【毕业论文】微凹坑超声加工设计及试验毕业设计说明书

针对试验中采用的微细超声加工以及微细超声电解复合加工两种加工方法，设计合适的加工系统，并对微细超声复合加工的加工装置进行构建与完善由流体润滑理论，设计了圆形截面微凹坑，在此基础上将截面形状拓展为正方形菱形，成阵列分布时，微凹坑尺寸与间距应成定比例根据微凹坑形状，对微凹坑加工的微细工具微凸起进行外形设计，选择单体截面为圆形正方形三角形的微细轴并将其推广为阵列圆形正方形菱形微凸起作为微细工具电极的典型代表，利用现有的精密慢走丝线切割机床精密电火花成型机进行工艺组合加工各种微凸起工具电极确定试验方案，在多种材料表面选用不同加工参数进行微凹坑单超声与超声复合加工对比实验，利用数字存储示波器及机进行加工过程中各类参数的检测和加工状态的评估，调整优化参数总结各种加工参数下微凹坑单超声与超声复合加工试验中精度效率表面质量的改善程度及原因，针对加工试验中存在的问题，进行工艺的完善本章小结本章阐述了微凹坑结构的研究及应用背景，进而提出本论文研究工作内容。

第二章微细超声复合加工特种加工方法是借用各种电能热能声能光能电化学能及特殊机械能等多种能量，直接去除或增加材料以达到加工的目的，般没有宏观的切削力作用，且多数属于非接触式加工，因此在微小尺度零件的加工中有着不可替代的优越性。

特种加工的具体方法有电火花加工超声加工电解加工电子束加工离子束加工激光束加工等。

目前，微细加工技术的研究大多集中在半导体制造工艺光刻技术蚀刻技术和技术上，并且取得了相当大的实用进展。

但是，这些技术只能用来加工结构简单的二维或准三维微机械，尚不适于致动器的制作。

如将这类微机械作为致动器，只能靠静电力驱动，驱动力太小。

另外，这些加工方式的设备普遍昂贵，次性投入较大，只适合大规模批量生产，对于复杂的三维微机械结构，采用以上技术就难以实现或根本无法实现，小规模的微机械生产也不宜采用以上方法，限制了其应用范围。

特种加工技术在微小型三维立体结构致动器的制作上有独到之处，批量制作也可通过模具加工电铸注塑等方法实现。

国外采取了微细加工与特种加工并重的策略，以充分发挥各种加工方法的优点。

作为微细超声复合加工的技术基础，将超声加工电火花加工电解加工分别与微细加工有机地融合在起，综合利用不同的优点，从而获得单方法所达不到的技术优势。

微细超声加工超声加工简称有时也称超声波加工。

电火花加工和电化学加工都只能加工金属导电材料，不易加工不导电的非金属材料，然而超声加工不仅能加工硬质合金淬火钢等硬脆金属材料，而且更适合加工玻璃陶瓷半导体锗和硅片等不导电的非金属硬脆材料，同时还可以用于清洗焊接和探伤等。

微细超声加工原理超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的种特种加工方法，超声加工的基本原理如图所示。

超声加工时，在工具和工件之间加入水或油等和磨料混合的悬浮液，并使工具以适当的压力轻轻压在工件上。

超声换能器产生高达以上的超声频率作纵向振动，由于弹性杆弹性杆使振幅产生定的放大变化，通常称其为变幅杆的作用，振幅被放大到左右，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮磨料的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击抛磨被加工工件表面，把被加工工件表面的材料粉碎成很细的微小颗粒，从工件上被打击下来。

虽然每次打击下来的材料很少，但每秒打击的次数高达次与超声频率有关以上，所以仍有定的加工速度。

图超声加工原理图工具工件磨料悬浮液，变幅杆换能器超声波发生器与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频交变的液压正负冲击波和空化作用，迫使工作液进入被加工材料的微细缝隙处，从而更加剧了机械破坏作用。

所谓空化作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成较大的负压和局部真空，使得工作液内瞬间形成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡又重新闭合，又引起较强的液压冲击波，上述作用迅速反复地施加在工具与工件之间微小间隙内的工作液里，可以大大强化加工过程。

此外，正负交变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，带动磨料运动，使部分变钝了的磨粒及时得到更新。

磨料悬浮液通过不断更新，带走被粉碎下来的材料微粒。

随着加工工具逐渐伸入到被加工材料中，加工工具的形状便复现在工件上了。

由此可见，超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，其中，磨粒的机械撞击作用是占主导地位的。

由于超声加工基于局部撞击作用，所以当受到撞击作用时，越是硬脆的材料，其受破坏的程度越大，越容易进行超声加工。

相反，脆性和硬度不大的韧性材料，由于它对撞击能量的吸收缓冲作用而难以实施超声加工的超声发生器输出超声频交变电压波形阵列圆形微凹坑单超声加工试验选用阵列圆形微凸起工具电极，加工参数工件与工具间静压力加工时间磨料碳化硼磨料悬浮液浓度试件材料选用硬质合金和不锈钢单晶硅压电陶瓷玻璃钢，取加工后材料表面微凹坑局部放大图。

图阵列圆形微凸起单超声加工微凹坑将加工件置于体视测量显微镜下进行观察测量，得到各种材料表面阵列圆形微凸起单超声加工微凹坑圆孔直径与加工深度对比如图所示。

图阵列圆形微凸起单超声加工微凹坑圆孔直径与加工深度对比图由图可知阵列圆形凹坑加工效果与单微细孔加工效果相似，但加工深度较小，原因是阵列圆形微凹坑加工接触应力较小，另外工作液及磨料供给受到阵列圆形微凸起工具电极的限制。

