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揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 硬質(zhì)合金超聲復(fù)合電加工設(shè)計(jì)及試驗(yàn)
學(xué) 生 姓 名
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)
指 導(dǎo) 教 師
完 成 日 期 2014 年 06 月 06 日
秦峰 硬質(zhì)合金超聲復(fù)合電加工設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)
摘 要
本文介紹了超聲加工和電解加工的加工原理,分析了其存在的不足之處,對(duì)比顯現(xiàn)出其兩者復(fù)合加工的優(yōu)勢(shì)所在。介紹了超聲－電解加工的工作原理和實(shí)驗(yàn)構(gòu)建,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了的分析計(jì)算。對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行了單一超聲加工試驗(yàn)及分析；對(duì)硬質(zhì)合金（YG8、YT15等）進(jìn)行了超聲、超聲—電解復(fù)合加工試驗(yàn),兩實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析,從而論證了超聲電解加工方法的可行性,優(yōu)勢(shì)性和必要性,為今后進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
論文最后對(duì)該技術(shù)加工工藝進(jìn)行了分析總結(jié),提出現(xiàn)有工藝方案存在的問題及完善的措施，并對(duì)后續(xù)研究應(yīng)用提出了設(shè)想和展望。
關(guān)鍵詞：超聲加工，電解加工，超聲電解復(fù)合加工，硬質(zhì)合金
Abstract
This paper introduces the principles of ultrasonic machining and electrochemical machining. And analyze the existence of the inadequacies, Contrast to the two to shows the advantages of the Composite processing ,Focuses on the ultrasound - the working principle of electrolytic processing and laboratory equipment. Improved the cathode and the workpiece between the micro-pressure regulator devices, horn design and production, the work of the effective supply of liquid method of precision micro-positioning device methods, processes and processing parameters detection show that the accuracy of measurement technology link, in order to test Research conditions provide the basis
Finally , The paper has carried on the analysis summary to this technical processing craft, proposed that the existing craft plan existence's question and the consummation measures, and proposed to the following research application conceives and forecasts
Key words: Ultrasonic machining ，Electrochemical machining ，Ultrasound - ECM machining, Hard metal
目 錄
摘 要………………………………………………………………………1
Abstract ……………………………………………………………………2
目 錄………………………………………………………………………3
第1章 緒 論……………………………………………………………5
1.1 特種加工技術(shù)概述…………………………………………………………5
1.2 硬質(zhì)合金的特性……………………………………………………………6
1.3 課題研究目的及內(nèi)容………………………………………………………6
第二章 超聲加工和電解加工………………………………………………………7
2.1 超聲加工原理及特點(diǎn)…………………………………………………7 2.2 電解加工原理及特點(diǎn)……………………………………………………8
2.3 超聲電解復(fù)合加工原理…………………………………………………10
2.4 本章小結(jié)………………………………………………………………… 13
第三章 超聲電解復(fù)合加工試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建………………………………………14
3.1 復(fù)合加工機(jī)理……………………………………………………………14
3.2 復(fù)合加工技術(shù)優(yōu)勢(shì)………………………………………………………15
3.3 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)……………………………………………………………16
3.4 變幅桿設(shè)計(jì)與制作………………………………………………………18
3.5 極工具頭設(shè)計(jì)……………………………………………………………20
3.6 工藝試驗(yàn)…………………………………………………………………22
3.6.1 試驗(yàn)材料…………………………………………………………22
3.6.2 工具陰極及變幅桿………………………………………………22
3.6.3 超聲磨料…………………………………………………………22
3.6.4 電解液……………………………………………………………23
3.6.5 加工電參數(shù)…………………………………………………… 23
3.6.6. 超聲功率……………………………………………………23
3.6.7．超聲頻率……………………………………………………23
3.6.8 試驗(yàn)步驟……………………………………………………24
3.6.9 硬質(zhì)合金的單一超聲加工…………………………………24
3.6.10 硬質(zhì)合金YT15超聲復(fù)合電解加工試驗(yàn) …………………26
3.6.11 硬質(zhì)合金YG8超聲復(fù)合電解加工試驗(yàn)……………………28
3.6.13 本章小結(jié)……………………………………………………32
第四章 總結(jié)與展望 ……………………………………………………33
致 謝 ………………………………………………………………………34
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………35
第 一 章
1.1 特種加工技術(shù)概述
制造技術(shù)歷史悠久，是人類生存與發(fā)展的基礎(chǔ)及社會(huì)物質(zhì)財(cái)富的主要來源，對(duì)人類的生產(chǎn)和物質(zhì)文明起著極大的作用。18世紀(jì)70年代，英國發(fā)明了蒸汽機(jī)，由于當(dāng)時(shí)還不能制造高精度的氣缸，而遲遲不能轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。直至氣缸鏜床的出現(xiàn)，這一發(fā)明才得以廣泛應(yīng)用，從而導(dǎo)致第一次產(chǎn)業(yè)革命。不言而喻，新產(chǎn)品的研究開發(fā)，科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化的發(fā)展，無不與制造技術(shù)息息相關(guān)。然而，以后的近200年，人們一直是采用傳統(tǒng)加工方法，并利用機(jī)械能和切削力來切除工件金屬而達(dá)到制造要求的。起加工實(shí)質(zhì)是“以硬對(duì)軟”。
本世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)曾發(fā)明電火花加工。人們初次脫離了傳統(tǒng)加工的舊軌道，利用電能、熱能，在不產(chǎn)生切削力的情況下，以低于工件金屬硬度的工具去移除工件上多余的部位，成功地獲得了“以柔克剛”的技術(shù)效果。
自本世紀(jì)50年代以來，特別是近一二十年，由于材料科學(xué)、高新技術(shù)的發(fā)展和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、發(fā)展尖端國防及科學(xué)研究的急需，不僅新產(chǎn)品更新?lián)Q代日益加快，而且產(chǎn)品要求具有很高的強(qiáng)度重量比和性能價(jià)格比，并正在朝著高速度、高精度、高可靠性、耐腐蝕、高溫高壓、大功率、尺寸大小兩極分化的方向發(fā)展。為此，各種新材料、新結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜的精密機(jī)械零件大量涌現(xiàn)、，對(duì)機(jī)械制造業(yè)提出了一系列迫切需要解決的新問題。例如，各種難切削材料的加工；各種形狀復(fù)雜、尺寸或微小或特大、精密零件的加工；薄壁、彈性元件等低剛度、特殊零件的加工等。對(duì)此，采用傳統(tǒng)的加工方法十分困難，甚至無法加工。于是，人們一方面通過研究高效加工的刀具和刀具材料、自動(dòng)優(yōu)化切削參數(shù)、提高刀具可靠性和在線刀具監(jiān)控系統(tǒng)、開發(fā)新型切削液、研制新型自動(dòng)機(jī)床等各種途徑，進(jìn)一步改善切削狀態(tài)、提高切削加工水平，并解決了一些問題；另一方面，則沖破傳統(tǒng)加工方法的束縛，不斷地探索尋求心的加工方法，于是一種本質(zhì)上區(qū)別于傳統(tǒng)加工的特種加工變應(yīng)運(yùn)而生。后來，由于新穎制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人們從廣義上來定義特種加工，即將電磁聲光化學(xué)等能量或其組合施加在工件的被加工部位上，從而實(shí)現(xiàn)材料被去除、變形、改變性能或被鍍覆的非傳統(tǒng)加工方法統(tǒng)稱為特種加工（NTM, Non-Traditional Machining）。它是一種涉及多學(xué)科、學(xué)科交叉融合的先進(jìn)制造技術(shù)，具有才傳統(tǒng)加工所無可比擬的特點(diǎn)[1]。
.1.2 硬質(zhì)合金的特性
硬質(zhì)合金是由硬度很高的難熔金屬碳化物(W C 、TiC 、TaC 和 NbC 等)和金屬粘結(jié)劑(c0、Ni、M o)用粉末冶金的方法制成的材料 ，硬質(zhì)合金中的碳化物都具有硬度高、熔點(diǎn)高、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。采取普通的切削加工方法來加工硬質(zhì)合金材料簡直是無法想象的。有關(guān)資料表明，超聲加工對(duì)于玻璃、陶瓷等非金屬脆性材料具有很高的加工精度和加工效率，加工表面的表面質(zhì)量也很好，但用來加工硬質(zhì)合金材料，其加工效率較低，加工工具局部損耗較大等缺 陷。所 以對(duì)于硬質(zhì)合金材料基本不采用超聲加工方法，通常仍以電解加工或 電火花加工的方法進(jìn)行零件或模具加工。電解加工適合于包括硬質(zhì)合金的大多數(shù)金屬材料的成形加工，可獲得較高的加工速度，較好的表面粗糙度(Ra= 0．16 —1．25 m )，但與超聲加工所得到的表面粗糙度 (Ra = 0．1 —1 m )相 比要差些。顯然，采用超聲加工、電解加工的方法來加工硬質(zhì)合金具有各 自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。將兩種加工方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合，即采用超聲電解復(fù)合加工的方法 ，既保證電解加工的高效性 ，得到很高 的加工速度，又保持了超聲加工的較好加工精度和表面粗糙度。
1.3 課題研究目的及內(nèi)容.
