基于阻抗控制的硬脆材料阵列微小孔超声加工研究

【作者】 缪兴华； 王忠进； 王俊； 汪炜；

【机构】 南京航空航天大学机电学院；

【摘要】 由于硬脆性材料的高硬度和脆性,传统的机械加工方法难以获得理想的微细孔。近年来,激光加工、电加工、超声加工等广泛应用于硬脆性材料的加工,而超声加工因其独特的优势在加工硬脆材料方面获得了越来越广泛的应用。超声加工是非接触加工,加工性能不依赖于材料的导电性,加工过程中产生的切削热也很小,是玻璃、工程陶瓷、半导体硅、石英晶体等硬脆性材料最有效的加工方法。本研究中使用的换能器为夹心式压电换能器,其压电振子工作在伸缩振动模式,为单一振动模式,基于力电类比得出超声加工系统的等效阻抗。超声加工间隙是表征加工过程的重要参数,其状态直接影响加工状态和加工表面质量。因此,实时检测加工间隙不仅可以反映工具头与工件之间的相互作用,还可控制加工的状态。但是超声加工间隙直接检测难度很大,课题组通过开展实验,发现了超声磨削加工时,加工间隙大小与系统平均等效阻抗之间的关系,即:当加工间隙等于工具端面的空载振幅时,工具开始受到负载,系统的平均等效阻抗开始增大;当加工间隙小于工具端面的空载振幅时,随着电源输出电流增大、加工间隙减小,平均等效阻抗逐渐增大;超声加工系统的平均等效阻抗与加工间隙成负相关关系。基于阻抗控制的超声加工装置包括XY进给装置、底座、工作槽、加工工件、超声振动系统、Z轴伺服进给系统、主轴立柱、超声波发生器和冷却循环系统。在加工过程中,超声波发生器采集超声换能器两端电流和电压,实时计算超声加工系统的平均等效阻抗,并与阻抗设定阈值比较,根据二者的差值控制工具的进给状态,从而控制加工间隙的大小;进一步地,根据实时平均等效阻抗与预设阻抗阈值比较的差值,控制工具的进给速度。基于阻抗控制的超声加工系统的检测信号来自于超声换能器两端的电流和电压,不需要测力仪器,机床结构更加简单;由于检测的信号是电信号,响应速度可以满足超声加工的需要;检测的信号与工件的自重无关,可适用于极端尺寸工件的加工。试验结果表明,基于阻抗的超声加工控制策略是可行的。工艺试验结果表明,工件材料不同,阻抗阈值初值设定也不同,这也意味着需要进行大量的工艺试验,确定不同材料加工时的阻抗阈值初值。从工艺试验的结果来看,超声孔加工时,阻抗阈值与加工孔深有密切关系,即在加工过程中需根据加工孔的深度适时调整阻抗阈值的大小,才能保证加工过程的稳定。更多还原