专利名称：重叠振动复合磨料加工方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于磨削加工方法，尤其涉及一种重叠振动复合磨料加工方法及装置。
背景技术：
随着科学技术和工业生产的飞速发展，以陶瓷、硬质合金、钕铁硼、硅、锗、铁氧体、氧化锆、微晶玻璃、淬火钢、镀铬层等为代表的硬脆材料呈出不穷，应用领域越来越广泛。传统加工方法一直存在着加工效率低、工件易破碎、能耗大、加工质量差、许多设计要求无法实现等重大问题，长期困挠和影响着工厂的生产。工厂迫切地需要解决硬脆材料的高效精密加工难题。
1.硅镜异形盲孔精密加工随着科学技术和工业生产的飞速发展，以陶瓷、硬质合金、钕铁硼、硅、锗、铁氧体、氧化锆、微晶玻璃、淬火钢、镀铬层等为代表的硬脆材料呈出不穷，应用领域越来越广泛。传统加工方法一直存在着加工效率低、工件易破碎、能耗大、加工质量差、许多设计要求无法实现等重大问题，长期困挠和影响着工厂的生产。工厂迫切地需要解决硬脆材料的高效精密加工难题。
例如，随着空间科学技术的不断发展，为了满足航空航天器、天文观测对观测分辨力和成像质量越来越高的要求，需要采用更长焦距、更大口径的光学系统，而口径增大是光学仪器体积增大和重量增加的主要因素，系统的惯量也随之增加，给整个系统的工作带来了极为不利的影响。由于光学系统是空间遥感的重要有效载荷，其质量的大小直接决定了发射成本和工作性能的高低，因此必须在保证动、静态刚度和强度的前提下对空间光学系统结构进行最大程度的轻量化。其中硅镜的轻量化是整个系统轻量化最基本最重要的环节。
硅镜外径尺寸通常在Φ150～Φ2000mm之间，厚度为8～100mm，硅镜毛坯呈实心圆板状。为了降低硅镜重量，需要在硅镜上制造出大量异形盲孔，且筋越薄越好。硅镜形状各异、大小不一。例如，某种硅镜外径Φ300mm、厚25mm。为了降低硅镜重量和谐振频率，需要在硅镜一侧加工几十个异形盲孔，其深度均为20mm，可去除70.1％的重量。硅镜具有耐强光、轻质、电气性能好、机械性能优良等特点。要求加工精度高、光洁度好，加强筋无裂纹、不破碎，壁厚均为1.5mm，且一致性要好。
单晶硅具有优良的机械、物理性质，其机械品质因数可高达106数量级，滞后和蠕变极小，几乎为零，机械稳定性好。
硅材料的质量轻，密度约为不锈钢的1/3，而弯曲强度却为不锈钢的3.5倍，它具有高的强度密度比和高的刚度密度比。单晶硅的机械物理性能见表1。
表1 单晶硅的机械物理性能 单晶硅作为硅镜、超大规模集成电路主要基片材料，现代高技术产业领域对单晶硅等材料的加工精度和表面质量要求愈来愈高。单晶硅抛光片的正面要求无划道、无蚀坑、无区域沾污、无崩边、无裂缝、无凹坑、无沟、无小丘、无刀痕等。按美国微电子技术协会(SIA)提出的技术要求，要求在25×40mm2区域内的表面平整度小于0.07μm，表面粗糙度要求达到纳米级，表面不能产生损伤和应力集中。单晶硅的加工效率、表面划痕损伤和破裂已经成为生产加工中的突出问题，多达20～50％的单晶硅在抛光过程中需要进行适量返修，其主要原因是当表面粗糙度和波纹度达到纳米量级时，任何一个微小硬质颗粒都可能对单晶硅工件表面造成损伤，从而导致大量工件的返修甚至报废。
单晶硅是一种典型的硬脆材料。硅镜需要在其端面加工直线三角形、方孔、椭圆孔、曲线三角形等异形盲孔，并要求实现单晶硅异形盲孔无损伤、无崩边、无裂缝、无凹坑、超平滑的超精密加工。
硬脆材料异形盲孔超声加工时，必须使用和加工零件异形盲孔形状、尺寸完全一致的异形工具，并连续加注水和磨料的均匀混合物进行冲击成型加工。异形盲孔形状各异、方位分布不一致。
2.淬硬缸体精密加工与超精密加工目前，全世界有内燃机10亿台左右，内燃机缸体、缸套工作表面微结构激光成型与激光淬火是发展趋势，但激光淬火后硬度很高，变形较大，很难进行精密加工与超精密加工。
3.ZrO光纤联接器精密加工随着光纤技术的发展和广泛应用，ZrO光纤联接器需求量数以亿计，但ZrO光纤联接器要求极高(尺寸精度0.001～0.003mm)，且属于典型的硬脆材料。
