机械毕业设计（论文）-硬质合金超声复合电加工设计及试验【全套图纸】.doc

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 机械设计制造及其自动化 班 级 机械 81001 指 导 教 师 完 成 日 期 2014 年 06 月 06 日 硬质合金超声复合电加工设计及实验 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（YG8、YT15等）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。全套图纸，加153893706关键词：超声加工，电解加工，超声电解复合加工，硬质合金AbstractThis paper introduces the principles of ultrasonic machining and electrochemical machining. And analyze the existence of the inadequacies, Contrast to the two to shows the advantages of the Composite processing ,Focuses on the ultrasound - the working principle of electrolytic processing and laboratory equipment. Improved the cathode and the workpiece between the micro-pressure regulator devices, horn design and production, the work of the effective supply of liquid method of precision micro-positioning device methods, processes and processing parameters detection show that the accuracy of measurement technology link, in order to test Research conditions provide the basis Finally , The paper has carried on the analysis summary to this technical processing craft, proposed that the existing craft plan existences question and the consummation measures, and proposed to the following research application conceives and forecastsKey words: Ultrasonic machining ，Electrochemical machining ，Ultrasound - ECM machining, Hard metal目 录摘 要1Abstract 2目 录3第1章 绪 论5 1.1 特种加工技术概述5 1.2 硬质合金的特性61.3 课题研究目的及内容6第二章 超声加工和电解加工7 2.1 超声加工原理及特点7 2.2 电解加工原理及特点82.3 超声电解复合加工原理102.4 本章小结 13第三章 超声电解复合加工试验系统构建14 3.1 复合加工机理14 3.2 复合加工技术优势15 3.3 构建实验系统16 3.4 变幅杆设计与制作18 3.5 极工具头设计20 3.6 工艺试验22 3.6.1 试验材料22 3.6.2 工具阴极及变幅杆22 3.6.3 超声磨料22 3.6.4 电解液23 3.6.5 加工电参数 23 3.6.6. 超声功率23 3.6.7超声频率23 3.6.8 试验步骤24 3.6.9 硬质合金的单一超声加工24 3.6.10 硬质合金YT15超声复合电解加工试验 26 3.6.11 硬质合金YG8超声复合电解加工试验28 3.6.13 本章小结32第四章 总结与展望 33致 谢 34参考文献 35第 一 章 1.1 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（NTM, Non-Traditional Machining）。它是一种涉及多学科、学科交叉融合的先进制造技术，具有才传统加工所无可比拟的特点1。.1.2 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 、TiC 、TaC 和 NbC 等)和金属粘结剂(c0、Ni、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(Ra= 016 125 m )，但与超声加工所得到的表面粗糙度 (Ra = 01 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。1.3 课题研究目的及内容.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。第二章 超声加工和电解加工2.1 超声加工的原理及特点2.1.1 超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1-2所示。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16000Hz以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0.050.1mm左右，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-工具 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2.1 超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。2.1.2 超声加工的基本特点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Ra(10.1)m，加工精度达到(0.010.02)mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的零件3-4。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。2.2电解加工原理及特点2.2.1 加工原理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2.3 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2.3所示，加工时，工件接直流电源（一般为10-24V）的正极，工具接负极，两极之间保持较小的间隙（一般在0.1-1mm范围内）。电解液从极间间隙中流过（6-30m/s），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。a.加工开始 b. 加工过程 c.加工终止图2.4 加工示意图2.2.2 加工特点：（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nm级加工的可能性，因此发掘其机理优势，将其应用于MEMS器件微细加工，是很有研究前景的课题。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2.5 复合加工实验设备2.3.1 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。1. 变幅杆2.电极3.电解液4.工件5.电源图 2.6 超声电解复合加工示意图超声-电解复合加工过程中,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。2.3.2 加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NaNO3，电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2.7所示)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nm级微粉（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2.7 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.然而,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。2.4 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。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NaCl电解液，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MEMS各种材料微器件加工的一种全新工艺。3.1 复合加工机理.1. 换能器2.变幅杆3.电解液和磨料4.工件5.直流电源 6.工具7.超声发生器图3.1 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3.1，换能器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NaNO3钝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MEMS器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。