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有三維型面的難加工材料的應(yīng)用越來越廣泛，普通的機(jī)械加工難以滿足要求，而超聲波加工不僅能加工硬質(zhì)合金、淬火鋼、陶瓷、半導(dǎo)體鍺和硅片等硬脆材料，電解加工具有效率高、電極無損耗，表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于導(dǎo)電性難加工材料的三維型面加工。
超聲加工結(jié)合電化學(xué)加工，利用超聲作用對(duì)電解加工過程的改善，可以提高超聲加工的效率，減小電極損耗，提高電解加工的精度，具有技術(shù)復(fù)合綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
本課題本課題探討硬質(zhì)合金材料超聲加工特性，并進(jìn)行超聲加工工具及工藝設(shè)計(jì)，進(jìn)行超聲參數(shù)試驗(yàn)及優(yōu)化，為其實(shí)際應(yīng)用建立工藝基礎(chǔ)。
第二章 超聲加工和電解加工
2.1 超聲加工的原理及特點(diǎn)
2.1.1 超聲加工的基本原理
超聲加工是利用工具端面作超聲頻振動(dòng)，通過磨料懸浮液加工硬脆材料的一種特種加工方法，超聲加工的基本原理如圖1-2所示。超聲加工時(shí)，在工具1和工件2之間加入水（或油等）和磨料混合的懸浮液3，并使工具以適當(dāng)?shù)膲毫輕輕壓在工件上。超聲換能器6產(chǎn)生高達(dá)16000Hz以上的超聲頻率作縱向振動(dòng)，由于彈性桿（彈性桿使振幅產(chǎn)生一定的放大變化，通常稱其為變幅桿）的作用，振幅被放大到0.05~0.1mm左右，驅(qū)動(dòng)工具端面作超聲振動(dòng)，迫使工作液中懸浮磨料的磨粒以很大的速度和加速度不斷地撞擊、拋磨被加工工件表面，把被加工工件表面的材料粉碎成很細(xì)的微小顆粒，從工件上被打擊下來。雖然每一次打擊下來的材料很少，但每秒打擊的次數(shù)高達(dá)16000次（與超聲頻率有關(guān)）以上，所以仍有一定的加工速度。
1-工具 2—工件 3—磨料懸浮液
4、5—變幅桿 6—換能器 7—超聲波發(fā)生器
圖2.1 超聲加工原理圖
與此同時(shí)，工作液受工具端面超聲振動(dòng)作用而產(chǎn)生的高頻、交變的液壓正負(fù)沖擊波和“空化”作用，迫使工作液“鉆”入被加工材料的微細(xì)縫隙處，從而更加劇了機(jī)械破壞作用。所謂“空化”作用，是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開工件表面時(shí)，加工間隙內(nèi)形成較大的負(fù)壓和局部真空，使得工作液內(nèi)瞬間形成很多微空腔，當(dāng)工具端面以很大的加速度接近工件表面時(shí)，空泡又重新閉合，又引起較強(qiáng)的液壓沖擊波，上述作用迅速地、反復(fù)地施加在工具與工件之間微小間隙內(nèi)的工作液里，可以大大強(qiáng)化加工過程。此外，正負(fù)交變的液壓沖擊也使懸浮工作液在加工間隙中強(qiáng)迫循環(huán)，帶動(dòng)磨料運(yùn)動(dòng)，使部分變鈍了的磨粒及時(shí)得到更新。
由此可見，超聲加工是磨粒在超聲振動(dòng)作用下的機(jī)械撞擊和拋磨作用以及超聲空化作用的綜合結(jié)果，其中，磨粒的機(jī)械撞擊作用是占主導(dǎo)地位的。本質(zhì)上，材料去除的能量是機(jī)械能。由于超聲加工基于局部撞擊作用，所以當(dāng)受到撞擊作用時(shí)，越是硬脆的材料，其受破壞的程度越大，越容易進(jìn)行超聲加工。相反，脆性和硬度不大的韌性材料，由于它對(duì)撞擊能量的吸收、緩沖作用而難以實(shí)施超聲加工，或者說加工效果很不理想。所以，這一性質(zhì)常利用在工具材料選擇上，要求它既能撞擊磨粒，又不至于使自身受到很大的破壞，一般選擇塑性較好的材料，通常采用45鋼或彈簧鋼等材料作為工具材料較合適。
2.1.2 超聲加工的基本特點(diǎn)
1. 超聲加工適合于加工各種硬脆材料，特別是不導(dǎo)電的非金屬材料，例如玻璃、陶瓷（氧化鋁、氮化硅等）、石英、鍺、硅、石墨、瑪瑙、寶石、金剛石等材料。在理論上，對(duì)于導(dǎo)電的硬脆金屬材料如淬火鋼、硬質(zhì)合金等，也能進(jìn)行加工，但加工效率較低。
2. 由于工具的運(yùn)動(dòng)軌跡通常為直線，工具可用相對(duì)較軟的材料制造且可以制成較復(fù)雜的形狀，可以加工具有異型截面的形狀、具有階梯的通孔、盲孔等；不需要使工具和工件作比較復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在一般情況下，超聲加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較簡單，操作、維修都很方便。
3. 由于去除加工材料是靠粒度極微小的磨料瞬時(shí)、局部的撞擊作用以及超聲空化作用，所以工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱很?。词巩a(chǎn)生很小的切削熱也會(huì)被磨料懸浮液及時(shí)帶走），不會(huì)引起變形及燒傷，因而零件的表面粗糙度較好，一般可達(dá)Ra(1~0.1)μm，加工精度達(dá)到(0.01~0.02)mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度的零件[3-4]。
超聲加工的局限性：
1超聲加工面積較大時(shí)，超聲加工效率有明顯的降低；其次超聲加工很難加工韌性較大金屬材料（工具鋼、硬質(zhì)合金等）；
2超聲加工圓柱形孔深度一般以工具直徑的5倍為限，對(duì)于深徑比較大的深小孔加工很困難
3超聲加工工具在磨料的拋磨下有損耗，同時(shí)，磨粒使工具與工件之間存在間隙，因此，精加工時(shí)要考慮工具損耗及磨粒直徑大小對(duì)加工精度的影響，工具設(shè)計(jì)中應(yīng)給予合理補(bǔ)償。
2.2電解加工原理及特點(diǎn)
2.2.1 加工原理
1—直流電源 2—工具陰極 3—工件陽極
4—電解液泵 5—電解液圖
圖2.3 電解加工示意圖
電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽極溶解的原理將工件加工成形的一種特種加工方法。如圖2.3所示，加工時(shí)，工件接直流電源（一般為10-24V）的正極，工具接負(fù)極，兩極之間保持較小的間隙（一般在0.1-1mm范圍內(nèi)）。電解液從極間間隙中流過（6-30m/s），使兩極之間形成導(dǎo)電通路，并在電源電壓下產(chǎn)生電流，從而形成電化學(xué)陽極溶解。隨著工具相對(duì)工件不斷進(jìn)給，工件金屬不斷被電解，電解產(chǎn)物不斷被電解液沖走，最終兩極間各處的間隙趨于一致，工件表面形成與工具工作面基本相似的形狀。
a.加工開始 b. 加工過程 c.加工終止
圖2.4 加工示意圖
2.2.2 加工特點(diǎn)：
