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《苏州科技大学》 2019年
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超声振动聚焦磨料射流抛光的机理与实验研究

陈艺文  
【摘要】:SiC具有许多优异的物理及化学性能,其光学性能可以与光学玻璃相媲美,已经成为制造光学元件的理想材料,但SiC也是一种硬脆性材料,加工难度也比较大。超声振动辅助磨料流抛光技术是加工SiC材料最有效的方法之一,但在以往的研究中,由于抛光工具与被抛光表面之间的间隙较小,抛光时磨料分布相对分散,单次抛光面积较大,因而无法对复杂异形曲面或者需要进行小面积抛光的工件表面进行抛光处理。为了提高对这类工件表面的抛光效率及质量,本文基于凹球面自聚焦的特点设计了一套可以将抛光液进行聚焦冲蚀、且抛光间隙较大的超声振动聚焦磨料射流抛光系统,并用该系统对SiC工件进行了抛光实验,分析了几个主要工艺参数对抛光效果的影响规律。通过对聚焦超声换能器声场的分析和测量可知,其声场具有显著的聚焦特性,且声焦距为90mm,与几何焦距相等;然后在此基础上分析了抛光加工过程中工件材料的去除机理,并借助单颗磨粒冲击工件表面去除材料的模型分析了磨料抛光的原理,分析结果显示:当聚焦超声换能器的谐振频率和抛光靶距一定时,可以通过控制换能器的输入电压来控制其输出端的振幅,进而控制磨粒的运动速度,使得工件表面材料的去除模式处于塑性变形阶段,从而获得更好的抛光效果及表面质量。制定了超声振动聚焦磨料射流抛光系统的结构,包括:超声波电源的匹配、聚焦超声换能器及其安装结构的设计、供液装置的设计。并对具有安装结构的聚焦超声换能器进行了阻抗测量,结果表明:具有安装结构的聚焦超声换能器与超声波电源的输出阻抗依然是相匹配的。利用设计好的超声振动聚焦磨料射流抛光装置对SiC工件进行了抛光实验,通过控制变量法分别分析了移动速度、靶距、磨料浓度以及喷射角度四个工艺参数对抛光效果的影响,结果表明:这四个因素均存在最佳工艺参数,移动速度为3mm/min,靶距为90mm,磨料浓度为20g/L,喷射角度为45°,在最佳工艺参数下,抛光后的工件表面更加平整、光滑,表面粗糙度轮廓曲线明显变得更加平稳,表面粗糙度值降低约70%。因此,本文提出的这一新型加工方法——超声振动聚焦磨料射流抛光技术,对SiC材料进行抛光加工不仅是可行的,而且通过合理设计工艺参数可以有效地提高抛光效率和表面质量,另外,由于抛光靶距较大,单次抛光面积较小,可以使抛光工具与被加工表面之间有较大的间隙,从而便于对复杂狭小的工件表面进行抛光,这为实现高效精密抛光又提供了一条新的加工途径。
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