 4 4 电火花加工对超声加工的影响4 9 4 5 超声电火花复合加工中工具电极损耗的研究5 l 4 5 1 电火花加工对工具电极损耗的影响5 l 4 5 2 超声振动影响工具电极损耗的机理5 l 4 6 试验中放电电压波形的分析5 2 4 6 1 超声电火花复合加工过程中不同的放电电压波形5 2 4 6 2 不同脉冲宽度下的放电电压波形的分析5 3 4 6 3 不同材料的放电电压波形的分析5 4 4 7 本章小结5 5 第五章总结与展望。5 6 5 1 总结5 6 5 2 展望5 6 参考文献。5 7 j l i 谢6 ( ) 在学期间的研究成果及发表的学术论文。6 1 附勇毛6 2 v 超硬材料的超声电火花复合加工的研究 图表清单 图3 1 超声加工系统简图1 5 图3 2 超声发生器的组成方框图1 6 图3 3 几种变幅杆1 8 图3 4 电火花加工原理示意图2 0 图3 5 超声电火花的简单叠加复合加工原理示意图2 l 图3 6 控制电脉冲的超声放电复合加工示意图2 2 图3 7 超声频间隙脉冲放电加工示意图2 3 图3 8 超声一间隙脉冲放电复合加工示意图。2 4 图3 9 超声电火花线切割示意图2 4 图3 1 0 工具电极的超声电火花复合加工原理2 5 图3 1 1 放电通道初始形状3 0 图3 1 2 放电通道偏转形状3 0 图3 1 3 超声振动改善放电间隙示意图3 3 图3 1 4 熔融液滴受力分析3 4 图4 1 机床总体结构3 7 图4 2 超声电火花复合加工机床结构3 8 图4 3 工具电极3 9 图4 4 硬质合金和p c d 在不同超声功率下的材料去除率。4 0 图4 5s i c 导电陶瓷在不同超声功率下的材料去除率4 1 图4 6 硬质合金和p c d 在不同脉冲宽度下的材料去除率。4 2 图4 7s i c 导电陶瓷在不同脉冲宽度下的材料去除率4 2 图4 8 不同超声功率加工的硬质合金表面形貌4 4 图4 9 不同超声功率加工的p c d 表面形貌4 4 图4 1 0 硬质合金和p c d 在不同超声功率下的表面粗糙度4 5 图4 1 l 不同脉冲宽度加工的硬质合金表面形貌4 5 图4 1 2 不同脉冲宽度加工的p c d 表面形貌4 6 图4 1 3 硬质合金和p c d 在不同脉冲宽度下的表面粗糙度4 6 图4 1 4 凹坑剖面几何形状4 7 图4 1 5 凹坑叠加示意图4 7 v l 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 1 6 不同磨粒加工的硬质合金表面形貌图4 8 图4 1 7 磨粒加工工件表面原理图4 8 图4 1 8 电火花对超声加工材料去除率的影响。4 9 图4 1 9 不同功率超声加工的硬质合金表面形貌5 0 图4 2 0 加电火花对超声加工表面粗糙度的影响5 0 图4 2 l 超声振动影响工具电极变幅杆强度示意图5 l 图4 2 2 不同的放电波形图5 l 图4 2 3 超声3 7 5 w ，电火花脉宽5 0 1 x s 的波形5 3 图4 2 4 超声3 7 5 w ，电火花脉宽6 0 9 s 的波形5 3 图4 2 5 超声3 7 5 w ，电火花脉宽7 0 1 t s 的波形5 4 图4 2 6 超声3 7 5 w ，电火花脉宽8 0 9 s 的波形5 4 图4 2 7 加工硬质合金时的放电电压波形图5 4 图4 2 8 加工p c d 时的放电电压波形图5 4 图4 2 9 加工导电陶瓷时的放电电压波形图5 4 表3 1 几种常用变幅杆优缺点比较1 9 表4 1 不同超声功率下的材料去除率4 0 表4 2 不同脉冲宽度下的材料去除率4 l 表4 - 3 不同超声功率下的表面粗糙度4 4 表4 4 不同脉冲宽度下的表面粗糙度4 6 表4 5 超声加工和复合加工下的材料去除率4 9 表4 6 超声加工和复合加工下的表面粗糙度5 0 v l i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 超声加工技术是近4 0 年来逐步发展和完善的一种新型加工方法。