（1）加工范圍廣。常用于加工硬質(zhì)合金、高溫合金、淬火鋼、不銹鋼等難加工材料。
（2）生產(chǎn)率高，且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。電解加工能以簡單的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)一次加工出復(fù)雜的型腔、型面和型孔，而且加工速度可以和電流密度成比例地增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電解加工的生產(chǎn)率約為電火花加工的５至 10 倍，在某些情況下，甚至可以超過機(jī)械切削加工。
（3）加工質(zhì)量好?？色@得一定的加工精度和較低的表面粗糙度。
（4）可用于加工薄壁和易變形零件。電解加工工具和工件不接觸，不存在切
削力，不產(chǎn)生殘余應(yīng)力、變形、毛刺。
（5）工具陰極無損耗。在電解加工過程中工具陰極上僅僅析出氫氣，而不發(fā)生溶解反應(yīng)，所以沒有損耗。
(6)易與機(jī)械加工及其他特種加工方法相結(jié)合形成復(fù)合加工,如電解磨削、電解拋光、超聲電解等。
另外,電解加工也具有一定的局限性，主要表現(xiàn)為：
(1)不容易達(dá)到較高的加工精度和加工穩(wěn)定性。這一方面是由于陰極的設(shè)計(jì)、制造和修正都比較困難，陰極本身還存在制造精度問題；另一方面是影響電解加工間隙穩(wěn)定性的參數(shù)很多，控制比較困難。
(2)電解加工的附屬設(shè)備較多，占地面積較大，機(jī)床需要有足夠的剛度和防腐蝕性能，造價(jià)較高，因此單件小批量生產(chǎn)時(shí)的成本比較高。
(3)電解加工產(chǎn)物需要進(jìn)行妥善處理，否則將污染環(huán)境。
綜上所述，電解加工工藝具有表面無變質(zhì)層、無殘余應(yīng)力、表面粗糙度小、加工成本較低、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，這些特點(diǎn)是其它特種加工方式所不全具備的。因此電解加工在機(jī)理上存在能實(shí)現(xiàn)精密加工，甚至是nm級(jí)加工的可能性，因此發(fā)掘其機(jī)理優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于MEMS器件微細(xì)加工，是很有研究前景的課題。
與傳統(tǒng)電解加工相比,電解加工除擁有上述特點(diǎn)外還有自身的工藝特點(diǎn),如電解液的濃度低、加工電壓低、陰陽極間的間隙小、加工零件尺寸小、精度要求高等。為了克服以上 缺陷,復(fù)合加工應(yīng)運(yùn)而生,顯示了其性能優(yōu)越性和加工穩(wěn)定性。
2. 3. 超聲—電解復(fù)合加工
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,現(xiàn)有的特種加工方法已經(jīng)不能滿足社會(huì)發(fā)展的要求, 復(fù)合加工應(yīng)運(yùn)而生,在很好的解決常規(guī)特種加工方法缺陷的同時(shí)很好的確保了其優(yōu)越性和高效性,同時(shí)也擴(kuò)大了材料加工范圍,大大提高了特種加工技術(shù)加工效率和加工精度.
復(fù)合加工應(yīng)用多種形式能量的綜合作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件材料的去除和加工，其中包括傳統(tǒng)加工和特種加工的復(fù)合、特種加工與特種加工的復(fù)合，實(shí)現(xiàn)不同加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),揚(yáng)長避短,大大提高了加工效率和加工精度。
圖2.5 復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)設(shè)備
2.3.1 加工原理
超聲電解復(fù)合加工的基本構(gòu)思就是，將超聲加工和電解加工兩種工藝結(jié)合在一起。復(fù)合加工的工作液是采用帶有懸浮磨料的鈍化性電解液，首先由電解加工在工件待加工表面形成鈍化膜，阻止金屬繼續(xù)溶解，繼而利用磨粒在超聲振動(dòng)作用下的機(jī)械撞擊和拋磨，來去除工件表面對(duì)應(yīng)于工具陰極部分的鈍化膜，該處裸露的金屬層恢復(fù)活化，繼續(xù)溶解，又形成新的鈍化膜層。上述過程周而復(fù)始，反復(fù)進(jìn)行，在能夠控制加工輸入微能量變化的前提下，期望能有效地改善電解的定域性，提高總體加工精度。超聲空化作用還能改善極間狀態(tài)，加強(qiáng)產(chǎn)物排除。
1. 變幅桿2.電極3.電解液4.工件5.電源
圖 2.6 超聲—電解復(fù)合加工示意圖
超聲-電解復(fù)合加工過程中,工件接直流電源正極，工具接陰極，其加工的原理是，陽極的工件因電解作用，加工表面產(chǎn)生致密的電解產(chǎn)物，從而減小了電解作用，甚至形成鈍化膜，阻止電解加工進(jìn)一步進(jìn)行。此時(shí)，加工液中的磨粒因超聲波的作用而作高頻的拋磨作用，破壞加工區(qū)域的電解產(chǎn)物，并在超聲振動(dòng)及空化作用下由工作液帶走，此時(shí)，工件表面金屬再次顯露出來，電解作用繼續(xù)進(jìn)行，兩過程交替進(jìn)行,如此循環(huán),從而完成加工過程。
2.3.2 加工特點(diǎn)
相對(duì)于單一的超聲微細(xì)加工及電解微細(xì)加工，超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：
1．高頻振動(dòng)沖擊波及“負(fù)壓空化”作用能有效、及時(shí)地去除加工料去除量以鈍化膜層為單位（μm或亞μm級(jí)[34]），機(jī)理上可保證加工過程中鈍化膜產(chǎn)生和去除的協(xié)調(diào)配合，解決電解微細(xì)加工過程難以持續(xù)的問題，使其實(shí)用成為可能。
2．電解微細(xì)加工采用鈍化性電解液，如濃度1%—5%的NaNO3，電解鈍化膜能控制在局部進(jìn)行有選擇地電解蝕除，提高電解加工的定域性；當(dāng)電解液濃度降低時(shí)，效率曲線(如圖2.7所示)將會(huì)右移，切斷間隙將減小，即只有在很小間隙時(shí)，鈍化膜才能被破壞，這時(shí)的電場(chǎng)、流場(chǎng)變化對(duì)加工精度的不良影響將變得很小，雜散腐蝕現(xiàn)象可以完全避免，從而獲得所需的形狀和尺寸。
3．超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工中，超聲作用需去除的是電解鈍化膜，磨料粒度可以更微細(xì)，可使用nm級(jí)微粉（甚至無磨料加工），從而可最大限度地減小超聲加工工具損耗，大幅度提高微細(xì)加工精度，減小粗糙度。另外低濃度鈍化性電解液，不具污染性，且在超聲頻振動(dòng)、微電流電解作用時(shí)采用“靜態(tài)”供液即可，無需常規(guī)電解加工的電解液循環(huán)系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)低成本及清潔、綠色制造。
