專利名稱：重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于磨削加工方法，尤其涉及一種重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工裝置。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，以陶瓷、硬質(zhì)合金、釹鐵硼、硅、鍺、鐵氧體、氧化鋯、微晶玻璃、淬火鋼、鍍鉻層等為代表的硬脆材料呈出不窮，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。傳統(tǒng)加工方法一直存在著加工效率低、工件易破碎、能耗大、加工質(zhì)量差、許多設(shè)計(jì)要求無法實(shí)現(xiàn)等重大問題，長期困撓和影響著工廠的生產(chǎn)。工廠迫切地需要解決硬脆材料的高效精密加工難題。
1.硅鏡異形盲孔精密加工隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，以陶瓷、硬質(zhì)合金、釹鐵硼、硅、鍺、鐵氧體、氧化鋯、微晶玻璃、淬火鋼、鍍鉻層等為代表的硬脆材料呈出不窮，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。傳統(tǒng)加工方法一直存在著加工效率低、工件易破碎、能耗大、加工質(zhì)量差、許多設(shè)計(jì)要求無法實(shí)現(xiàn)等重大問題，長期困撓和影響著工廠的生產(chǎn)。工廠迫切地需要解決硬脆材料的高效精密加工難題。
例如，隨著空間科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了滿足航空航天器、天文觀測對觀測分辨力和成像質(zhì)量越來越高的要求，需要采用更長焦距、更大口徑的光學(xué)系統(tǒng)，而口徑增大是光學(xué)儀器體積增大和重量增加的主要因素，系統(tǒng)的慣量也隨之增加，給整個(gè)系統(tǒng)的工作帶來了極為不利的影響。由于光學(xué)系統(tǒng)是空間遙感的重要有效載荷，其質(zhì)量的大小直接決定了發(fā)射成本和工作性能的高低，因此必須在保證動(dòng)、靜態(tài)剛度和強(qiáng)度的前提下對空間光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行最大程度的輕量化。其中硅鏡的輕量化是整個(gè)系統(tǒng)輕量化最基本最重要的環(huán)節(jié)。
硅鏡外徑尺寸通常在Φ150～Φ2000mm之間，厚度為8～100mm，硅鏡毛坯呈實(shí)心圓板狀。為了降低硅鏡重量，需要在硅鏡上制造出大量異形盲孔，且筋越薄越好。硅鏡形狀各異、大小不一。例如，某種硅鏡外徑Φ300mm、厚25mm。為了降低硅鏡重量和諧振頻率，需要在硅鏡一側(cè)加工幾十個(gè)異形盲孔，其深度均為20mm，可去除70.1％的重量。硅鏡具有耐強(qiáng)光、輕質(zhì)、電氣性能好、機(jī)械性能優(yōu)良等特點(diǎn)。要求加工精度高、光潔度好，加強(qiáng)筋無裂紋、不破碎，壁厚均為1.5mm，且一致性要好。
單晶硅具有優(yōu)良的機(jī)械、物理性質(zhì)，其機(jī)械品質(zhì)因數(shù)可高達(dá)106數(shù)量級，滯后和蠕變極小，幾乎為零，機(jī)械穩(wěn)定性好。
硅材料的質(zhì)量輕，密度約為不銹鋼的1/3，而彎曲強(qiáng)度卻為不銹鋼的3.5倍，它具有高的強(qiáng)度密度比和高的剛度密度比。單晶硅的機(jī)械物理性能見表1。
表1 單晶硅的機(jī)械物理性能 單晶硅作為硅鏡、超大規(guī)模集成電路主要基片材料，現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)尉Ч璧炔牧系募庸ぞ群捅砻尜|(zhì)量要求愈來愈高。單晶硅拋光片的正面要求無劃道、無蝕坑、無區(qū)域沾污、無崩邊、無裂縫、無凹坑、無溝、無小丘、無刀痕等。按美國微電子技術(shù)協(xié)會(huì)(SIA)提出的技術(shù)要求，要求在25×40mm2區(qū)域內(nèi)的表面平整度小于0.07μm，表面粗糙度要求達(dá)到納米級，表面不能產(chǎn)生損傷和應(yīng)力集中。單晶硅的加工效率、表面劃痕損傷和破裂已經(jīng)成為生產(chǎn)加工中的突出問題，多達(dá)20～50％的單晶硅在拋光過程中需要進(jìn)行適量返修，其主要原因是當(dāng)表面粗糙度和波紋度達(dá)到納米量級時(shí)，任何一個(gè)微小硬質(zhì)顆粒都可能對單晶硅工件表面造成損傷，從而導(dǎo)致大量工件的返修甚至報(bào)廢。
單晶硅是一種典型的硬脆材料。硅鏡需要在其端面加工直線三角形、方孔、橢圓孔、曲線三角形等異形盲孔，并要求實(shí)現(xiàn)單晶硅異形盲孔無損傷、無崩邊、無裂縫、無凹坑、超平滑的超精密加工。
硬脆材料異形盲孔超聲加工時(shí)，必須使用和加工零件異形盲孔形狀、尺寸完全一致的異形工具，并連續(xù)加注水和磨料的均勻混合物進(jìn)行沖擊成型加工。異形盲孔形狀各異、方位分布不一致。
2.淬硬缸體精密加工與超精密加工目前，全世界有內(nèi)燃機(jī)10億臺(tái)左右，內(nèi)燃機(jī)缸體、缸套工作表面微結(jié)構(gòu)激光成型與激光淬火是發(fā)展趨勢，但激光淬火后硬度很高，變形較大，很難進(jìn)行精密加工與超精密加工。