阵列正方形微凹坑单超声加工试验选用阵列正方形微凸起工具电极，加工参数工件与工具间静压力加工时间磨料碳化硼磨料悬浮液浓度试件材料选用硬质合金和不锈钢单晶硅压电陶瓷玻璃钢，取加工后材料表面微凹坑局部放大图。

图阵列正方形微凸起单超声加工微凹坑将加工件置于体视测量显微镜下进行观察测量，得到各种材料表面阵列正方形微凸起单超声加工微凹坑正方形边长与加工深度对比如图所示。

图阵列正方形微凸起单超声加工微凹坑正方形边长与加工深度对比图由图可知阵列正方形凹坑加工效果与单微细孔加工效果相似。

加工中，由于阵列正方形微凸起与工件接触面积略大于阵列圆形微凸起，正方形微凹坑深度稍小于圆形。

阵列菱形微凹坑单超声加工试验选用阵列菱形边长微凸起工具电极，加工参数工件与工具间静压力加工时间磨料碳化硼磨料悬浮液浓度试件材料选用硬质合金和不锈钢单晶硅压电陶瓷玻璃钢，取加工后材料表面微凹坑局部放大图。

图阵列菱形微凸起单超声加工微凹坑将加工件置于体视测量显微镜下进行观察测量，得到各种材料表面阵列菱形微凸起单超声加工微凹坑菱形边长与加工深度对比如图所示。

图阵列菱形微凸起单超声加工微凹坑菱形边长与加工深度对比图由图可知阵列菱形凹坑加工深度最小，是由于阵列菱形微凸起与工件的接触面积远大于阵列圆形与正方形微凸起。

此外，如图所示菱形微凹坑超声加工圆角效应明显，这是由于尖角处易于被超声磨粒撞击磨损。

试验结果分析比较各组加工图和测量数据可知，工件尺寸比工具尺寸有所扩大，扩大量理论上约为磨粒直径的两倍。

磨粒越细，加工成形精度越高。

压电陶瓷的加工效率最高，尺寸精度可达到，表面粗糙度，微凹坑结构尺寸致性精度可达。

单晶硅片的加工效果也很明显，和压电陶瓷样微形状的边缘也出现了轻微塌边，可能因为材料脆性很高，是工具头在振动时对入口边缘瞬间的应力太大所致。

通过试验现象及结果发现硬质合金不锈钢的加工精度和表面质量比加工压电陶瓷单晶硅片等硬脆材料要好，原因是硬质合金不锈钢硬度高的同时还具有定的韧性。

从而说明材料的加工精度表面质量及加工效率都和材料的力学性能有很大关系，在同样的加工条件下，材料的强度和断裂韧性越高，在超声波高频振动撞击及空化作用下，表层去除脆裂较小，加工精度和表面质量越高，加工速度和加工效率越低相反被加工材料越脆，则承受冲击载荷的能力越低，也就越容易被去除。

但是，硬质合金不锈钢的加工效率很低，在内只在工件表面加工出结构痕迹，深度仅几十。

在微孔加工中，由于工具头端部能量集中且形状简单，加工效率稍高，而外形复杂阵列工具头端面如阵列圆形正方形菱形微凸起不利于磨料悬浮工作液的流动，影响加工效率。

硬质合金及不锈钢的单超声加工中参数选择加工结果现象分析等对微细超声复合加工参数的选择及分析具有重要的参考价值。

微细超声电解复合加工采用型脉冲电源，使用双通道数字存储示波器检测超声发生器输出电信号，试验中，调节超声频率，保持振动系统始终处于共振状态，即工具端面工作液处于雾化状态。

加工过程中，超声能量为时的脉冲电压及电解电流波形如图所示。

图微细超声电解复合加工微凹坑电压与电流波形图阵列圆形微凹坑超声电解复合加工试验采用阵列圆形微凸起工具电极，在不锈钢材料表面加工微凹坑，加工参数为工件与工具阴极间静压力加工时间磨料碳化硼磨料悬浮液浓度电解液为水溶液，采用静液方式定时供给电解液脉冲频率，采用电压幅值为单超声，脉冲占空比材料表面微凹坑局部显微放大效果如图所示脉冲电解电压对加工工艺指标的影响如图所示。

图阵列圆形微凸起超声电解复合加工微凹坑图电解电压对加工工艺指标的影响从图可以看出，电压升高，电解作用增强，加工微孔尺寸增大同时，从试验过程看，电压达时，可见微火花放电，由于电解电火花共同作用，加工出较深较大微坑，粗糙度增加，甚至超过单纯超声加工电解电压幅值时工件表面粗糙度最小随着电解电压增加，电解作用更强，其加工产物更易于被超声作用及时清除，减小了对阴极的持续抛磨，从而使阴极磨损量下降，超过后磨损量下降较显著。

本章小结本章分析了试验参数选择原则，如工作液工具电极超声振动振幅功率进给压力脉冲电解加工电源参数等确定微凹坑试验方案，在构建的单微细超声微细超声电解复合加工工艺系统上，进行多种材料表面微凹坑加工对比试验，并对试验结果进行了分析，证实了微细超声复合加工的可行性和优越性。

第五章总结与展望总结本课题提出用微细超声复合加工技术加工各种形状尺寸微凹坑构建多种方式微细超声复合加工试验系统设计并制作多种截面形状工具电极确定试验方案，在多种材料表面进行了多参数的微凹坑单超声以及超声电解复合加工试验，并进行加工过程参数检测分析及加工效果评估。

获得具有定规则凹坑形貌