圖2.7 效率曲線
4. 超聲電解復(fù)合微細(xì)加工方式的材料去除是以鈍化膜層為單位（亞μm級(jí)），電解鈍化與超聲作用消除交替進(jìn)行，機(jī)理上可保證加工過程中鈍化膜產(chǎn)生和去除的協(xié)調(diào)配合，解決電解微細(xì)加工過程難以持續(xù)的問題，使其實(shí)用成為可能。
因此超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工工藝在機(jī)理上能夠保持兩種特種加工方法的優(yōu)點(diǎn)，可提高加工精度，具有獨(dú)特的優(yōu)越性。
超聲電解加工在確保加工精度的同時(shí),大副提高了加工速度,有效提高加工精度.然而,但是該項(xiàng)技術(shù)仍不成熟,仍然存在一些缺陷等待解決如電流密度較大時(shí)加工雜散腐蝕現(xiàn)象（從某外電源漏散電流而引起的金屬腐蝕）。當(dāng)雜散電流在金屬構(gòu)件的某一表面區(qū)域離開金屬(電子導(dǎo)體相)而進(jìn)入介質(zhì)(離子導(dǎo)體相)時(shí)，對(duì)于金屬構(gòu)件的這一區(qū)域來說，是陽極電流，故加速金屬的陽極溶解，造成由雜散電流而引起的“腐蝕”破壞。）嚴(yán)重，采取超高頻脈沖電源、混氣加工或復(fù)合電解液等措施，雖可得到一定程度改善，但還需要進(jìn)一步探索。
綜上所述,超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工可保持電解加工高效率、陰極損耗小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)超聲振動(dòng)、脈沖電流又可以改善電解加工過程，具有復(fù)合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠滿足微細(xì)加工的要求，具有進(jìn)一步研究和應(yīng)用的前景。
2.4 本章小結(jié)
本章分析了超聲電解以及超聲電解復(fù)合加工的原理和特點(diǎn)，探討超聲電解加工可行性與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建建立了基礎(chǔ)。
第三章 超聲電解復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)構(gòu)建
微細(xì)加工材料需要的去除量微小，加工精度要求很高，為了避免大電流密度的雜散腐蝕作用，電解作用須在低電位、微電流密度下進(jìn)行，即處于效率曲線的鈍化區(qū)，并且不能采用活性大但雜散腐蝕嚴(yán)重的NaCl電解液，這樣，用單一電解方式加工時(shí)，材料開始雖可以電解，但隨著加工過程的繼續(xù)，工件陽極超電位升高，加工進(jìn)入鈍化區(qū)，工件表面產(chǎn)生低電流密度難以破壞的鈍化膜，阻止電解作用的持續(xù)進(jìn)行，這就使單一電解方式在微細(xì)加工中的應(yīng)用受到限制。至于超聲加工技術(shù)，比較適合于加工硬脆材料，特別是陶瓷材料，表面粗糙度較低，尺寸精度較高，并且不存在殘余應(yīng)力，不改變組織結(jié)構(gòu)；但缺點(diǎn)是超聲加工工具有損耗，加工效率較低，且在材料面積、韌性較大時(shí)，效率顯著降低，應(yīng)用受到限制。可見，單獨(dú)使用電解或超聲波加工方法加工硬脆材料都不是最好的方法。初步研究分析證明，將超聲頻振動(dòng)加工工藝和脈沖電流電解加工工藝有機(jī)復(fù)合，揚(yáng)長避短，可發(fā)展成為MEMS各種材料微器件加工的一種全新工藝。
3.1 復(fù)合加工機(jī)理
.
1. 換能器2.變幅桿3.電解液和磨料4.工件5.直流電源 6.工具7.超聲發(fā)生器
圖3.1 超聲電解復(fù)合加工原理圖
超聲電解復(fù)合微細(xì)加工是加工硬脆材料的新工藝，是將超聲頻振動(dòng)加工、脈沖電流及電解加工技術(shù)等多種工藝有機(jī)復(fù)合在一起的一種加工方法。加工原理如圖3.1，換能器6將超聲波發(fā)生器輸出的高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)能，通過變幅連接件使工具端面作小振幅超聲高頻振動(dòng)，工具頭1和工件2分別接脈沖電解電源的負(fù)極和正極，加工區(qū)充滿磨料+電解液組成的復(fù)合工作液，在超聲和脈沖電解雙重作用下加工部位逐步蝕除，最終形成與工具頭端面形狀相關(guān)的加工件。
超聲電解復(fù)合微細(xì)加工采用磨料+一定濃度NaNO3鈍化性電解液組成的復(fù)合工作液，加工開始后，由于微電流電解作用在工件表面產(chǎn)生厚度極薄、強(qiáng)度遠(yuǎn)低于基體材料的鈍化膜，引入超聲頻振動(dòng)、脈沖電流后，高頻振動(dòng)沖擊波及“負(fù)壓空化”作用能完全消除這層電解鈍化膜，有效、及時(shí)地排除間隙區(qū)的電解加工產(chǎn)物，改善及加強(qiáng)電解作用，使加工過程連續(xù)進(jìn)行下去。同時(shí)，又由于采用高頻脈沖電流，電解作用間歇進(jìn)行，更有利于改善及穩(wěn)定電解加工的間隙狀態(tài)，提高電解去除的定域性，進(jìn)而提高加工精度及表面質(zhì)量。
鈍化膜破壞后的表面又迅速由于電解作用而產(chǎn)生新的鈍化膜，阻止進(jìn)一步電解，這樣可避免通常大電流密度電解時(shí)產(chǎn)生的雜散腐蝕作用。這種特性對(duì)MEMS器件的高深度比溝槽加工非常重要。
可見，在整個(gè)加工過程中，工件表面始終處于鈍化——活化——鈍化不斷交替變化作用下，逐漸有選擇地去除，從而達(dá)到表面微精光整加工的目的。
如果在此基礎(chǔ)上，將超聲電源的交變電信號(hào)通過調(diào)制電路產(chǎn)生電解電源的斬波信號(hào)，從而使電解直流電壓成為與工具陰極超聲振動(dòng)（振幅A）保持相位有序的脈沖電壓，實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)與脈沖電流同步協(xié)調(diào)的振動(dòng)電解微細(xì)加工。即當(dāng)陰極振動(dòng)與微器件接近區(qū)間加電解脈沖（幅值U），開始電解作用，振動(dòng)遠(yuǎn)離區(qū)間為電解脈沖間隔，進(jìn)行加工產(chǎn)物的排除與電解液的循環(huán)更新，這種方式更有利于加工過程的改善和加工產(chǎn)物排除，更容易實(shí)現(xiàn)“靜液”方式的微細(xì)電解加工，有利于提高微細(xì)加工精度和加工效率，加工過程穩(wěn)定性會(huì)更好。
3.2復(fù)合加工技術(shù)優(yōu)勢(shì)
