微细旋转超声加工碳化硅陶瓷的轴向力试验研究

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Experimental Investigation on Thrust Force of SiC Ceramic UsingM icro Rotary Ultrasonic M achiningGao Fei，Gu Lin，Zhao W ansheng(Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)Abstract：This study investigated the thrust force in the processing of SiC ceramic using micro ul-trasonic machining( RUM).Experiments were conducted to study the influences of spindle speed，feed rate and ultrasonic vibration power on the thrust force.Besides，the thrust force signals were ana-[yzed in the frequency domain and it was disclosed that both low frequency and high frequency signalscould be detected during uRUM .The low frequency signal might be aroused due to tool deflection andtool rotation while the high frequency signal probably caused by the vibration of the ultrasonic system。

Furthermore，influences of the machining parameters on the frequency of the thrust force are investi-gated.Finaly，different tool wear types and effects of thrust force on tool wear are observed。

Key words：micro rotary ultrasonic machining；thrust force；orthogonal experiment碳化硅(SiC)陶瓷因具有良好的综合性能，被广泛制成轴承、喷嘴、反射屏、防弹装甲等化学、航空航天、军工行业中的关键零部件。随着 SiC陶瓷微电子元器件的广泛应用 ，微细尺度 SiC陶瓷的加工技术需求也日益迫切。但该材料高硬脆的特性使其难以用传统切削方式加工，目前虽然有烧结成形、磨削、激光、电火花等加工方法，但多少都存在工艺流程复杂 、材料去除率低 、表面质量较差、成本过高等不足。旋转超声加工(Rotary Ultrasonic Machining，RUM)是-种复合特种加工工艺，结合了磨削和超声加工的优点，目前已被国内外学者成功应用于各收稿日期：2013-01-17第-作者简介：高飞，男，1988年生，硕士研究生。

类工程陶瓷、难切削金属、复合材料、光学玻璃等材料的加 工。微细 旋 转超 声 加 工 (Micro RUM，taRUM)是将 RUM从宏观加工尺度降低至微观加工尺度的加工方法，在脆忧导电材料和生物医学材料的微细加工方面有重要应用价值，但 目前利用tRUM加工 SiC陶瓷的研究还不多。

在 RUM过程中，脆性材料的去除模式主要有塑性去除和脆性断裂去除两种。脆性断裂去除依靠工件的宏观和微观裂纹扩展至-定深度时，材料发生断裂和剥落；塑性去除通过磨粒在工件表面的耕犁”作用，使材料表面发生塑性流动达到去除目的。由于硬脆性材料的去除通常以脆性断裂去除为主，因此加工表面质量较差；而塑性去除加工的表面质量较好，且可保持工件原有特性，故受到人们的重- 39 - 《电加工与模具》2013年第2期 设 计·研 究视。现有研究表明，磨粒和工件之间的接触力是决定去除模式的重要因素之- 。虽然微观接触力难以直接测量，但由于轴向力可在宏观尺度反映大量磨粒对工件表面的冲击力，且易于保证测量的精度和实时性 ，故许多学者以轴 向力为对象对 RUM 的加工机理进行分析。Qin3 建立了恒速进给条件下的塑性去除加工力模型，并将预测值与实验值进行了对 比。ChuriH 通过工艺实验，分析了加工硬脆性材料时实验参数对轴向力的影响。Liu 和张承龙 等分别提出基于脆性断裂去除的切削力数学模型，并与实验结果进行对比。Zeng 研究了间歇冲液条件对加工力、表面质量、冷却液流速的影响。但现有的理论模型均建立在加工金属属于单-的塑性去除模式 、加工硬脆性材料属于单-的脆性断裂去除的基础上。但在实际 RUM 中是两种去除模式并存的，很难做到绝对的单-模式去除；并且为了计算方便，现有模型多假设磨粒为规则的刚性球体，这将带来-定的误差 ；此外 ，目前研究主要集 中在 MacroRUM，而对 RUM 的研究尤其是力的分析和建模研究很少。本文将 以 tRUM 加工 SiC陶瓷为对象，首先对轴向力的频谱进行分析，进而研究加工参数对轴向力的影响。此外，还将分析轴向力对工具磨损的影响和工具的磨损类型。

1 实验装置及设计1.1 实验装置实验系统见 图 1，由加工 中心 、超声发生器 、超声换能器、高频动态力传感器、数据采集卡等组成。

所用微细工具为细粒度电镀金刚砂磨头，端部直径650/xm。

jj传图 1 微细旋转超声加工装置不意图1.2 实验设计根据已有的研究，影响 RUM的因素很多，本文选择其中可控的转速、超声振动能量和进给速率作为实验参数。利用 Minitab软件，采用三因素三水- - - - - 40 ---平正交试验，参数安排见表 1。加工方式为钻孔 ，加工孔的深度为 500 ptm。

表 1 正交试验参数表2 实验结果分析2.1 加工参数对轴 向力的影响从加工参数对轴 向力值 的主效应图可看出，在/RUM 中，中等转速(3 000 r/min)时的轴向力较其他水平小(图 2)。

转速/(r·min ) 超声能繁/%： /- / -、 - ，-- - ～ -图 2 不同加工参数对轴 向力的主效应图2.2 轴向力信号的频域分析通过对采集的轴向力信号进行频域分析发现 ：对于无超声振动辅助的实验组，轴向力信号频域 图仅在低频值附近有峰值；对于施加超声振动辅助的实验组，轴向力信号频域图在低频和高频值各有-个峰值。针对这种现象的产生做出如下推断：(1)低频峰值是 由于工具在旋转的同时，在与工件接触的过程中受到轴向压力而产生变形 ，因此产生了与加工参数相关的低频力信号，使工具在加工过程 中承受交变载荷的作用 ，加剧了刀具的磨损，并可能造成加工孔边缘的崩边现象。