3.ZrO光纖聯(lián)接器精密加工隨著光纖技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，ZrO光纖聯(lián)接器需求量數(shù)以億計(jì)，但ZrO光纖聯(lián)接器要求極高(尺寸精度0.001～0.003mm)，且屬于典型的硬脆材料。
傳統(tǒng)的超聲加工方法雖能進(jìn)行硬脆材料加工，但有下述缺陷(1)工具壽命短；(2)加工精度較低，只有0.05～0.08mm。
(3)工具施加在工件上的力較大，導(dǎo)致工件在加工過程中內(nèi)應(yīng)力增大，容易出現(xiàn)異常破裂。
(4)工件筋的厚度要增大至4～5mm，無法達(dá)到工件最大輕量化的要求；(5)加工效率低。
(6)加工成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工裝置。
重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工裝置具有相連接的壓電換能器、第一螺釘、變幅桿、第三螺釘、電鍍金剛石工具，變幅桿通過自身節(jié)點(diǎn)處的法蘭盤、第二螺釘與壓電換能器罩相接，電鍍金剛石工具下方設(shè)有工作臺(tái)和低頻振動(dòng)器，工作臺(tái)上設(shè)有夾具。
所述低頻振動(dòng)器的低頻振動(dòng)頻率F＝20～200Hz，振幅A＝100～200μm。
壓電換能器的超聲振動(dòng)頻率f＝15000～30000Hz，振幅a＝15～50μm。
本實(shí)用新型具有下述優(yōu)點(diǎn)1)進(jìn)一步減少加工力(只有傳統(tǒng)超聲加工力的1/6～1/8)和工件內(nèi)應(yīng)力；2)排屑通暢；3)工具中心內(nèi)設(shè)通孔，便于水和游離磨料加注；4)使用超聲電鍍方法將工具端面和側(cè)面電鍍分布均勻、結(jié)合力高的高強(qiáng)度金剛石；將電鍍金剛石和B4C游離磨料(以水為介質(zhì))復(fù)合在一起，用于重疊振動(dòng)加工中，既有金剛石大顆粒(60#～80#)固著磨料的超聲加工作用，又有B4C游離磨料的沖擊加工作用(水為介質(zhì))，使得超聲加工效率提高3～4倍，工具耐磨性提高5～6倍。
5)加工精度提高至0.001～0.003mm；6)工件不會(huì)破碎，完整性好；7)由9個(gè)異形工具組合成一體的復(fù)合型電鍍金剛石工具和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)及控制系統(tǒng)可保證工件具有不同方位的異形盲孔的尺寸精度、形狀精度和位置精度。
8)加工成本低；9)使用力傳感器構(gòu)成數(shù)控恒力進(jìn)給系統(tǒng)，采用優(yōu)化方法確定最佳壓力，有效的保證聲學(xué)系統(tǒng)在長期工作中合理匹配聲阻抗和諧振頻率，保證在工件異形盲孔加工長時(shí)間加工過程中不會(huì)使工件破碎。


圖1是重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工方法示意圖；圖2是重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖中壓電換能器罩1、壓電換能器2、第一螺釘3、變幅桿4、第二螺釘5、第三螺釘6、電鍍金剛石工具7、工件8、夾具9、工作臺(tái)10、低頻振動(dòng)器11。
具體實(shí)施方式
重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工方法的超聲參數(shù)為頻率f＝15000～30000Hz，工具振幅a＝15～50μm，功率900～1600W；低頻振動(dòng)參數(shù)為頻率F＝20～200Hz，工具振幅A＝200～300μm，功率1200W。在研究加工負(fù)載對超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)阻抗和諧振頻率的影響的基礎(chǔ)上，研究壓電換能器與超聲波發(fā)生器的阻抗匹配技術(shù)。根據(jù)工件的對稱性，開發(fā)由9個(gè)異形工具組成一體的復(fù)合型工具，一次加工可完工件加工的1/6，以提高加工效率8倍。1/6的工件加工完成后，通過轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，再依次進(jìn)行工件加工。
重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工裝置具有相連接的壓電換能器2、第一螺釘3、變幅桿4、第三螺釘6、電鍍金剛石工具7，變幅桿4通過自身節(jié)點(diǎn)處的法蘭盤、第二螺釘5與壓電換能器罩1相接，電鍍金剛石工具7下方設(shè)有工作臺(tái)10和低頻振動(dòng)器11，工作臺(tái)10上設(shè)有夾具9。
實(shí)施例(1)使用重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工方法加工時(shí)，被加工硬脆材料不易破碎。振動(dòng)參數(shù)為低頻振動(dòng)頻率F＝20～200Hz，振幅A＝200～300μm；超聲振動(dòng)頻率f＝15000～30000Hz，振幅a＝15～50μm。