僅用振動(dòng)+微電流電解復(fù)合作用雖然對(duì)硬脆金屬材料加工能取得良好效果，但對(duì)于半導(dǎo)體（如硅片）加工效果甚微，對(duì)非導(dǎo)電材料更難以進(jìn)行振動(dòng)+微電流電解復(fù)合加工，這時(shí)采用輔助陽極及合適的電參數(shù)，利用超聲沖擊空化效應(yīng)及加工區(qū)陰極的析氫氣體在加工區(qū)產(chǎn)生微火花放電條件（實(shí)際試驗(yàn)中當(dāng)電壓達(dá)到3V以上即可有微火花出現(xiàn)）；對(duì)于半導(dǎo)體及陶瓷等絕緣材料借助陰極析氫作用，在附加陽極與陰極間形成氣泡，加工區(qū)產(chǎn)生微火花放電、電解及超聲的多重復(fù)合加工[31]。理論上火花放電對(duì)陰極有一定的損耗作用，但微火花放電是在電解液中進(jìn)行，可以通過控制電參數(shù)及輔助陽極位置有效減小，而絕緣材料加工效率及精度得到有效提高。
3.3構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
采用圖3.2所示的微細(xì)加工試驗(yàn)系統(tǒng)。用組合電加工方式制作的微細(xì)工具（陰極）通過植物油耦合與變幅桿連接，以減少能量損失，變幅桿在換能器帶動(dòng)下作超聲頻振動(dòng)，換能器將超聲發(fā)生器提供的超聲頻交流電信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲頻機(jī)械振動(dòng)。換能器采用磁致伸縮式鎳材振子，機(jī)械強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定，利用其磁致伸縮效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)變成超聲頻機(jī)械振動(dòng)，調(diào)節(jié)激振電容，將振動(dòng)頻率調(diào)至系統(tǒng)共振點(diǎn)，可得到最大振幅。因?yàn)槟芰棵芏? 即, , 因此振幅大小可由調(diào)節(jié)電源功率得到，超聲振動(dòng)經(jīng)變幅桿放大，傳到工具頭（陰極）端面實(shí)現(xiàn)超聲作用。
工件由粘接劑（或雙面膠）固定于絕緣工作臺(tái)上，電解電源引線正負(fù)極分別與微器件及陰極連接，微器件加工采用含微細(xì)磨粒的鈍化性電解液，因材料去除總量微小，加工產(chǎn)物可由超聲振動(dòng)“空化”效應(yīng)及時(shí)帶出加工區(qū)，采用“靜態(tài)”方式提供電解液即可。在連通器壓力油的作用下，安裝在工作臺(tái)上的微器件與工具陰極間保持一定的微壓力，大小可由砝碼微細(xì)精確調(diào)節(jié)。陰極與工件之間的間隙隨高頻振動(dòng)作周期性變化，隨著加工深度增加，工作臺(tái)在壓力油的作用下自動(dòng)向上位移，微器件加工深度由Z向測(cè)微儀給出。在電解電源線路中串入分流器（或電渦流傳感器），可將復(fù)合加工中的電解電流信號(hào)通過數(shù)字存儲(chǔ)示波器及PC機(jī)進(jìn)行記錄，以便分析調(diào)節(jié)加工參數(shù)。
圖3.2 超聲電解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
超聲發(fā)生器是具有自動(dòng)頻率跟蹤的正反饋放大器，利用電子管工作的不穩(wěn)定性產(chǎn)生原始工作信號(hào)，通過L、C選頻回路，選出有用信號(hào)，由激勵(lì)器（電子管G2）激勵(lì)放大，其信號(hào)頻率為換能器的工作頻率，電子管G3、G4組成推挽功率放大器，調(diào)諧指示器可調(diào)節(jié)指示輸入功率；磁化電源提供換能器直流電流，消除超聲振動(dòng)倍
頻現(xiàn)象。
圖3.3 超聲發(fā)生器工作原理
超聲裝置由超聲發(fā)生器及超聲頻振動(dòng)頭兩大部分組成，包括振動(dòng)頭、機(jī)座、液壓升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)等部分組成，超聲振動(dòng)頭主要包括換能器和升降機(jī)構(gòu)。超聲換能器是超聲裝置的核心部分，它采用性能穩(wěn)定可靠的鎳材磁致伸縮式結(jié)構(gòu)。一端用釬焊的方法使之與傳振桿聯(lián)接，另一端裝有吸聲罩，用以提高換能器的單面發(fā)射效率，傳振桿和變幅桿按照換能器的標(biāo)稱工作頻率設(shè)計(jì)，故不應(yīng)任意改變其幾何形狀尺寸。傳振桿中間法蘭盤(法蘭盤只是一個(gè)統(tǒng)稱，通常是指在一個(gè)類似盤狀的金屬體色的周邊開上幾個(gè)固定用的孔用于連接其它東西。它的作用是連接及傳動(dòng)。)使換能器固定在振動(dòng)頭上，變幅桿與傳振桿之間由螺紋聯(lián)接，為了保證超聲波傳輸有良好的聲耦合，連接處的加工精度要求較高。振動(dòng)頭的內(nèi)腔有冷卻水套——冷卻換能器，可保證其正常工作時(shí)不會(huì)因溫度過高而燒壞換能器繞組。振動(dòng)頭的升降機(jī)構(gòu)包括振動(dòng)頭、立柱和調(diào)節(jié)螺母，鎖緊螺釘。超聲裝置采用螺紋立柱來導(dǎo)向和升降，且用鎖緊裝置定位。液壓升降可旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)由液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)鏈、縱橫進(jìn)給機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成。
液壓系統(tǒng)由兩個(gè)液壓耦件組成，采用間隙式密封，故反應(yīng)靈敏，此耦件制造時(shí)要求精度高，所以油缸體和柱塞采用研配，無互換性，以保證此偶件合理的配合間隙，以防壓力油泄流。在液壓升降臺(tái)中，工作臺(tái)套與柱塞之間加了一個(gè)軸承來保證柱塞僅能上下滑動(dòng)而無旋轉(zhuǎn)，以減少液壓耦件的磨損。此外，在傳動(dòng)鏈中，采用了壽命長、成本低的耐油O型圈作為傳動(dòng)帶。電機(jī)安裝板和滑圈可繞立柱轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)整皮帶的松緊，使之經(jīng)常處在正常工作狀態(tài)。
超聲發(fā)生器部分的輸出功率及工作頻率：5W~250W（連續(xù)可調(diào)）；工作頻率為20KHz±1.5KHz（連續(xù)可調(diào)）。
利用構(gòu)造的超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工系統(tǒng)可以進(jìn)行單一超聲加工、超聲—直流電解以及超聲—脈沖電流電解復(fù)合微細(xì)加工試驗(yàn)。
3.4 變幅桿設(shè)計(jì)與制作
變幅桿的作用是把機(jī)械震動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)位移或速度放大，或者將超聲能量集中到叫囂的面積上，即聚能作用。變幅桿可制成錐形的、指數(shù)形的、階梯形的。本試驗(yàn)采用指數(shù)型變幅桿。