3.2复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。3.3构建实验系统采用图3.2所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, 即, , 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PC机进行记录，以便分析调节加工参数。图3.2 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G2）激励放大，其信号频率为换能器的工作频率，电子管G3、G4组成推挽功率放大器，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3.3 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。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20KHz1.5KHz（连续可调）。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。3.4 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=20kHz，变幅杆所用材料为调质45号钢，纵波在杆中的传播速度C5170m/s，宽端直径D145mm，窄端直径为D213mm；阴极设计的工作长度l226mm，大端直径d=12mm小端直径d1=10mm。计算指数型变幅杆的主要参数：(1)面积系数4，1.50(2)半波谐振长度143.5mm(3)检查是否满足限制条件f 。 ， 因此，可知工作频率满足限制条件(4)质点位移节点x0位移节点x0为从宽端算起的距离，此点变幅杆振幅为零。(5)对于指数形变幅杆(6)轴向直径变化查表可得变幅杆长l1l-l2=143.526121.3.5mm轴向的直径变化按计算，。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3.4所示。(mm)(mm)045.002032.753028.074024.325021.246018.547015.978013.579011.7610010.9111010.91 表 3.1 变幅杆直径变化 3.4 指数型变幅杆横截面直径尺寸变化示意图图3.5 指数形变幅杆设计图图3.6 锥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3.5所示。3.5 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，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。1.微小轴工具阴极，设计如图，圆柱工具头：图3.7 圆柱工具头尺寸设计2.方形工具头：图3.8 方形工具头尺寸设计图3.9指数形变幅杆及阴极体设计图 3.6.工艺试验 图3.10 超声电解复合微细加工试验系统3.61 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（YT15、YG8）。3.62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。3.63 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%。364. 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NaNO3电解液，与成混和工作液。365 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：1V5V。电解电压脉冲频率可在0Hz（直流）10000Hz范围内选择；脉冲占空比选择范围在30%50%（即3:71:1）。3.66 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5W250W内合理选择。3.67 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：10.00s/div幅度：50.00v/div图3.11 共振时采集的超声发生器输出的超声频交变电压如图3.16所示，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20.161KHz。由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。3.68 试验步骤:1.在超声机上安装上变幅杆。2.将工件用黏结剂黏结在工作台，变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3.合理选择砝码，打开液压油通路，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。4.接通冷却泵电机，使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。5.在超声加工机控制面板上分别打开低压和高压开关，并选择强弱档，在本试验中，当使用1mm的工具头时选择强档，当使用0.25mm工具头时选择弱档。6.调整并选择适当的功率，然后再调节频率按钮，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20KHz。这时工件已处于加工状态，随着加工的进行要不断的抬升工具，同时用针管不断的添加磨料。用双通道数字示波器记录下加工时的各种波形，并用秒表记录下加工时间。7.关掉功率旋钮、低压高压开关。8.打开液压油路压力旋钮，工件自动脱开，然后取下工件，拔掉所有电源插头。9.清除加工时的残留物，将机床擦净后罩起。3.69 硬质合金的单一超声加工为了对单一超声加工和超声电解复合加工硬脆金属材料的基本状况进行对比，首先在T32-025超声机进行硬质合金的单一超声加工试验。 硬质合金是由硬度很高的难熔金属碳化物（WC、TiC、TaC和NbC等）和金属粘结剂（Co、Ni、Mo）用粉末冶金方法制成的。硬质合金中的碳化物具有硬度高、熔点高、化学稳定性和热稳定性好等特点。硬质合金的强度与粘结剂的含量有关，粘结剂含量越高，合金强度就越高。硬质合金的硬度可达89-94HRA，耐热温度达800-1000，是用以切削硬质材料的首选刀具材料。硬质合金的种类很多，课题试验选用YT15硬质合金和YG8（规格型号S25）硬质合金作为加工试验对象。YT15属于P类硬质合金，YG8属于WC-CO类硬质合金。表3.2简要介绍了YT15硬质合金和YG8硬质合金的基本组成及有关性能。从表3.2中可以看出，YT15材料中WC、TiC、Co含量都较高，它们的硬度均较高，所以YT15的洛氏硬度高达HRC78，而YG8材料中WC、Co较高，其硬度高达HRC89，普通切削加工方法基本上无能为力。对于超声加工而言，由于去除材料是靠粒度极小的磨料瞬时局（磨料的硬度更高）部撞击、抛磨以及超声空化的综合作用，所以硬质合金材料可以用超声加工去除。牌号WC（%）TiC（%）Co（%）硬度（HRC）YT157915878YG892889表3.2 不牌号硬质合金的基本组成及性能根据上述所选的各个参数，分别在J93025型超声加工机和T32-025小功率超声机对各种材料进行单一的超声加工。所得到的试验结果如表3.3和3.4所示。由此可见，不管是在T32-025小功率超声机还是在J93025型超声加工机上进行单一的超声加工试验所得到的数据都表明越是脆硬的材料就越适合采用超声加工。 材料加工深度(mm) 时间(min)加工精度（mm）工具磨损（%）硬质合金YG80.0610.0505硬质合金YT150.0710.03314压电陶瓷2.0910.06120试验条件：小功率超声机 工作压力：1.0N 工具头为1mm的圆形工具头表3.3 硬质合金的单一超声加工试验结果 材料 加工深度（mm）加工时间 （min）玻璃钢 0.5 1工业陶瓷 1.0 1 45#钢 0.15 1试验条件：J93025型超声加工机 加工压力：15N，工具头：5mm的圆形表3.4 脆性材料的单一超声加工试验结果3.610 硬质合金YT15超声复合电解加工试验由于工具头很细，采用很小的静载荷（一大一小两块砝码）提供工具进给压力，磨料和电解液分别采用400#的碳化硅磨料和5%的NaNO3电解液，加工时间均为1min，当用脉冲电流进行超声复合电解加工时，脉冲电源频率选择5000Hz。经多次测量加工结果,取平均值后取平均值后数据如表3.9所示。加工条件加工深度（mm）工具磨损（mm）单一超声加工0.050.12超声+直流电压1V0.120.07超声+直流电2V0.180.08超声+脉冲电源1V0.070.05超声+脉冲电2V0.160.06表3.5 对硬质合金YT15超声复合电解加工加工深度和工具头磨损比较 试验条件：磨料：400#的碳化硅，电解液： 5%的NaNO3电解液，加工时间：1min，占空比：3：7，加工压力：90克，频率：5000Hz 。图3.13和3.14分别为单一超声加工和复合加工的加工深度和工具磨损量比较。图3.13 单一超声加工和复合加工加工深度比较图3.14 单一超声加工和复合加工加工磨损比较从图3.13和3.14可以看出单一超声加工效率最低，但工具磨损量是最高的。超声加直流复合电解加工效率最高且工具的磨损量也不是很大。超声加脉冲电流复合电解加工效率适中，但工具电极的磨损量最小。图3.15，图3.16为在不同的加工电压下，复合加工的加工速度和工具磨损量的比较图3.15 不同加工电压下复合加工加工