PCD超声加工材料去除机理分析

1、PCD超声加工材料去除机理分析鉴于超声加丄技术在加工应用方囹的优点"许多学者对煙声加工机理进存丁研究，并取得了一定的成就.Sha諒删认为超声加工材料去除方式中起主要作用的足磨料直工件祓面对工件衣両进行冲击.从而去晾材料*Soundararajan1认同Sha钟的看法，进一步提出工件表面林料发生塑性变形，形咸与磨粒尺寸相关的凹坑，馨而产生新裂，这与第四食数信模拟一魏孙T.CLeer&n等借助窝罐摄影发现在高嘶动作用f：话粒对工件的材料去除过程与单个工具切削或磨削类似.微小磨粒反复锤击工件表面去除材料*同时空化作用也有利于材料去除并进行实验研究了各工艺倉数对H件表面粗糙度利材轉左

2、除率的作用规律。Markov1竭零认为硬脆材料的断裂是徵观裂纹和宏观裂纹扩展到一定程度形成的,相互交错的裂纹像爲工件表面形成弱化层，在磨粒的反复逐击下较易发生断St.©nunml甸零建立了静态下预测材料去除率的分新模型.提出在超声加工中.在工件友面"F形成横向裂红，其件播和汇含逍成了材料的去除。£丄Pei冋通过进行大毘的实验提出了材料去除率的理论模型该模型被许多论文引用阻闵*指出了一些加工参数和材料去除率的理论关系.王趨群【切等认为超声加工是超声扼动下的磨粒机Wit*.帕磨及趙声空化缭合作用的结果，其中磨粒的机械撞击是材料去除的主要因素.同时还进行了玻璃的超声加工

3、实验给出了各加工参数和村糊去徐率的关系.上述文献中*多数是追迥实脸进行加工机理方血的研究，以及工艺参数对加工工艺规律的定性分折.少冒文献食立了数学模型&但是，ZJPei模型推导时针对的工件材料足加入氧化磺稔定剂的氧化锚（ZKVMgOh其弹性榄量及泊松比与聚晶金刚石有较大差异文献67未考虑工件龌转工况，因此仅适用于工件固定的情况*囚此，本文針对工件庫转、工件材料为聚晶金刚石的超声加工工况，基于材料去除机理建立加I工艺观律的理论模世，以便对匸祚应用及H咲实验提供理论支捋.3.2PCD超声加工中工件的至力分析illI:节可知磨粒王耍依靠匸貝头化绘声作用下的神击公除材料，因此分析匸件内部产生的

4、应力也冇淀盘义。在超声加匸过程中,将iff戎荷施加在匸件上,膿依黑瞬粒在超声応频振动下不斷锤击匸件衣面,如图31所示烧粒数駅娄,连续不断冲IU工件,便衣DI材料被左除。图31超卢加丁乐意图Hg.3-1Schematicdrawingofultrascwicmach：ning为了便丁研呃,假设|叫工仕液中的微细Iff粒对衣而的作用足K接的，即某饰粒直接作用农面，与典它阱戴没仃能笊交换.匸作液的介质是均匀的.联粒匪靑作用在【件表而上欧颗序粒对I件表dii的冲击作川町看作弹性球对被加1工表面的冲击,如图3-2所示.Fig.32Forceschcnutticdrawingofabrasiveimpac

5、tingonthesurfaceofworkpiece当沖性球撞击工件贝而时，工件受力为几應粒与工件的接触面积远远小整个匚件的人小住该区域内所产4的应力比不依靠物体远离接触区的形状.也不依帘支持物体的确定方式。这就是把门牛曲作以平血为边界的丫无限弹杵休，也就是*无限平面问題I叫现以乘直作用F工件丧而上的力的作用点为Ki点,a为1：件上任虑一点，建立坐标系,如图33所水。图3-3受力坐标系Fig.3-3Coordinatesystemofmecharicsanalysis现有半无限弹性体，在顶点处作用一个沿r轴方向的集中力，这就是著名的布希涅斯克（BouSSinesq）问题，该问题的边界条件是a

6、,=0.根JEBouSSinesq解】可得点的应力分量为2Px35=TTJ兀（x2+y2IPxy2厂丙77由上式可得距离边界为a的应力为（图3,）2Pa36=27?Fig.3-4Stresscurve由上图叮以看出应力的大小随着川点位置的改变发生复杂的变化，并不是简单地变人或变小，.(3-2)3.3PCD超声加工材料去除率的数学模型由本章概述可知材料去除主要依靠磨料对工件表面的冲击作用，为方便建立材料去除率的理论模型，现假设向1：金刚石磨粒是直径相同的刚性球且均匀分布在加工区域里；所有磨粒在整个振动周期里都参加加工且处于同一水平高度;材料是由于Hertz断裂而去除的.超声加工聚晶金刚石的过租中

7、磨粒随工具做超声振动，设超声振动的扳幅为A(rnm)t频率为/(Hz),贝9正弦曲线方程为y=/lsin(2M)在毎个振动周期内，磨粒冲击工件的最大冲击深度h可由Hertz等式得出X)：h=2(1-02/(16n2r£2)，J.(3-3)其中.F为工具和工件间静压力(N)：u和E为工件材料泊松比和弹性模量："为磨粒数日；尸为磨粒半径(mm).本文针对的是聚晶佥刚石材料，山式(33)可得到其煨大冲击深度。设在一个振动周期内，磨粒从a时刻开始与王件表面接触，在b时刻达到最大加工深度/»,到c时刻与工件分离、不再接触，其接触时间为3,如图35所示.y/mmyAsin(2

8、nft)bct/s图3-5磨粒运才位移图Fig.3-5Abrasivedisplacementdiagram由图中可知a时刻位移为加1,其对应的时间"为.(3-4).(3-5).(3-4).(3-5)tjarcsin(l-h/A)2肘同理得b时刻对应的时间心为4=】/(仃)因此由对称性可得接触时间&为A/=2匕一片)=兀/2-arcsin(l丁当球形磨粒与工件接触时，其瞬间位置关系如图3&磨粒随工具头振动，同时工件也住作旋转运动。由于在一个周期内时间很短，磨粒在工件表面的弧线划痕可近似看作一条宜线。在一个盾期内爲粒去除的材料体积类似一个椭球缺，如图37所示，点M为磨粒

9、的球心位置，点/为最大冲击深度位置，点P为磨粒切入位習.点B为切除位晋e图3-6窘粒与工件接触瞬间位置图Fig.3-6Instantlocationofabrasivecontactingwiththeworkpiece图37材料去除体积模熨Fig.3-7Materialremovalmodel由上图几何位置关系知道，MA=rOA-hOC=t*2-(r/i)2J2=(2Ar-A2)，/2.(3-8).(3-8).mod而弧长/=vU其中，co为工件转速(r/min),d为工具宜径(mm).根据楠球缺体积公式，可得一个周期内单个磨粒的材料去除体积：V=jrG(ud(A/)+120r)(r-h/3)h2/(20r)因此理论材料去除率为(