設(shè)計(jì)頻率為f=20kHz，變幅桿所用材料為調(diào)質(zhì)45號(hào)鋼，縱波在桿中的傳播速度C＝5170m/s，寬端直徑D1＝45mm，窄端直徑為D2＝13mm；陰極設(shè)計(jì)的工作長度l2＝26mm，大端直徑d=12mm小端直徑d1=10mm。
計(jì)算指數(shù)型變幅桿的主要參數(shù)：
(1)面積系數(shù)4，1.50
(2)半波諧振長度143.5mm
(3)檢查是否滿足限制條件f >。
，
因此，可知工作頻率滿足限制條件
(4)質(zhì)點(diǎn)位移節(jié)點(diǎn)x0
位移節(jié)點(diǎn)x0為從寬端算起的距離，此點(diǎn)變幅桿振幅為零。
(5)對(duì)于指數(shù)形變幅桿
(6)軸向直徑變化查表可得變幅桿長l1＝l-l2=143.5－26×＝121.3.5mm
軸向的直徑變化按計(jì)算，。根據(jù)上面所求出的參量，計(jì)算出變幅桿外形的加工尺寸，確定指數(shù)型變幅桿軸向直徑的變化情況，如圖3.4所示。
(mm)
(mm)
0
45.00
20
32.75
30
28.07
40
24.32
50
21.24
60
18.54
70
15.97
80
13.57
90
11.76
100
10.91
110
10.91
表 3.1 變幅桿直徑變化
3.4 指數(shù)型變幅桿橫截面直徑尺寸變化示意圖
圖3.5 指數(shù)形變幅桿設(shè)計(jì)圖
圖3.6 錐形變幅桿設(shè)計(jì)圖
根據(jù)尺寸計(jì)算，對(duì)指數(shù)型變幅桿進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，如圖3.5所示。
3.5 電極工具頭設(shè)計(jì)
常用的工具頭總體形狀有圓柱形、階梯形、錐形三種。
通常，陰極總體長度不超過波長的十分之一，徑向尺寸不超過換能器小端的幾何尺寸。本次設(shè)計(jì)的陰極尺寸均非常小，與換能器底部直徑相差很大，因此本次設(shè)計(jì)的總體形狀為錐形，即將工具陰極的作用長度設(shè)計(jì)成錐形，端部保留一定長度為小階梯軸。微細(xì)陰極工具頭成形端面的形狀和尺寸需根據(jù)不同的試件結(jié)構(gòu)形狀和尺寸要求來設(shè)計(jì)，理論上兩者相差一個(gè)“加工間隙”。為了保證加工精度，必須考慮磨料及工具磨損對(duì)最終精度的影響，對(duì)參與加工部位的尺寸進(jìn)行估算修正才能得到工具陰極真正設(shè)計(jì)尺寸。
超聲電解復(fù)合微細(xì)加工材料去除量微小，零件精度、表面質(zhì)量要求很高，加工時(shí)，微小陰極與變幅桿作超聲頻振動(dòng)，因此微細(xì)陰極制作要求有其特殊性：
(1) 為了保證加工的精度及效率，必須有制作精度高、工作穩(wěn)定可靠的微細(xì)陰極，傳統(tǒng)機(jī)械加工難以實(shí)現(xiàn)此類微尺度陰極的加工，必須借助微細(xì)特種加工方式，本文中采用微細(xì)放電組合方式；
（2）加工是在電解質(zhì)溶液中進(jìn)行，電解液中含有超聲微細(xì)磨料，因此陰極材料須具有好的耐腐蝕性及高的硬度與耐磨性，最大限度減少陰極磨損。
(3) 為保持加工過程連續(xù)，提高加工效率，陰極與工件間須保持微小恒定的工作壓力；同時(shí)由于微細(xì)陰極尺寸微小且作超聲頻振動(dòng)，防止陰極彎曲、折斷，陰極必須具有一定的強(qiáng)度與韌性；
(4)為達(dá)到加工精度要求，必須保證陰極安裝后對(duì)工作臺(tái)面的垂直度及與變幅桿的同軸度，這要求陰極體初步加工后，與變幅桿用螺紋連接，再進(jìn)行整體精加工，變幅桿與陰極的連接精度應(yīng)足夠高，同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上須考慮整體加工的定位裝夾，相互之間的拆裝定位及陰極電源引入。加工中的變幅桿與陰極接合面須用高粘度植物油耦合，以減小超聲能量損失，提高加工效率。
1.微小軸工具陰極，設(shè)計(jì)如圖，圓柱工具頭：
圖3.7 圓柱工具頭尺寸設(shè)計(jì)
2.方形工具頭：
圖3.8 方形工具頭尺寸設(shè)計(jì)
圖3.9指數(shù)形變幅桿及陰極體設(shè)計(jì)圖
3.6.工藝試驗(yàn)
圖3.10 超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工試驗(yàn)系統(tǒng)
3.6．1 試驗(yàn)材料
加工試驗(yàn)分為單一超聲加工、超聲—電解復(fù)合加工兩部分，試驗(yàn)材料選擇為：單晶硅片、壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇）、硬質(zhì)合金（YT15、YG8）。
3.6．2．工具陰極及變幅桿
由前述分析可知，指數(shù)形變幅桿振幅放大倍數(shù)較小，但有較寬的共振頻率范圍，共振穩(wěn)定性較好。由于超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工對(duì)超聲振動(dòng)的振幅要求不大，對(duì)精度及過程穩(wěn)定性要求較高的情況下，一般采用指數(shù)形變幅桿。
3.6．3 超聲磨料
單晶硅片和壓電陶瓷的單一超聲微細(xì)加工試驗(yàn)中，選用400目碳化硅磨料；在超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工硬質(zhì)合金時(shí)選用400目或1600目的碳化硅磨料，磨料在電解液中的濃度為20%。
3．6．4. 電解液
根據(jù)微細(xì)加工試驗(yàn)要求，為提高復(fù)合加工中微細(xì)電解作用去除材料的定域性，提高加工精度，選擇濃度為5%或更低的鈍化性NaNO3電解液，與成混和工作液。
3．6．5． 加工電參數(shù)
超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工時(shí)，電解作用隨著電解電壓的增大而增大，但電壓過高電解電流密度增加，去除材料的非線性將減小，易于產(chǎn)生雜散腐蝕現(xiàn)象，使微細(xì)加工的定域性變差，因此，試驗(yàn)中選擇電解電源電壓幅值：1V—5V。
電解電壓脈沖頻率可在0Hz（直流）—10000Hz范圍內(nèi)選擇；脈沖占空比選擇范圍在30%－50%（即3:7－1:1）。
3.6．6 超聲功率
由于微細(xì)加工材料去除量微小，超聲作主要為去除電解鈍化膜及排除加工產(chǎn)物，因此所需超聲功率相對(duì)很?。涣矸矫孢x用較小的超聲功率可使超聲振幅減小，有利于減小陰極的磨損，因此，根據(jù)加工要求，超聲功率須在5W－250W內(nèi)合理選擇。
3.6．7． 超聲頻率
工具陰極和變幅桿聯(lián)接后固接至超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工裝置上，啟動(dòng)超聲裝置，調(diào)節(jié)發(fā)生器輸出頻率至系統(tǒng)共振頻率。
