超声加工技术在陶瓷加工中的应用

论超声加工技术在陶瓷加工中的应用摘要:本文结合超声加工技术原理,对超声加工技术在陶瓷加工中的应用进行分析,着重介绍二维超声加工技术的运用,以更好地

保障工程陶瓷加工质量水平。

关键词:超声加工陶瓷加工二维超声技术应用

中图分类号:tg74 文献标识码:a 文章编

号:1672-3791(2012)09(c)-0094-01

超声加工技术的应用,主要利用超声振动工具,在具备磨料的干磨料、液体介质中形成冲击力、液压力、抛磨力等,产生气蚀之后可去除材料;或者将工具、工件等按照一定方向实行超声频振动,形成振动加工;或者通过超声振动作用,促进工件的相互结合。近年来,超声加工技术已经广泛发展起来,并且在磨削加工、超声振动切削领域广泛应用,尤其在工程陶瓷加工中,已经取得一定进展,解决了诸多关键性技术问题,效果良好。

1 超声加工技术原理

将磨料悬浮液加入到工件与工具之间,利用超声发生器形成超

声振动波;经过换能器的转换之后,形成超声机械振动,这样悬浮液中产生的磨粒就会对加工表面造成撞击,被加工材料的局部就会经过撞击而掉落。在工件的表面,具有瞬间交替作用的正压冲击波与负压空化作用,以此强化加工过程。在超声加工技术中,涉及到机床、超声振动系统、电源、轴向力反馈保护系统等,且超声振动系统是关键、核心环节[1],主要包括以下几部分。

1.1 超声波换能器

通过应用超声波转换器,可以将高频电振动转化为机械振动,并通过以下两种形式实现:(1)磁致伸缩法。在处于变化状态的磁场中,砦铁磁体或者铁氧化体的长度也会发生变化,即磁致伸缩效应。在磁致伸缩换能器中,q值(即能量峰值锐度)相对较低,因此可以传递较宽的频率,以此增加设计变幅杆的灵活性,而刀具与其相连接之后,即使发生加工过程的磨损现象,也可进行重磨[2];(2)压电效应法。通过应用压电晶片,在外电场中随着电场的方向变化而产生形变,利用压电换能器将高频的电振动转化为机械振动。压电换能器的电声转换频率较高,不会产生热量损失,也不需要采取冷却方法,可支持旋转性操作,便于操作。

1.2 变幅杆

通过应用变幅杆,可以进一步扩大换能器中发出的超声振幅,支持超声波加工过程。这主要由于在任意截面中的振动能量保持不变,而截面越小的地方,能量密度则越大,而振动幅度也随之加大。在加工大功率超声过程中,可以将变幅杆与工具设计为一个整体,可考

虑采用cad技术、cam技术、有限元分析技术等[3]。

1.3 工具

可以将工具看作是变幅杆的负载,因此工具尺寸大小、质量好坏等,将与变幅杆的连接密切相关,同时也对超声振动频率、超声波加工性能等产生影响。通过应用螺钉或者焊接形式,将工具固定到变幅杆中。如果采取可拆卸的方式,虽然便于工具的更换速度,但是可

能造成超声能量损失、工具松懈或者过于疲劳等缺陷。

2 超声加工技术在陶瓷加工中的应用

陶瓷材料可以广泛应用于诸多工作场合,由于其用途的特殊性,因此对加工精度、表面质量等提出诸多要求;但是考虑到陶瓷材料的低断裂韧性、高脆性等特征,和材料的弹性较为接近,因此加工过程存在一定难度,如果加工方法不当,可能破坏表面层组织,对加工质量造成影响。因此,加工技术的选择,将对陶瓷材料应用范围产生重要作用。当前,国内外诸多学者已经开展超声加工技术在陶瓷加工中的应用研究。

