试谈为例从陶瓷为例新型材料超声加工研究学年

【摘要】高科技对材料性能的要求越来越高，而能滿足使用性能的新型材料具有硬而脆、难加工的特点，结合近年来 国内外超声加工技术发展状况，对超声磨削加工技术发展进行探索。通过以陶瓷为例的难加工材料的超声磨削加工原理试验分析，发现超声加工有效解决了硬脆材料难加工的工艺问题，并指出超声加工技术的发展前景。
【关键词】新型材料；陶瓷；硬脆；超声加工
1326-3587（2013）09-0002-02
高速发展的世界各国，金属与非金属硬脆材料的使用越来越广泛，特别是具有高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好，不易氧化特点的陶瓷材料需求日愈广泛，但是工程陶瓷与其它硬脆材料一样存在共同的缺点，即在具有高硬度的同时也具有极高的脆性，造成加工十分困难，特别是成形孔加工尤为困难，严重阻碍了陶瓷材料的应用及推广。因此，陶瓷等硬脆材料的加工技术值得探究。

一、新型材料的引入

在科学技术高速发展的今天，新型材料在航空航天业、国防科技、生物工程及计算机工程等尖端领域的应用日益广泛，特别是核工业、兵器工业、航空航天业及化职称论文范文www.618jyw.com
工、电子工业和现代化机械工业，对产品零件材料的性能有着各种各样的高标准要求。从使用条件上看，有的要求能绝缘，有的要求高导电率；有的要求耐磨损、耐腐蚀；有的要求在高温、高应力状态下工作。从材料的化学成份上看，仅仅只用一般的碳素结构钢、铸铁（灰口、可锻、球墨）黑色金属根本满足不了现展的要求，还需用高强度钢（高锰钢、不锈钢）、合金钢（铜合金、铝合金、钛合金）及其它有色金属。从材料的金相组织上看，不仅只用一般的铁碳合金，局限于铁素体、珠光体为主的普通钢材，还需要用以索氏体、托氏体为主的中硬钢和马氏体淬硬钢。从毛坯的制作方法来看，不仅使用冶炼方法制成金属材料，而且使用粉末冶金和热喷涂等方法制成金属零件。更为常见的是，不仅大量使用金属材料，还大量使用了各种非金属材料，如石材、陶瓷、塑料、纤维和颗粒增强的复合材料。这些形形色色、各种各样的新型材料如雨后春笋样出现以顺应现代科技发展需要。

二、国内外对新型材料加工技术的探索

能满足高端科学使用性能的新型材料如石英、光学玻璃、工程陶瓷等是因为它们具有高硬度、高耐磨性、耐高温、耐腐蚀等优点，但同时具有硬脆性缺点，使生产制造困难，被称为“难加工材料”，加工难究其原因是：硬度高、强度高、脆性大、塑性低、导热性低、有微观的硬质点或硬夹杂物、化学性质活泼等导致切削过程中切削力加大，切削温度增高，刀具磨损加剧，切屑难控制，加工工件表面出现裂纹，甚至崩碎，导致加工表面质量恶化，生产率低。传统的加工方法根本不能满足对这些材料零件的精密加工要求，因此对这些超硬材料的精密及超精密加工技术就成为各国加工技术研究的热点。
早在1927年，国外就有人首次提出了“超声加工”的概念，20世纪50年代我国对超声振动磨削机理进行了探索研究，并在1985年研制成功超声旋转加工机，到80年代后期提出了高效的超声磨削复合加工方法，纵观历史，世界多国不断的对新型材料进行加工技术探究。以陶瓷材料为例，1993年美国堪萨斯洲大学有人提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率的理论模型，并验证了与普通磨削相同的条件下旋转超声加工工具具有低的切削力和相对高的材料去除率；美国内布拉斯加大学和内华达大学对陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究，通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机理进行分析发现，低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲击力会导致中心裂紋和凹痕。内布拉斯大学还分析了陶瓷精密超声加工的机理、过程动力学及发展趋势，并详细的讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况。1998年左右我国兵器工业第五二研究所有人对外圆磨床的改造进行了超声振动内圆磨削试验发现，能有效消除普通磨削产生的表面裂纹和崩坑现象，提高磨削精度及加工效率；随后上海交大、天津大学、东北大学等多所大学对陶瓷材料的超声振动磨削加工进行了深入研究，对加工中砂轮堵塞及自锐性进行了分析，提出了高效的超声磨削复合加工方法，使加工工件表面微裂纹大幅减少，表面质量大大提高，加工效率是传统的超声加工的六倍以上，生产率大大提高。
由此看来，超声振动精密磨削技术就是能满足像陶瓷这类硬脆材料的加工需要而发展起来的技术之一。超声加工不但能加工硬脆的金属材料，还能加工非金属等硬脆材料，解决了超硬材料、难加工材料领域中的许多关键工艺问题，并取得良好的效果。

三、超声振动磨削加工原理及应用

1、超声振动磨削加工原理

超声振动磨削加工原理是：由超声波发生器产生的高频电振荡信号（一般为16～25KHz）经超声换能器转换成超声频机械振动，超声振动振幅由变幅杆放大后驱动工具砂轮产生相应频率的振动，迫使磨料悬浮液高速地不断撞击、抛磨被加工表面，使工件成型。因此超声波加工就是利用超声振动的工具，带动工件和工具间的磨料悬浮液，周期性的冲击和抛磨工件的被加工部位，使其局部的材料被蚀除而成粉末，以对硬脆材料进行穿孔、切割和研磨等加工。（如图1所示）

2、应用超声旋转加工陶瓷

超声加工技术经历了从传统超声波加工到旋转超声波加工的发展阶段，旋转式超声加工是在传统超声加工的工具上叠加了一个旋转运动，这种加工用水带走了被去除的材料并冷却了工具，不需要传统超声加工中的磨料悬浮液，因此，这种方法被广泛应用于超声振动磨削加工。
超声旋转加工原理是采用切削工具，如车刀、冲头、压头之类都可以，如图2所示，采用金刚石空心钻工具以转速为0—5300r/min的速度作旋转运动，同时在超声换能器作用下以频率为20KHz作高频振动，与此同时工件以恒定的压力向工具进给运动，冷却液从钻芯由泵抽入，流过加工区，冲走碎屑并冷却工具。 源于：毕业设计论文致谢www.618jyw.com