時(shí)基：10.00μs/div 幅度：50.00v/div
圖3.11 共振時(shí)采集的超聲發(fā)生器輸出的超聲頻交變電壓
如圖3.16所示，通過數(shù)字存儲(chǔ)示波器可得到超聲發(fā)生器輸出至換能器的超聲頻電壓信號(hào)波形，圖示共振頻率為20.161KHz。由于系統(tǒng)共振頻率易受外界因素（如工具損耗、工作壓力變化、加工深度改變、螺紋聯(lián)接松動(dòng)等）的影響，共振頻率點(diǎn)會(huì)發(fā)生漂移，為保證加工過程的穩(wěn)定，需及時(shí)調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率，使系統(tǒng)始終保持在共振狀態(tài)下。
3.6．8 試驗(yàn)步驟:
1.在超聲機(jī)上安裝上變幅桿。
2.將工件用黏結(jié)劑黏結(jié)在工作臺(tái)，變幅桿與工具頭用蓖麻油耦合，這樣可以減小能量損耗。并安裝好工具頭上，調(diào)整工作臺(tái)，使得工具和工件對(duì)準(zhǔn)
3.合理選擇砝碼，打開液壓油通路，讓工件在適當(dāng)?shù)膲毫ο马斣诠ぞ唠姌O表面，在工具電極和工件之間滴上400#碳化硅磨料。
4.接通冷卻泵電機(jī)，使得冷卻液在加工過程中不斷循環(huán)，防止磁致伸縮換能器由于過熱而燒壞。
5.在超聲加工機(jī)控制面板上分別打開低壓和高壓開關(guān)，并選擇強(qiáng)弱檔，在本試驗(yàn)中，當(dāng)使用1mm的工具頭時(shí)選擇強(qiáng)檔，當(dāng)使用0.25mm工具頭時(shí)選擇弱檔。
6.調(diào)整并選擇適當(dāng)?shù)墓β?，然后再調(diào)節(jié)頻率按鈕，當(dāng)工件端面上有氣泡，且發(fā)出刺兒的蜂鳴聲，則說明機(jī)床以達(dá)到共振狀態(tài)，此時(shí)頻率約為20KHz。這時(shí)工件已處于加工狀態(tài)，隨著加工的進(jìn)行要不斷的抬升工具，同時(shí)用針管不斷的添加磨料。用雙通道數(shù)字示波器記錄下加工時(shí)的各種波形，并用秒表記錄下加工時(shí)間。
7.關(guān)掉功率旋鈕、低壓高壓開關(guān)。
8.打開液壓油路壓力旋鈕，工件自動(dòng)脫開，然后取下工件，拔掉所有電源插頭。
9.清除加工時(shí)的殘留物，將機(jī)床擦凈后罩起。
3.6．9 硬質(zhì)合金的單一超聲加工
為了對(duì)單一超聲加工和超聲電解復(fù)合加工硬脆金屬材料的基本狀況進(jìn)行對(duì)比，首先在T32-025超聲機(jī)進(jìn)行硬質(zhì)合金的單一超聲加工試驗(yàn)。
硬質(zhì)合金是由硬度很高的難熔金屬碳化物（WC、TiC、TaC和NbC等）和金屬粘結(jié)劑（Co、Ni、Mo）用粉末冶金方法制成的。硬質(zhì)合金中的碳化物具有硬度高、熔點(diǎn)高、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。硬質(zhì)合金的強(qiáng)度與粘結(jié)劑的含量有關(guān)，粘結(jié)劑含量越高，合金強(qiáng)度就越高。硬質(zhì)合金的硬度可達(dá)89-94HRA，耐熱溫度達(dá)800-1000℃，是用以切削硬質(zhì)材料的首選刀具材料。
硬質(zhì)合金的種類很多，課題試驗(yàn)選用YT15硬質(zhì)合金和YG8（規(guī)格型號(hào)S25）硬質(zhì)合金作為加工試驗(yàn)對(duì)象。YT15屬于P類硬質(zhì)合金，YG8屬于WC-CO類硬質(zhì)合金。表3.2簡要介紹了YT15硬質(zhì)合金和YG8硬質(zhì)合金的基本組成及有關(guān)性能。從表3.2中可以看出，YT15材料中WC、TiC、Co含量都較高，它們的硬度均較高，所以YT15的洛氏硬度高達(dá)HRC78，而YG8材料中WC、Co較高，其硬度高達(dá)HRC89，普通切削加工方法基本上無能為力。對(duì)于超聲加工而言，由于去除材料是靠粒度極小的磨料瞬時(shí)局（磨料的硬度更高）部撞擊、拋磨以及超聲空化的綜合作用，所以硬質(zhì)合金材料可以用超聲加工去除。
牌號(hào)
WC（%）
TiC（%）
Co（%）
硬度（HRC）
YT15
79
15
8
78
YG8
92
—
8
89
表3.2 不牌號(hào)硬質(zhì)合金的基本組成及性能
根據(jù)上述所選的各個(gè)參數(shù)，分別在J93025型超聲加工機(jī)和T32-025小功率超聲機(jī)對(duì)各種材料進(jìn)行單一的超聲加工。所得到的試驗(yàn)結(jié)果如表3.3和3.4所示。由此可見，不管是在T32-025小功率超聲機(jī)還是在J93025型超聲加工機(jī)上進(jìn)行單一的超聲加工試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)都表明越是脆硬的材料就越適合采用超聲加工。
材料
加工深度(mm)
時(shí)間(min)
加工精度（mm）
工具磨損（%）
硬質(zhì)合金YG8
0.06
1
0.050
5
硬質(zhì)合金YT15
0.07
1
0.033
14
壓電陶瓷
2.09
1
0.061
20
試驗(yàn)條件：小功率超聲機(jī) 工作壓力：1.0N 工具頭為1mm的圓形工具頭
表3.3 硬質(zhì)合金的單一超聲加工試驗(yàn)結(jié)果
材料
加工深度（mm）
加工時(shí)間 （min）
玻璃鋼
0.5
1
工業(yè)陶瓷
1.0
1
45#鋼
0.15
1
試驗(yàn)條件：J93025型超聲加工機(jī) 加工壓力：15N，工具頭：5mm的圓形
表3.4 脆性材料的單一超聲加工試驗(yàn)結(jié)果
3.6．10 硬質(zhì)合金YT15超聲復(fù)合電解加工試驗(yàn)
由于工具頭很細(xì)，采用很小的靜載荷（一大一小兩塊砝碼）提供工具進(jìn)給壓力，磨料和電解液分別采用400#的碳化硅磨料和5%的NaNO3電解液，加工時(shí)間均為1min，當(dāng)用脈沖電流進(jìn)行超聲復(fù)合電解加工時(shí)，脈沖電源頻率選擇5000Hz。
經(jīng)多次測(cè)量加工結(jié)果,取平均值后取平均值后數(shù)據(jù)如表3.9所示。
加工條件
加工深度（mm）
工具磨損（mm）
單一超聲加工
0.05
0.12
超聲+直流電壓1V
0.12
0.07
超聲+直流電2V
0.18
0.08
超聲+脈沖電源1V
0.07
0.05
超聲+脈沖電2V
0.16
0.06
表3.5 對(duì)硬質(zhì)合金YT15超聲復(fù)合電解加工加工深度和工具頭磨損比較
試驗(yàn)條件：磨料：400#的碳化硅，電解液： 5%的NaNO3電解液，加工時(shí)間：1min，占空比：3：7，加工壓力：90克，頻率：5000Hz 。
圖3.13和3.14分別為單一超聲加工和復(fù)合加工的加工深度和工具磨損量比較。
圖3.13 單一超聲加工和復(fù)合加工加工深度比較
圖3.14 單一超聲加工和復(fù)合加工加工磨損比較