所谓功率超声，是指用超 声波使物体或物性变化的功率应用。由于功率超声加工技术具有许多特点，与其他加工技术相 比，常常能大幅度提高加工速度、改善加工质量和完成一般加工方法难以完成的加工工作。因 此，在工业、农业、国防和医药卫生、环境保护等部门得到越来越广泛的应用。例如，功率超 声技术用于超声清洗、超声焊接、超声治疗等【l 】。 为了充分应用超声加工在力n - r _ 过程中优势，同时提高加工速度和降低工具损耗，这就使超 声和其他加工方法的复合成为必要。超声电火花复合加工即是其中的一种加工方法，这种超声 复合的加工方法既使脆硬材料的高效加工成为可能，又能在加工过程中将超声和电火花的优缺 点互补，使加工更加稳定有效。超声电火花复合加工，强化了原加工过程，使加工的速度明显 提高，加工质量也得到不同程度的改善，实现了低耗高效的目标。超声加工的基本原理是磨料 冲击加工，使加工工件的表面破碎和去除。电火花加工的优点是加工特殊形状和难加工的导电 材料，并已广泛应用于机械加工中，但其最大的不足是加工速度较低和表面粗糙度值较高，而 采用超声电火花复合加工可以在一定程度上克服上述不足，如当其加工的面积较小时，采用超 声电火花复合加工要比普通电火花加工生产效率高【2 】。 1 2 超声加工的产生及特点 1 2 1 超声加工的产生 超声波是声波的一部分，频率高于2 0 k h z ，它遵循声波传播的基本规律。但超声波也有与 可听声不同的一些突出的特点。例如，超声波由于频率很高，因此传播的方向性较强；超声波 传播过程中，介质质点振动的加速度非常大，等等。超声加工是利用超声振动的工具在有磨料 的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料， 或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件互相结合的 加工方法。各种硬脆材料和硬脆复合材料很难用传统刀具进行加工，因而往往采用非传统的工 艺方法进行加工，这些非传统工艺方法多数直接使用各种能量，如超声波加工和激光加工等。 超声波加工始于1 9 2 7 年，已有八十多年的发展历史，适合于加工各种硬脆材料，如玻璃、陶瓷、 石英、金刚石、硅等【3 4 】。 1 2 2 超声加工的特点 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、氧化 超硬材料的超声电火花复合加工的研究 硅等) 、石英、锗、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。对于导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金 等，也能加工，但加工效率较低。 由于工具可用较软的材料，做成较复杂的形状，故不需要使工具和工件作比较复杂的相对 运动，因此超声加工机床的结构比较简单，只需一个方向轻压进给，操作、维修方便。 由于去除加工材料是靠极小磨料瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切 削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度也较好，可达到p a l - - 0 i g m ，加工精 度可达1 0 - - 2 0 l x m ，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度零件 4 , s , 6 1 。 1 3 电火花加工的产生及特点 1 3 1 电火花加工的产生 电火花加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称e d m ) 是通过工具和工件两电极间的火 花放电产生的局部高温、高压蚀除工件材料的加工方法1 2 1 。 