工程陶瓷材料的旋转超声加工
一、前言 1.工程陶瓷
工程陶瓷是指应用于机械设备和其他工业领域的陶瓷，主要有氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅等，是现代陶瓷的一部分。由于工程陶瓷具有高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及重量轻和良好的自润滑性，在电子、机械、冶金、化工等部门得到广泛应用。在宇宙开发、能源技术、海洋技术、航空航天等领域前景也愈来愈广阔。
陶瓷材料由于其极高的抗弯强度和断裂韧性，因此加工难度很大。目前在陶瓷等难以加工材料的高效高精度加工中，磨削加工起着非常重要的作用。
目前加工陶瓷材料的机床大多数为普通金属切削机床,要实现陶瓷材料的高效加工和陶瓷的低损伤、精密加工,就需要对普通的金属切削机床进行改进。对工程陶瓷加工磨床的要求包括:特殊的机床结构、导轨、主轴系统和夹具等。这样导致加工生产成本必然增加且效率不高，因此需要一种合适的特种加工方法。
2.超声加工技术
超声波加工技术是20世纪50年代以来逐步发展起来的一种特种加工方法，超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。
与普通磨削相比，超声复合磨削加工更适于陶瓷材料的加工，已成为普遍关注的一种加工方法。旋转超声加工是在传统超声加工的基础上发展起来的，与传统超声加工相比，具有加工速度快、加工精度高、加工表面质量好、对加工材料的适应性广、工具磨损小等优点。
二、旋转超生加工原理
1.加工装置 （1）超声波发生器
其作用是将低频交流电转变为具有一定功率输出的超声频电振荡，从而给工具往复运动和加工工件提供能量。要求其功率和频率在一定范围内连续可调。
（2）超声换能器
其作用是把超声频电振荡信号转化为机械振动。换能器的材料是铁和钴，当有磁场时伸长，磁场消失后又恢复原有的尺寸。
（3）变幅杆
其作用是将振幅放大。由于换能器材料的伸缩变形量很小，再共振情况下也超不过0.005～0.01mm的振幅，因此必须用上粗下细（按指数曲线设计）的变幅杆放大振幅。其应用的原理是：因为通过变幅杆的每一截面的能量是不变的，所以随着截面的减小，振幅就会增大。
（4）金刚石砂轮磨头
金刚石砂轮的磨料可以分为天然金刚石和人造金刚石两种。它们的共同特点是硬度极高,颗粒棱角锋利,不易磨损。以金刚石作为磨料的砂轮不仅磨削性能优良、磨削压力小、磨削温度低而且生产率高、磨削质量好,还可以避免工件烧伤、开裂等缺陷。由于人造金刚石是用高纯石墨和触煤剂于高温高压下转化而成,颗粒表面较天然金刚石粗糙,用来制造磨具时,与结合剂的粘牢度好,其自锐性能也较天然金刚石好,所以更适合于制造砂轮来加工陶瓷材料。
2. 加工原理
旋转超生加工的原理，如图l.所示。在工件相互垂直的两个方向(砂轮的轴线与切线方向)上施加一定振幅的超声频振动，形成超声磨削系统。
图1.旋转超声磨削的原理
（2）磨削机理
旋转超声磨削是在传统的机械旋转磨削的基础上，将超声振动加入到工具磨头上的一种复合加工技术。由超声波发生器输出高频电振荡信号，经换能器转换
为超声频机械振动，再由变幅杆将换能器的振动(振幅大约有5μm)放大后(振幅为20～30μm)传至工具磨头，通过工具磨头上的磨粒对工件进行磨削加工。旋转超声磨削的材料去除是传统超声波加工和金刚石磨削的复合，包括工具磨粒对工件的高速撞击、电镀金刚石磨粒的直接机械磨削、工具和工件间隙中空气的超声空化作用。在超声磨削过程中磨粒可获得椭螺线式的运动轨迹，如图2.所示曲线，这是一种类似于自回转切削的加工方式，能使平均磨削力大大减小，表面质量得到明显的改善，材料去除率显著增大。
图2.超声磨削单颗磨粒的运动轨迹仿真
在普通磨削加工中，磨削力FCG可分解为互相垂直的3个分力，如图3所示。即沿砂轮径向的法向磨削力Fn、沿砂轮切向的磨削力Ft、以及沿砂轮回转轴线方向的轴向磨削力Fａ。由于轴向分力Fａ较小，可忽略，所以磨削力FCG变为切向磨削力Ft与法向磨削力Fn的合力。在超声磨削加工中，普通磨削力与脉冲切削力Fx、Fy同时作用在工件上，使整个工艺系统的受力情况发生了变化，此时磨削力为FUG。
图3.超声磨削力示意图
有研究表明，工件上的某一质点P分别在X向(砂轮的切线方向)、Y向(砂轮的轴线方向)上被施加超声简谐振动时，单颗磨粒产生的脉冲力Fd 为：
式中：
单颗磨粒在超声磨削过程中所受的脉冲力乃的大小与超声振动的频率、超声振动的振幅、砂轮特性以及切削深度有关．而且脉冲力是周期变化的，不是—个定值。这使超声磨削中磨削速度的大小和方向产生周期性的变化，这种变化改变了整个工艺系统的受力情况。此外，超声振动改变了磨粒的运动轨迹，使磨粒与加工材料的切削面呈周期性变化，磨粒的锋锐性得到较长时间的保持，且在磨削过程中有效磨粒增多，从而使得加工过程中平均磨削力大大减小。通过对单颗磨粒脉冲力的分析，得出如下超声磨削力FUG关系式：
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