(2)高频峰值是由于在加工过程中辅助以超声频率振动，导致大量磨粒撞击工件表面时发生接触- 分离”式加工。故高频力信号的周期可表征加工过程中磨粒与工件的接触时间。

从轴向低频力信号周期主效应图可看出，转速是影响轴向低频力信号周期最显著的因素，且近似与低频力信号周期成反比(图 3a)。但轴向高频力信号周期的变化规律则较复杂(图 3b)，且变化趋势与现有模型 有所不同，其原因如下：8 6 4 2 8 6 4 2 设计 ·研 究 《电加工与模具》2013年第2期(1)现有模型是建立在单-去除模式前提下，利用力学基本原理 ，理想假设过多 ；而实际加工 中至少存在两种或两种以上的去除模式 ，不可能做到单-模式 的去除。

(2)目前研究使用的是 中空 内冲液磨头，而IRUM所用的是实心微细磨头。不同的工具会带来不同的流体动力效果，会使微观尺度的去除情况产生不同 。

(3)目前的模型均假设磨粒为刚性的半球，而实际的磨粒多为不规则带有尖锐棱角的多面体，也会造成-定的影响。

芒器匿惶转速/(r·rain。) 超声能量/%- .。 、，I。 ---r转速/(r·rain ) 超 声能量/ %： / (b)高频力图 3 轴向力信号周期主效应图3 工具磨损研究总结 tzRUM 中工具的磨损形式，主要有磨平、磨粒碾碎、磨粒脱落和基体金属裂纹等 4种(图4)。

形成原因是在轴向力的作用下，磨粒尖锐部分在与工件的刮擦中逐渐变钝，形成平台面(图4a)。

(2)随着轴向力的进-步变大，结合超声频的振动冲击作用，使磨粒在接触瞬间受到极大的冲击应力。当应力超过磨粒自身抗压强度时，磨莲发生碾压和破碎 (图 4b)。

(3)磨粒脱落表现为磨粒的整体或部分脱落，并在基体金属上留下空穴(图 4c)。这是因为加工过程中随着轴向力逐渐增大，基体金属的损耗大于金刚石磨粒的磨损 。当基体金属不能继续镶嵌金刚石磨粒时 ，磨粒脱落。

(4)由于较大的轴向力，使工具端面出现环形划痕和沟壑状裂纹，说明此时加工环境已恶化(图4d)。这是由于磨粒在脱落后未能排除而留在工件与工具之间，并随着轴向进给和旋转运动反复刮擦工具端面，使基体金属发生疲劳断裂产生划痕和裂纹。

图 4 磨头的磨损形式综合以上 4种磨损情况，磨粒磨平属于轻微磨损，其余的磨损属于严重磨损。发生轻微磨损时的轴向力通诚小，而发生严重磨损时的轴向力往往较大。严重磨损会降低工具的使用寿命，其中脱落的磨粒碎屑会停留在加工间隙中，在主轴的作用下损伤工具和工件表面，进-步加速了工具的磨损，同时也降低了加工表面质量。

4 结论本文在正交试验 的基础上研究 了利 用 tzRUMSiC陶瓷中，工艺参数对轴向力、轴向低频力周期、轴向高频力周期及工具磨损的影响，得出如下结论：(1) 在 tRUM加 工 SiC陶 瓷 中 ，主 轴 转 速 为3 000 r/min、超声能量为 30%、进给速率为 0.10mm/min时，可获得相对较小的轴向力。

(2)转速是影响低频力周期最显著的因素 ，且与其近似成反比；轴向高频力周期的变化趋势与现有模型相比有所不同，可能是由于去除模式复杂化、理论计算理想化等因素导致。

(3)随着轴向力的增加，磨头在 tzRUM SiC陶瓷中存在磨平、磨粒碾碎、磨粒脱落、基体金属裂纹等形式的磨损。其中，磨粒磨平属于轻微磨损，其余属于严重磨损。轻微磨损普遍存在于加工过程中，而严重磨损通常在轴向力较大时易发生，并将大大缩短工具使用寿命。

(下转第 46页)- 41 -4 3 2 O 4 3 2 O ∞躁 鳗× × × × × × × × × ×《电加工与模具》2013年第2期 设计 ·研 究(10)将 压入S中(11)将 U 与栈中除第-个和最后-个之外 的每个顶点连成对角线 。

2.2 子区域简化示例以图 5中的子区域轮廓为例，它含有-个分裂顶点和-个汇合顶点需要消除(图12a)。

图 l2 分裂顶点与汇合顶 点的消除按照本文的算法，分别对这两个顶点予以消除(图 12b)。对划分出的 -单调块进行三角划分，通过对比可看出面片数量由 14个减少为 8个(图 13)。

3 结语本文采用将区域内的面片删除后进行重新三角划分的方法，分区域对 STL模型进行简化。基于面片的毗邻表找到采样三角形确定的子区域后，以相邻面片之间法矢量夹角的方差为标准判断子区域是图 13 简化结果否平坦。保 留了 STL模型表面较重要 的、反映其细节或形状特征的区域，最大限度保留了模型视觉特征。通过控制简化循环次数 、方差 阈值来得到不 同精度 的简化模型。