十九世纪初，人们注意到电器开关的触头在开闭时会产生电火花并引起触点的烧蚀破坏。 人们曾经研究过许多抗腐蚀的方法以延长电器开关的寿命。与此同时，人们也认识到了产生电 腐蚀的原因，即火花放电瞬时产生的热使触点的温度急剧升高，使金属材料在高温下既不熔化、 气化而被蚀除。长期以来人们对有效利用这种腐蚀现象进行了许多有益的尝试。前苏联学者拉 扎林科夫妇于1 9 4 3 年成功地利用电腐蚀原理在金属上打出来d , ；f l ，标志着电火花加工方法的诞 生【1 1 。 随着科学技术的进步和工业生产的发展，具有高熔点、高硬度、高脆性、高强度、高粘性 和高纯度等性能的新材料不断出现，具有各种复杂结构和特殊工艺要求的零部件越来越多。电 火花加工作为重要的加工手段，已经在难切削材料加工、精密复杂零件制造中得到了广泛的应 用，特别是在模具制造业、国防工业以及航空航天等领域中占有十分重要的地位。 1 3 2 电火花加工的特点 电火花加工具有许多传统切削加工无法比拟的优点，主要表现在： ( 1 ) 电火花：j n w _ 是基于放电瞬时的热作用，而不是依靠机械力和机械能切除材料。不受材 料力学性能的限制，可以加工任何硬、脆、韧、软、高熔点的导电材料，在一定条件下还可以 加工半导体材料和非导电材料。 ( 2 ) 加工表面质量好。电火花力n - r _ 脉冲放电持续时间极短，放电所产生的热量向工件内部 扩散少，因此工件加工表面受热影响的范围小，不会引起工件材料性能的变化。 ( 3 ) 工具电极与工件之间没有宏观作用力，消除了机械应力以及机床、工具与工件系统振 动等问题，能够实现精密微细加工，加工范围广泛。 ( 4 ) 直接利用电能进行加工，便于实现加工过程的自动化，并且可以减少加工工序，缩短 2 l i - 南京航空航天大学硕士学位论文 加工周期，降低操作工人的劳动强度。 ( 5 ) 脉冲参数的调节范围广，可以在同一台机床上连续进行粗、中、半精及精加工，降低 生产成本。 1 4 超声电火花复合加工的发展与研究现状 电火花加工和超声加工，是特种加工领域中较为实用的两项加工技术。电火花加工主要用 于导电性材料加工：而超声波加工主要用于超硬、脆性材料加工。前者的加工效率相对较高， 但是，表面加工质量没有后者好。多项加工试验表明：在一定的条件下，对导电性硬脆材料( 如 导电性工程陶瓷) 进行超声电火花复合加工，尤其是同步复合加工，不仅可以提高加工效率，还 可以改善整体加工质量。超声加工与电火花加工的复合加工方法能够有效地改善放电加工的稳 定性，并且加工效率或工件表面质量高于单独的超声加工或电火花加工。复合加工关键的问题 在于如何有机地结合超声加工与电火花加工，使加工效率最高，加工效果最好。电火花超声复 合加工方法作为新技术，有许多问题还需要进一步的探索和研究1 7 1 。 1 4 1 国外发展概况 1 9 8 6 年，印度m a d r a s 工业大学的v s r m u r t i 和e i c p h i l i p 使用扫描电子显微镜对火花 间隙中超声辐射对电火花加工碎屑的影响进行了详细的研究。实验条件为：开路电压4 0 v ，放 电间隙o 1 m m ，电极的超声振动频率2 2 k h z ，振幅3 “m 。结果显示，大部分碎屑呈现轻微椭圆 度的球形，除有个别的中空结构外，其余均为实体结构。电源的脉冲特性明显影响到形成碎屑 的尺寸，在超声的作用下碎屑颗粒的椭圆度减小，颗粒尺寸、铜电极的蚀除量和碎屑碰撞的剧 烈程度均有明显的增加。同时，实验者指出放电间隙中附加超声辐射场对电火花加工( e d m ) 将产生下面的影响：空化作用加剧，增大了放电区中颗粒碰撞的随机性和剧烈程度，使形成碎 屑颗粒的尺寸变大：放电区中颗粒的受力更复杂，增加了超声场辐射力的作用；放电区中声流 场交替地变化加速了电介质的循环和扰动效果【8 引。 英国的r o d n e yw - j 等人在1 9 9 0 年申请了电火花超声复合穿孔的专利。主要用于加工在 导电基上有非导电层的零件，例如：在金属基上涂有压电陶瓷层的零件。