從圖3.13和3.14可以看出單一超聲加工效率最低，但工具磨損量是最高的。超聲加直流復(fù)合電解加工效率最高且工具的磨損量也不是很大。超聲加脈沖電流復(fù)合電解加工效率適中，但工具電極的磨損量最小。
圖3.15，圖3.16為在不同的加工電壓下，復(fù)合加工的加工速度和工具磨損量的比較
圖3.15 不同加工電壓下復(fù)合加工加工速度比較
圖3.16 不同加工電壓下復(fù)合加工加工磨損程度比較
從圖中可以看出，不管是超聲脈沖電流復(fù)合電解加工還是超聲直流復(fù)合電解加工，隨著電壓的增加，加工速度都有顯著的上升，但同時(shí)工具電極的磨損量也有不同程度的增加。
直徑
0.20mm
圖3.17 直徑為φ0.25mm的工具在YT15材料上加工出來的小孔
3.6．11 硬質(zhì)合金YG8超聲復(fù)合電解加工試驗(yàn)
試驗(yàn)過程中采集波形如圖3.18，圖3.19所示。分別為1V脈沖電壓波形，1V脈沖電壓放電波形。由于1V時(shí)的放電波形幅值太小，沒有采集。
時(shí)基：200.00us/div 幅度 1.00v/div
圖 3.18 1V脈沖電壓電解加工電壓波形
時(shí)基：50.00us/div 幅度500.00mv/div
圖3.19 1V直流電壓電解加工電流波形
經(jīng)多次測(cè)量加工結(jié)果,取平均值后取平均值后數(shù)據(jù)如表3.10所示。
加工條件
加工深度（mm）
工具端面磨損（mm）
單一超聲加工
0.12
0.09
超聲+直流電壓1V
0.30
0.07
超聲+直流電壓2V
0.36
0.12
超聲+脈沖電源1V
0.16
0.05
超聲+脈沖電源2V
0.35
0.10
表3.6 對(duì)硬質(zhì)合金YG8超聲復(fù)合電解加工加工深度和工具頭磨損比較
試驗(yàn)條件：磨料：400#的碳化硅，電解液： 5%的NaNO3電解液，加工時(shí)間：1min，占空比：3：7，加工壓力：90克，頻率：5000Hz。
圖3.27，圖3.28分別為單一超聲加工和復(fù)合加工加工速度和工具磨損量的比較。
圖3.20 單一超聲加工和復(fù)合加工深度比較
圖3.21 單一超聲加工和復(fù)合加工工具磨損比較
從圖中可以看出單一超聲加工效率最低，但工具磨損量是最高的。超聲加直流復(fù)合電解加工效率最高且工具的磨損量也不是很大。超聲加脈沖電流復(fù)合電解加工效率適中，但工具電極的磨損量是最小的。
圖3.29和圖3.30為在不同的加工電壓下，復(fù)合加工的加工速度和工具磨損量的比較。在工具測(cè)量顯微鏡下測(cè)量并拍攝最后的加工試件如圖3.31所示。
圖 3.22 不同加工電壓下加工深度比較
圖 3.23 不同電壓下復(fù)合加工工具磨損比較
圖3.17 是在脈沖電源電壓2V下的超聲電解復(fù)合加工試驗(yàn)后得到的圓形小孔和圖3.24相比，表面質(zhì)量和成型精度都有所降低，分析可能原因是YG8屬于WC-CO類硬質(zhì)合金，相對(duì)于YT15其脆性更大，導(dǎo)致塌邊，另外工具磨損也會(huì)導(dǎo)致塌邊。
直徑0.2mm
mm
圖3.24 直徑為φ0.25mm的工具在YG8材料上加工出來的小孔
3.6.12 超聲電解加工實(shí)驗(yàn)實(shí)例
3.6.12.本章小結(jié)
本章在前述章節(jié)工作基礎(chǔ)上，利用制作的變幅桿和各式工具頭陰極，在構(gòu)建完善的超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工裝置上，優(yōu)選加工參數(shù)，對(duì)壓電陶瓷、硅片進(jìn)行單一超聲加工試驗(yàn)；對(duì)YT、YG類硬質(zhì)合金進(jìn)行超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工參數(shù)試驗(yàn)；分析加工過程及結(jié)果，檢驗(yàn)了超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工工藝的可行性和復(fù)合加工裝置工作的可靠性；重點(diǎn)討論了加工方式及電解電壓幅值、脈沖頻率等參數(shù)對(duì)加工效率、精度、表面質(zhì)量及工具陰極損耗的影響規(guī)律，驗(yàn)證了超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工在硬脆金屬材料加工中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。最后，舉例說明了超聲電解復(fù)合加工系統(tǒng)的應(yīng)用，展示了加工效果，其優(yōu)勢(shì)得到直觀展現(xiàn)。
第四章 結(jié)論與展望
●結(jié)論
本文進(jìn)行了單一超聲實(shí)驗(yàn)和超聲電解實(shí)驗(yàn)的對(duì)比,不同的硬制合金超聲電解的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，明確超聲電解加工在加工硬脆金屬材料的優(yōu)勢(shì),.并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的整理和分析：
1．對(duì)超聲電解復(fù)合微細(xì)加工技術(shù)基礎(chǔ)理論進(jìn)行了分析探討，闡述了超聲加工和電解加工單一工藝方法的應(yīng)用難點(diǎn)和局限性，論述了超聲電解復(fù)合微細(xì)加工的加工機(jī)理和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，明確了該加工技術(shù)在硬脆難加工材料加工方面的可行性、研究必要性和應(yīng)用前景。
2．硬質(zhì)合金等材料進(jìn)行了單一超聲加工試驗(yàn)及分析，對(duì)硬質(zhì)合金（YG8、YT15等）進(jìn)行了超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工試驗(yàn)，檢驗(yàn)了超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工工藝的可行性和復(fù)合加工裝置工作的可靠性；驗(yàn)證了超聲—電解復(fù)合微細(xì)加工在硬脆金屬材料加工中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；工藝參數(shù)得到了優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性好，相同加工條件下得到的加工精度、表面質(zhì)量等無較大偏差。
3．對(duì)超聲電解復(fù)合微細(xì)加工系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)構(gòu)建,介紹了實(shí)驗(yàn)中各種參數(shù)的確定和控制。制定了具體實(shí)驗(yàn)步驟和操作方法。
本文得到的工藝參數(shù)對(duì)后續(xù)研究有重要的借鑒意義。
●展望
超聲電解加工方法雖然有著