传统的超声加工方法虽能进行硬脆材料加工，但有下述缺陷(1)工具寿命短；(2)加工精度较低，只有0.05～0.08mm。
(3)工具施加在工件上的力较大，导致工件在加工过程中内应力增大，容易出现异常破裂。
(4)工件筋的厚度要增大至4～5mm，无法达到工件最大轻量化的要求；(5)加工效率低。
(6)加工成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种重叠振动复合磨料加工方法及装置。
重叠振动复合磨料加工方法在硬脆材科加工过程中同时沿电镀金刚石工具轴向施加低频振动和超声振动，使低频振动和超声振动叠加在一起，并且给工具施加一轴向压力p，以水为介质将电镀金刚石和游离磨料同时引入加工区进行加工。
所述的低频振动频率F＝20～200Hz，振幅A＝100～200μm。超声振动频率f＝15000～30000Hz，振幅a＝15～50μm。
重叠振动复合磨料加工装置具有相连接的压电换能器、第一螺钉、变幅杆、第三螺钉、电镀金刚石工具，变幅杆通过自身节点处的法兰盘、第二螺钉与压电换能器罩相接，电镀金刚石工具下方设有工作台和低频振动器，工作台上设有夹具。
所述低频振动器的低频振动频率F＝20～200Hz，振幅A＝100～200μm。
压电换能器的超声振动频率f＝15000～30000Hz，振幅a＝15～50μm。
本发明具有下述优点1)进一步减少加工力(只有传统超声加工力的1/6～1/8)和工件内应力；2)排屑通畅；3)工具中心内设通孔，便于水和游离磨料加注；4)使用超声电镀方法将工具端面和侧面电镀分布均匀、结合力高的高强度金刚石；将电镀金刚石和B4C游离磨料(以水为介质)复合在一起，用于重叠振动加工中，既有金刚石大颗粒(60#～80#)固着磨料的超声加工作用，又有B4C游离磨料的冲击加工作用(水为介质)，使得超声加工效率提高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)工件不会破碎，完整性好；7)由9个异形工具组合成一体的复合型电镀金刚石工具和回转工作台及控制系统可保证工件具有不同方位的异形盲孔的尺寸精度、形状精度和位置精度。
8)加工成本低；9)使用力传感器构成数控恒力进给系统，采用优化方法确定最佳压力，有效的保证声学系统在长期工作中合理匹配声阻抗和谐振频率，保证在工件异形盲孔加工长时间加工过程中不会使工件破碎。
图1是重叠振动复合磨料加工方法示意图；图2是重叠振动复合磨料加工装置结构示意图；图中压电换能器罩1、压电换能器2、第一螺钉3、变幅杆4、第二螺钉5、第三螺钉6、电镀金刚石工具7、工件8、夹具9、工作台10、低频振动器11。
具体实施例方式
重叠振动复合磨料加工方法的超声参数为频率f＝15000～30000Hz，工具振幅a＝15～50μm，功率900～1600W；低频振动参数为频率F＝20～200Hz，工具振幅A＝200～300μm，功率1200W。在研究加工负载对超声加工声学系统阻抗和谐振频率的影响的基础上，研究压电换能器与超声波发生器的阻抗匹配技术。根据工件的对称性，开发由9个异形工具组成一体的复合型工具，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，通过转动回转工作台，再依次进行工件加工。
重叠振动复合磨料加工装置具有相连接的压电换能器2、第一螺钉3、变幅杆4、第三螺钉6、电镀金刚石工具7，变幅杆4通过自身节点处的法兰盘、第二螺钉5与压电换能器罩1相接，电镀金刚石工具7下方设有工作台10和低频振动器11，工作台10上设有夹具9。
实施例(1)使用重叠振动复合磨料加工方法加工时，被加工硬脆材料不易破碎。振动参数为低频振动频率F＝20～200Hz，振幅A＝200～300μm；超声振动频率f＝15000～30000Hz，振幅a＝15～50μm。