整个加工过程分两个 阶段进行：首先用超声振动将非导电层去除掉，当传感器感知金属层出现时，即刻改用电加工 的方法进行加工或电火花与超声复合的方法进行加工。该装置在e d m 的基础上附加超声加工 ( u s m ) ，有效地解决了具有导电层和非导电层零件的加工问题【1 o 】。 罗马尼亚p o l y t e c h n i c a li n s t i t u t eo f b u c h a r e s t 的s t e n a c h e 等人对工具电极在振动力作用 下的电火花加工进行了研究。建立了电极在外力振动情形下的数学模型，该外力来源于放电区 的气化和空化作用所形成的放电间隙中压力波的变动，通过这种振动提高了材料的去除率及加 工过程的稳定性。虽然这种作用非超声附加的效果，但可直接预示超声电火花复合加工必将改 3 超硬材料的超声电火花复合加工的研究 善e d m 的加工性能。1 9 8 9 年法国的d k r e m e r ，j l l e b r u n ，b h o s a r i 和a m o s i s a n 系统地研究 了超声振动对电火花加工性能影响。d k r e m e r 等人自行设计的超声复合电火花加工装置。实验 中，工件采用3 5 n c d l 6 钢( c ：0 3 5 ；n i ：3 5 ；c r ：1 6 ；m o ：0 2 4 ；m n ：0 4 ；s i ： 0 2 3 ) ，电极为石墨，工作液为d e l h e l d i m e 8 2 ，电流密度为1 - 1 0 a c r n 2 ，脉冲周期为5 2 0 0 l a s ，上下冲油，振幅分别为4 9 m 和8 9 m 。结果表明，超声振动提高了加工速度，粗加工提 高1 0 ，精加工提高4 0 0 0 6 ，使加工过程稳定，特别是精加工时尤为突出，精加工时可稳定加 工的面积增大，电极损耗增加1 0 1 5 ，振幅为8 5 - 1 5 。d k r e m e r 等人认为电极的超声 振动改善加工过程的主要原因是：电极表面的高频振动加速了工作液的循环，使间隙充分消电 离；间隙间很大的压力变化导致更有效的放电，这样就能从弧坑中去除更多融化的金属，使热 影响层减小，热残余应力降低，微裂纹减小。日本的y o s h i h i t oi m a i 等人研究了压电高频响应 驱动器对电火花加工速度的影响，指出高频振动对使用工作液的精j j f l i ( 1 0 9 mr m a x ) ，高光滑 面( 1j _ t mr m a x ) 和4 2 4 0 9 m 微孔的加工速度可提1 5 2 5 倍 1 2 , 1 3 】。 1 4 2 国内发展概况 在我国，中国纺织工业大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、北京电加工研究所、 苏州电加工机床研究所等单位进行了超声电火花复合加工的研究。8 0 年代初，中国纺织工业大 学的贺庆华等人进行了超声在精微小孔电火花加工中的应用和超声回转微孔电火花加工的研 究，采用超声频率1 8 k h z - - - 2 9 k h z ，振幅l g m - - - 2 0 9 m ，r c 脉冲电源：4 0 0 1 r a m 、4 , 0 1 3 m m 、 4 0 1 7 m m 钨丝电极；去离子水工作液；1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢工件，用电源电压2 0 0 v 进行超声电 火花复合加工微小孔实验，他们指出，采用超声r c 非独立式脉冲电源比单纯采用的r c 非独 立式脉冲电源其最大加工速度提高4 倍左右，而最大加工速度提高近十倍，可加工孔深增加。 贺庆华等人认为加工效率提高的原因是由于超声空化作用使电火花加工中的电蚀产物从放电间 隙中细化并抛出，从而提高了脉冲电源的利用率1 7 。 