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1 引言

许多工件在切削加工后,会产生局部或部分毛刺,如果不把毛刺去除掉,将产生多方面的影响,例如对于精密液压件、气压件等将产生堵塞管路,甚至造成严重后果;对于精密模具型腔、深孔中的毛刺,将对工件的使用性能产生严重影响。为了解决毛刺的问题,逐渐形成了一种新的学科——去毛刺工程(Burr Engineering),并正在迅速发展。目前,国内外去除毛刺普遍采用的方法有高压水流或气流去除毛刺、基于磨料的机械去除毛刺方法和电化学方法去除毛刺。本研究提出一种利用功率超声工具,采用一定的结构,高效率去除毛刺的新方法。

2 功率超声波去除毛刺的工作原理 2.1 工作原理

功率超声加工是一种利用超声能量进行加工的高新技术,该方法是由超声波发生器、换能器、变幅杆和超硬磨料工具所组成。超声波发生器通电后,将50Hz的交流电转化为超声频的电振荡,换能器将超声频的电振荡转化为超声频的机械振动,由于该机械振动的振幅较小,仅有4µm左右,不能直接用于机械加工,而要通过变幅杆将该振幅放大,并将振动传给振动传递杆,并带动其上的超硬磨料产生纵向振动,实现在超硬磨料上附加了超声振动的工具系统,由于节点(理论上为一条线圆周线)处振幅为零,通过节点将整个振动系统固定在外壳上(见右图)。

超声波去毛刺装置各部分作用和工作参数为:

超声波发生器:是整个系统的动力源,其作用是将220V、50Hz的交流电转换为18kHz~21kHz的超声频电振荡,带有频率显示窗口。

换能器:是能量转换装置,其作用是将超声波发生器输出的超声频电震荡转换为超声频的机械振动。本系统采用压电陶瓷制成的纵向振动换能器,其特点是体积小、重量轻、不需要水冷、能量利用率高。

变幅杆:由于换能器输出的机械振动振幅很小,只有4µm 左右,不能直接用于加工,需要有变幅杆对机械振动位移振幅进行放大。作为机械阻抗的变换器,在换能器和声负载之间进行阻抗匹配,通过截面面积的变化,引起超声波在传递过程中能量密度的变化,达到对振动振幅放大的目的,放大后的振幅约为12µm。

超硬磨料工具系统:该系统是由振动传递杆和金刚石或立方氮化硼磨料组成,它是声阻抗的主要负载,并最终综合形成整个声振系统的匹配频率,其尺寸由要去除毛刺部位的零件形状结构及振动参数综合决定。

2.2 设备结构

功率超声加工的关键技术是超声能量的传输与利用,在振动能量的传递过程中,由于传递环节多,能量易损失,需要计算并通过实验研究以确定最佳结构 和工艺参数,确保在此传递过程中的能量损失为最低,使得用于工作的超硬磨料工具头上振幅最大。该设备采用钛合金超短型变幅杆,使得长度尺寸较短,在变幅杆的节点处用厚度为5mm的圆环将其固定于圆形外壳内。由于采用压电陶瓷作为换能器,不需要用水冷却,换能器的输入端通过电缆线与手提式超声波发生器相连接。为了减少超声能量在传递过程中的损失,振动传递杆与变幅杆和超硬磨料的连接处要增大刚性,以减少发热等造成的能量损失。

3 试验结果 3.1 振动系统的试验

通过改变工具系统的结构,寻求最佳的结构参数,使得振动效果最好。采用250W手提式超声波发生器,换能器及变幅杆的设计频率为18.9kHz,以调质45钢作为振动传递杆,进行振动实验。我们通常采用两种方法测评超声振动的效果,一种是用电子管毫伏表通过测量电压比较振动效果,另一种简单实用的方法是通过水珠雾化效果测评振动情况。试验结果见右表。

3.2 工艺试验

工件材料为38CrMn,渗氮淬火硬度大于80HRA,磨料采用金刚石,粒度为W28,采用树脂结合剂,浓度为75%,外径为5mm。针对工件型腔表面尖点、截面突变等不同部位的毛刺,都可取得良好的去处效果。

4 结语

本项研究的应用是针对复杂模具型腔表面、深孔表面等目前去除毛刺方法较难实现的部位,采用超硬磨料(金刚石、立方氮化硼等)工具系统,在该工具系统上施加超声频的机械振动(振幅为15µm、振动频率为20kHz),利用超声振动能量将毛刺高效率地去除。对于高强度、复杂型腔零件材料的毛刺,采用微粉级超硬磨料毛刺去除的效率达100%、去除后的表面粗糙度Ra小于0.4µm。针对形状、结构不同的零件,可以方便地更换超硬磨料工具系统而将毛刺去除。

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