(2)工具磨耗比200∶1。
(3)游离磨料粒度180#～280#；金刚石磨料粒度120#～180#。
(4)加工精度0.001～0.003mm。
(5)表面粗糙度Ra0.2μm。
(6)加工效率0.5～0.8mm/min。
在重叠振动复合磨料加工过程中，以水为介质，将B4C磨料均匀地分散在水中，将低频振动和超声振动同时施加在电镀金刚石工具上进行高效精密加工。超声加工声学系统由超声波发生器、压电换能器、变幅杆和电镀金刚石工具组成。超声波发生器将220V、50Hz的交流电转换成超声频电振荡信号，压电换能器将超声频电振荡信号转换为纵向超声波振动，变幅杆将压电换能器的纵向振动放大后传给电镀金刚石工具。在超声加工过程中，沿超声加工声学系统纵向施加一定的压力。在超声波的作用下，B4C磨料无数次对硬脆材料进行冲击，不断地对硬脆材料进行刻蚀加工。
在超声波加工的同时，由于引入了低频振动，使得排屑通畅，加工效率进一步提高，工件内应力显著降低，使工件不易破裂。由于工具端面和侧面镀有金刚石，既可以保证工具的高耐磨性，又可使金刚石大颗粒固着磨料对硅材料的刻蚀作用大大加强，可大幅度提高超声加工效率。
由于重叠振动是施加在复合磨料和水介质上，不会使工件破裂。相反，依靠重叠振动实现复合磨料的冲击加工，可提高加工效率和工具寿命，避免工件破裂，保证工件的完整性和加工质量。
为了避免工作台锈蚀，工作台宜采用防腐材料。
重叠振动复合磨料加工方法是一种仿形加工方法，重叠振动复合磨料加工工具的形状与工件异形盲孔的形状完全一致。通过重叠振动复合磨料加工方法，工具的形状完全复映在工件母体上。
权利要求
1.一种重叠振动复合磨料加工方法，其特征在于，在硬脆材科加工过程中同时沿电镀金刚石工具轴向施加低频振动和超声振动，使低频振动和超声振动叠加在一起，并且给工具施加一轴向压力p，以水为介质将电镀金刚石和游离磨料同时引入加工区进行加工。
2.根据权利要求1所述的一种重叠振动复合磨料加工方法，其特征在于，所述的低频振动频率F＝20～200Hz，振幅A＝100～200μm。
3.根据权利要求1所述的一种重叠振动复合磨料加工方法，其特征在于，所述的超声振动频率f＝15000～30000Hz，振幅a＝15～50μm。
4.一种重叠振动复合磨料加工装置，其特征在于，它具有相连接的压电换能器(2)、第一螺钉(3)、变幅杆(4)、第三螺钉(6)、电镀金刚石工具(7)，变幅杆(4)通过自身节点处的法兰盘、第二螺钉(5)与压电换能器罩(1)相接，电镀金刚石工具(7)下方设有工作台(10)和低频振动器(11)，工作台(10)上设有夹具(9)。
5.根据权利要求4所述的一种重叠振动复合磨料加工装置，其特征在于，所述低频振动器(11)的低频振动频率F＝20～200Hz，振幅A＝100～200μm。
6.根据权利要求4所述的一种重叠振动复合磨料加工装置，其特征在于，所述压电换能器(2)的频率f＝15000～30000Hz，振幅a＝15～50μm。
全文摘要
本发明公开了一种重叠振动复合磨料加工方法及装置。加工方法在硬脆材科加工过程中同时沿电镀金刚石工具轴向施加低频振动和超声振动，使低频振动和超声振动叠加在一起，并且给工具施加一轴向压力p，以水为介质将电镀金刚石和游离磨料同时引入加工区进行加工。加工装置具有相连接的压电换能器、第一螺钉、变幅杆、第三螺钉、电镀金刚石工具，变幅杆通过自身节点处的法兰盘、第二螺钉与压电换能器罩相接，电镀金刚石工具下方设有工作台和低频振动器，工作台上设有夹具。本发明进一步减少加工力(只有传统超声加工力的1/6～1/8)和工件内应力；加工精度提高至0.001～0.003mm；工件不会破碎，完整性好；加工成本低。
文档编号B24B1/04GK1843692SQ200610050188
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月4日 优先权日2006年4月4日
发明者张云电 申请人:杭州电子科技大学