哈尔滨工业大学杜松岩在导师刘晋春教授的指导下进行了方波电源超声电火花复合加工研 究，他指出，窄脉宽精微加工时，超声振动不仅起到促进排屑作用，而且使电蚀产物在电极间 分布均匀，使击穿沿时缩短，最主要的是大幅度提高了脉冲的利用率，从而显著地提高加工速 度；在大面积、长脉冲、大峰值电流的粗规准加工时，超声振动不能提高速度；超声复合电火 花加工的工艺效果与加工面积、电极形状有关，加工面积较小时效果显著，特别适用于微小孔、 窄缝的j j o i 闻。 哈尔滨工业大学在国内首次提出了超声电火花同步复合加工小孔技术，使超声复合电火花 加工速度提高了2 0 - - 5 0 ，并提出了放电概率间隙的概念。他们认为，若使电极端面的超声 振动与电火花脉冲放电同步起来，电极端面的超声振动引起间隙随超声振动周期性地减小和增 大，每经过一次超声振动，间隙变化一次，在间隙减d , n 最小间隙之前，产生一次电火花瞬时 4 j 南京航空航天大学硕士学位论文 击穿放电，理论上间隙每周期性地变化一次，就能引起一次电火花。 8 0 年代末9 0 年代初，北京电加工研究所进行了超硬工具材料电火花超声波复合抛光方法 的研究。并用于聚晶金刚石拉丝模孔的研磨抛光。苏州电加工机床研究所进行了超声电火花复 合研磨抛光技术研究，并分析了工艺性能和加工特剧1 5 】。 哈尔滨工业大学的金长善等人，在9 7 年对喷丝板超声波电火花磨料复合加工进行了研究， 在一定程度上解决了生产率与表面粗糙度之间的矛盾。其加工过程如下：将电火花电源设计成 较大的容量，采用u s e d m 复合加工，将所加工的工件快速加工透，一旦加工透，将电火花电 源容量减小，保持超声波振荡的振幅恒定，并在工具电极与工件间加入磨料，在保证主轴以一 定的慢进给条件下加工一段时间即可。实验结果表明，采用普通的电火花加工后，工件表面的 粗糙度为r a 2 5 9 i n ，再进行l m i n 左右的超声波电火花磨料复合加工，表面粗糙度达到r a 0 1 6 9 m 。 南京航空航天大学的钱军等人进行了工件激振式复合电火花微细孔加工【1 6 】的研究。它跟以往的 超声电火花复合加工的不同之处在于，通过工件的微幅激振改善微细电火花加工工作液的循环， 进而提高微细电火花加工的脉冲利用率和微细孔加工的深径比。作者进行了不同激振驱动电压 对加工速度的影响实验，得到下面结论：随着激振驱动电压峰值的增大，相应的压力波幅值增 大，其对工作液的扰动作用也更强烈。由此改善排屑和工作液循环，提高放电脉冲的利用率， 使加工速度得到提高。又进行了不同厚度工件的加工对比实验和不同材料工件的加工对比实验。 得出结论：工件越薄，排屑越有利，加工速度提高的越快；复合加工对不同工件材料均有提高 深径比的作用。作者认为这主要由于工件激励后加工间隙内工作液中压力波剧变的冲击和扰动 作用，这有助于改善电火花微细加工的排屑条件，提高放电脉冲的利用率，使加工速度得到提 高，并使微细孔电火花加工的深径比得到了提高嗣。 1 5 超硬材料加工技术 超硬材料具有高硬度、高耐磨性等特点，使用传统的机械方法成型加工非常困难，特种加 工技术具有以柔克刚、精密微细、仿形逼真等优点，是超硬材料和半导体新材料的有效加工方 法。 广义的超硬材料一般是指高强度、超硬度、脆性大，通常含有一些多组元、活性大的合金 元素( 如n i ，c r ，v ，m o ，c o ，a 1 ，t i 等) 或非金属材料，以及同时含有金属和非金属的复 合材料。狭义的超硬材料指的是维氏硬度h v 大于4 0 g p a 的材料。主要包括天然金刚石、人造 单晶金刚石、人造单晶( c b n ) 、聚晶金刚石( p c d ) 、聚晶立方氮化硼( p c b n ) 、类金刚石膜、 金刚石薄膜等材料。由于超硬材料的许多优异的性能，在汽车、计算机、微电子、光电子、通 讯、家电、新型陶瓷等产业领域得到了广泛的应用。但超硬材料的脆硬特性使得其机械加工性 能差，极易产生裂纹和变形，这很大程度上制约了其推广应用。因此，超硬材料特种加工技术 的研究具有重要的意义。目前应用较广的特种加工方法主要有