旋转超声复合展成电加工成形机理与试验研究

【摘要】：科学技术的飞速发展进步对机械制造业提出更新、更高的要求,各种难加工材料、异形面零部件的应用越来越广泛,各种特种加工新技术由于具有不受材料硬度影响、加工作用力小、工具(电极)损耗低(或无)等优点而受到特别重视,得到愈来愈多地采用,超声及其复合电加工技术在难加工材料、异形面零件加工中已得到重要应用,超声磨削、超声辅助铣削及钻削等加工方式利用超声频振动效应,可有限减小切削力、切削热,提高加工效率及加工精度。本文提出一种新型复合加工方法-旋转超声复合展成电加工,试图将超声效应与机械切削、电解及放电有机复合,再结合数控技术进行各种难加工材料、异形面的精微高效加工,本文围绕这一新型加工方法进行加工机理、装置设计及试验研究。以压痕断裂学原理为依据,建立旋转超声加工材料去除率模型;再根据法拉第电解定律,建立硬韧导电材料在超声振动作用下脉冲电解加工材料去除效率模型;最后根据旋转超声、脉冲电解相互作用关系,建立旋转超声复合展成电加工材料去除效率模型,由此可知:脉冲电压U、超声振幅A、磨粒尺寸、展成进给速度v等是影响加工效率的主要参数;此展成加工成形误差主要由展成进给运动轨迹误差与电加工间隙及其不一致造成。分析、设计旋转超声复合展成电加工系统总体方案,设计由交流电机、变频器及压电超声振子组合构建旋转超声振动装置,设计压电超声振子由2片PZT-8(发射型)压电陶瓷片叠加组成的压电换能器及阶梯型变幅杆组成,对压电换能器和变幅杆尺寸进行理论计算,并进行ANSYS分析与优化;设计径向超声振动装置,由2片PZT陶瓷片叠加组成压电换能器,可实现轴向与径向二维超声振动加工。选择超声波发生器、脉冲电源、数字存储示波器等,构建和完善旋转超声复合展成电加工系统。采用激光位移传感器测量系统超声振动振幅,旋转主轴振幅可达0μm-±20μm,径向超声振动振幅可达0μm—±7μm,验证了超声振动装置设计及有限元分析的正确性。利用设计构建的旋转超声复合展成电加工系统,采用旋转超声转速0rmp-5000rmp,轴向超声振幅0μm—±16μm,对PZT压电陶瓷进行单一机械钻削和加入超声作用后的孔加工对比试验可知,旋转超声加工效率较高,且随超声振幅增加,加工效率显著增加;对高速钢刀具材料进行机械磨削、旋转超声加工、旋转超声复合电加工对比试验,采用5%NaNO3电解液,超声振幅±16μm,脉冲电压频率5kHz,幅值2V-6V,占空比50%,试验证明旋转超声复合电加工方式效率最高,并且加工效率随电压幅值增加而提高,但电压达6V时电解杂散腐蚀及火花烧蚀严重,采用电压幅值4V精度最好;对高速钢和硬质合金(YT15)进行旋转超声加工与旋转超声复合展成电加工试验对比,径向进给速度15mm/min,用电极端面展成加工平面时,多种方式均出现中凸现象,减小展成进给速度和加入电解作用能有效减小或消除凸痕,而电极侧面展成加工平面时,附加电解作用可有效减少表面粗糙度;采用一维轴向旋转超声作用,进行沟槽复合展成电加工切割时,火花放电严重,加工过程不够稳定,工件与电极有轻度烧伤,附加径向超声振动(即采用二维超声作用),进行沟槽复合展成电加工切割能有效减少火花放电,提高加工效率、精度及加工过程稳定性。对旋转超声复合展成电加工系统设计和试验研究成果进行分析总结,论证了旋转超声复合展成电加工方法的可行性、技术优势及应用前景;最后分析现有加工系统和试验存在的问题,提出进一步改进和完善的措施,并对后续试验及研究提出设想与展望。