2.1 精密超声加工技术的应用

精密超声加工技术主要针对a12o3陶瓷材料中的微去除量应用,主要对陶瓷材料中超声加工的特征进行模拟,分析材料的去除原理。经大量的实践研究来看,在低冲击力的作用下。陶瓷材料的结构会发生变化,同时出现晶粒错位问题,而过高的冲击力,又会发生凹痕或者裂纹[4]。

2.2 超声振动脉冲放电加工技术的应用

超声振动脉冲放电加工技术主要应用于工程陶瓷小孔中,工具电极中的超声振动,形成脉冲放电,进而取替传统的电火花加工形式,发挥专用脉冲发生器的重要作用。另外,通过应用工具电极中超声振动,还可以对缝隙进行清洗。该技术可以对a12o3基陶瓷刀具的材料表面方孔进行定位和加工;通过对其工作机理、加工参数等研究,可获得不同陶瓷材料加工的效率、表面粗糙性等,总结发生影

响的规律[5]。通过实验结果来看,采取该种复合加工技术,结合超声加工与放电加工的双重优势,提高陶瓷材料的性能与质量,更好

地投入使用。

2.3 超声振动磨削技术

该技术主要针对陶瓷深孔加工,具有高效性、精密性等特征,通过对超声振动磨削技术及传统的磨削陶瓷深孔技术进行对比。从实验结果来看,采取超声振动磨削技术,可有效保障陶瓷加工的效率,并可避免在加工过程中发生的裂纹、凹坑等缺陷和问题,因此在陶瓷加工中具有良好的应用空间,将成为今后发展趋势。

3 二维超声技术在陶瓷加工中的应用

当前,超声振动磨削机理的研究较为深入,尤其是细晶氧化锆陶瓷试件中,进行二维超声振动磨削试验,对其性能、应用等进行确定。该实验中,主要针对磨削的深度,对磨削力、材料去除率、表面粗糙度等因素进行探讨。通过实验结果,获得如下体会。

(1)通过研究普通的磨削技术,与二维超声振动磨削技术进行对比,充分体现了磨削深度的变化对增加材料去除率的影响;在同样

的磨削深度状态下,二维超声振动磨削的去除率强于普通磨削技术;而超声振动磨削材料的去除率可以达到普通技术的2倍左右[6]。

(2)无论是普通磨削技术还是超声振动磨削技术,都将随着磨削深度的增加而有所提高,如果达到了临界值,那么磨削力就会产生

波动,进而超过了该临界的深度值,磨削力进一步下降。经实验来看,采用超声振动磨削力技术,与普通磨削力相比将减少20%～35%左

右。

(3)在同样的切深状态下,二维超声振动的磨削表面粗超度较低,与普通的磨削技术相比,表面粗糙度可降低20%～50%,而二维振动

磨削可有效保障磨削的性能与表面质量。

(4)超声加工技术的应用,可有效改善传统加工技术的弊端,尤

其在脆硬材料加工中的应用,推动材料加工技术的优化发展。

由上可见,通过超声加工技术在陶瓷加工中的应用,可有效控制成本,提高加工效率,确保工件的良好性能与质量水平。因此,经大量实验来看,超声加工技术是一种有效的工程陶瓷加工方法。随着我国在陶瓷材料加工方面的不断探索与研究,研发了越来越多先进的加工设备、掌握了复合加工方法,推动工程陶瓷加工技术的成熟发展,进而为今后工程陶瓷材料的应用拓展空间。

参考文献

[1]张磊.硬脆材料异形面超声微精加工工艺研究[d].扬州大学,2010.

[2]冯平法,郑书友,张京京.功率超声加工关键技术的研究进展[j].制造技术与机床,2009(5).

[3]赵文凤,郭钟宁,唐勇军.新型超声振动结构的研究进展[j].机床与液压,2010(15).

[4]贾宝贤,王冬生,赵万生,等.微细超声加工技术的发展现状

与评析[j].电加工与模具,2006(4).

[5]魏星.面向先进性材料的超声加工技术[a].中国电子学会