(2)工具磨耗比200∶1。
(3)游離磨料粒度180#～280#；金剛石磨料粒度120#～180#。
(4)加工精度0.001～0.003mm。
(5)表面粗糙度RaO.2μm。
(6)加工效率0.5～0.8mm/min。
在重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工過程中，以水為介質(zhì)，將B4C磨料均勻地分散在水中，將低頻振動(dòng)和超聲振動(dòng)同時(shí)施加在電鍍金剛石工具上進(jìn)行高效精密加工。超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、壓電換能器、變幅桿和電鍍金剛石工具組成。超聲波發(fā)生器將220V、50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號(hào)，壓電換能器將超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為縱向超聲波振動(dòng)，變幅桿將壓電換能器的縱向振動(dòng)放大后傳給電鍍金剛石工具。在超聲加工過程中，沿超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)縱向施加一定的壓力。在超聲波的作用下，B4C磨料無數(shù)次對硬脆材料進(jìn)行沖擊，不斷地對硬脆材料進(jìn)行刻蝕加工。
在超聲波加工的同時(shí)，由于引入了低頻振動(dòng)，使得排屑通暢，加工效率進(jìn)一步提高，工件內(nèi)應(yīng)力顯著降低，使工件不易破裂。由于工具端面和側(cè)面鍍有金剛石，既可以保證工具的高耐磨性，又可使金剛石大顆粒固著磨料對硅材料的刻蝕作用大大加強(qiáng)，可大幅度提高超聲加工效率。
由于重疊振動(dòng)是施加在復(fù)合磨料和水介質(zhì)上，不會(huì)使工件破裂。相反，依靠重疊振動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合磨料的沖擊加工，可提高加工效率和工具壽命，避免工件破裂，保證工件的完整性和加工質(zhì)量。
為了避免工作臺(tái)銹蝕，工作臺(tái)宜采用防腐材料。
重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工方法是一種仿形加工方法，重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工工具的形狀與工件異形盲孔的形狀完全一致。通過重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工方法，工具的形狀完全復(fù)映在工件母體上。
權(quán)利要求1.一種重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工裝置，其特征在于，它具有相連接的壓電換能器(2)、第一螺釘(3)、變幅桿(4)、第三螺釘(6)、電鍍金剛石工具(7)，變幅桿(4)通過自身節(jié)點(diǎn)處的法蘭盤、第二螺釘(5)與壓電換能器罩(1)相接，電鍍金剛石工具(7)下方設(shè)有工作臺(tái)(10)和低頻振動(dòng)器(11)，工作臺(tái)(10)上設(shè)有夾具(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的一種重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工裝置，其特征在于，所述低頻振動(dòng)器(11)的低頻振動(dòng)頻率F＝20～200Hz，振幅A＝100～200μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工裝置，其特征在于，所述壓電換能器(2)的頻率f＝15000～30000Hz，振幅a＝15～50μm。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種重疊振動(dòng)復(fù)合磨料加工裝置。在硬脆材科加工過程中同時(shí)沿電鍍金剛石工具軸向施加低頻振動(dòng)和超聲振動(dòng)，使低頻振動(dòng)和超聲振動(dòng)疊加在一起，并且給工具施加一軸向壓力p，以水為介質(zhì)將電鍍金剛石和游離磨料同時(shí)引入加工區(qū)進(jìn)行加工。加工裝置具有相連接的壓電換能器、第一螺釘、變幅桿、第三螺釘、電鍍金剛石工具，變幅桿通過自身節(jié)點(diǎn)處的法蘭盤、第二螺釘與壓電換能器罩相接，電鍍金剛石工具下方設(shè)有工作臺(tái)和低頻振動(dòng)器，工作臺(tái)上設(shè)有夾具。本實(shí)用新型進(jìn)一步減少加工力(只有傳統(tǒng)超聲加工力的1/6～1/8)和工件內(nèi)應(yīng)力；加工精度提高至0.001～0.003mm；工件不會(huì)破碎，完整性好；加工成本低。
文檔編號(hào)B24B1/04GK2875698SQ200620102350
公開日2007年3月7日 申請日期2006年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月4日
發(fā)明者張?jiān)齐?申請人:杭州電子科技大學(xué)