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气浮负载匹配的超声微细孔加工影响因素研究

杨林 张晓峰 林彬

杨林,张晓峰,林彬. 气浮负载匹配的超声微细孔加工影响因素研究[J]. 机械科学与技术,2020,39(6):858-864 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190152
引用本文: 杨林,张晓峰,林彬. 气浮负载匹配的超声微细孔加工影响因素研究[J]. 机械科学与技术,2020,39(6):858-864 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190152
Yang Lin, Zhang Xiaofeng, Lin Bin. Research of Influencing Factors in Machining of Ultrasonic Micro-hole via Air Floatation Load-matching[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(6): 858-864. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190152
Citation: Yang Lin, Zhang Xiaofeng, Lin Bin. Research of Influencing Factors in Machining of Ultrasonic Micro-hole via Air Floatation Load-matching[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(6): 858-864. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190152

气浮负载匹配的超声微细孔加工影响因素研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190152
基金项目: 国家自然科学基金青年项目(51205285)与天津市自然科学基金面上项目(17JCYBJC19100)资助
详细信息
    作者简介:

    杨林(1994–),硕士研究生,研究方向为超精密加工工艺及装备,meyanglin@tju.edu.cn

    通讯作者:

    张晓峰,副教授,博士,xijiyu82@163.com

  • 中图分类号: TG663;TH133.35

Research of Influencing Factors in Machining of Ultrasonic Micro-hole via Air Floatation Load-matching

  • 摘要: 为探究加载力、超声功率百分比等因素对硬脆材料的旋转超声微细孔加工质量与效率的影响,采用正交试验设计法设计试验方案,以铁氧体和石英玻璃为工件材料,运用超声加工系统和具有加载力控制功能的气浮负载匹配系统进行旋转超声微细孔加工试验。分析并比较加载力、超声功率百分比、游离磨料等参数对不同材料加工后的微细孔直径和孔深的影响规律。试验结果表明,加载力过大会导致加工效率较低;加工过程中能量输入以声能为主;超声的影响区域略大于刀具本体;过大地游离磨料颗粒不易进入加工区域,过小颗粒无法携带足够能量,所以游离磨料直径过大或过小都会导致加工质量和效率都较低。
  • 图  1  负载匹配系统

    图  2  气浮工作台

    图  3  供气系统

    图  4  控制系统操作界面

    图  5  硬质合金刀具

    图  6  旋转超声加工

    图  7  铁氧体微细孔直径测量

    图  8  石英玻璃微细孔直径测量

    图  9  铁氧体微细孔直径测量

    图  10  因素水平与铁氧体微细孔直径关系

    图  11  因素水平与铁氧体微细孔孔深关系

    图  12  因素水平与石英玻璃微细孔直径关系

    图  13  因素水平与石英玻璃微细孔孔深关系

    表  1  试验方案设计

    试验号水平组合试验条件
    A/NB/μmC/%
    1 A1B1C1 0.5 1 30
    2 A1B2C2 0.5 3 50
    3 A1B3C3 0.5 14 70
    4 A2B1C2 0.7 1 50
    5 A2B2C3 0.7 3 70
    6 A2B3C1 0.7 14 30
    7 A3B1C3 0.9 1 70
    8 A3B2C1 0.9 3 30
    9 A3B3C2 0.9 14 50
    下载: 导出CSV

    表  2  铁氧体微细孔直径

    试验号水平组合试验条件试验结果
    A/NB/μmC/%微细孔直径
    X/mm
    1-1 A1B1C1 0.5 1 30 0.184
    1-2 A1B2C2 0.5 3 50 0.193
    1-3 A1B3C3 0.5 14 70 0.152
    1-4 A2B1C2 0.7 1 50 0.265
    1-5 A2B2C3 0.7 3 70 0.142
    1-6 A2B3C1 0.7 14 30 0.130
    1-7 A3B1C3 0.9 1 70 0.179
    1-8 A3B2C1 0.9 3 30 0.109
    1-9 A3B3C2 0.9 14 50 0.114
    K1 0.529 0.628 0.423
    K2 0.537 0.444 0.572
    K3 0.402 0.396 0.473
    $ \overline{{{K}_{1}}}$ 0.176 0.209 0.141
    $ \overline{ { {K}_{2} } }$ 0.179 0.148 0.191
    $ \overline{{{K}_{3}}}$ 0.134 0.132 0.158
    R 0.045 0.077 0.050
    下载: 导出CSV

    表  3  铁氧体微细孔孔深

    试验号水平组合试验条件试验结果
    A/NB/μmC/%微细孔孔深
    Y/μm
    1-1 A1B1C1 0.5 1 30 102.51
    1-2 A1B2C2 0.5 3 50 102.51
    1-3 A1B3C3 0.5 14 70 94.69
    1-4 A2B1C2 0.7 1 50 46.31
    1-5 A2B2C3 0.7 3 70 57.66
    1-6 A2B3C1 0.7 14 30 72.75
    1-7 A3B1C3 0.9 1 70 37.90
    1-8 A3B2C1 0.9 3 30 30.93
    1-9 A3B3C2 0.9 14 50 40.02
    $ {K_1 '} $ 299.71 186.72 206.19
    $ {K_2 '} $ 176.72 191.10 188.84
    $ {K_3 '} $ 108.85 207.46 190.25
    $ \overline{K_1 '}$ 99.90 62.24 68.73
    $ \overline{K_2 '}$ 58.91 63.70 62.95
    $ \overline{K_3 '}$ 36.28 69.15 63.42
    R' 63.62 6.91 5.78
    下载: 导出CSV

    表  4  石英玻璃微细孔直径

    试验号水平组合试验条件试验结果
    A/NB/μmC/%微细孔直径
    X/mm
    2-1 A1B1C1 0.5 1 30 0.146
    2-2 A1B2C2 0.5 3 50 0.189
    2-3 A1B3C3 0.5 14 70 0.161
    2-4 A2B1C2 0.7 1 50 0.134
    2-5 A2B2C3 0.7 3 70 0.199
    2-6 A2B3C1 0.7 14 30 0.151
    2-7 A3B1C3 0.9 1 70 0.135
    2-8 A3B2C1 0.9 3 30 0.093
    2-9 A3B3C2 0.9 14 50 0.098
    K1 0.496 0.415 0.390
    K2 0.484 0.481 0.421
    K3 0.326 0.41 0.495
    $ \overline{{{K}_{1}}}$ 0.165 0.138 0.130
    $ \overline{{{K}_{2}}}$ 0.161 0.160 0.140
    $ \overline{{{K}_{3}}}$ 0.109 0.137 0.165
    R 0.057 0.024 0.035
    下载: 导出CSV

    表  5  石英玻璃微细孔孔深

    试验号水平组合试验条件试验结果
    A/NB/μmC/%微细孔孔深
    Y/μm
    2-1 A1B1C1 0.5 1 30 9.85
    2-2 A1B2C2 0.5 3 50 17.19
    2-3 A1B3C3 0.5 14 70 18.24
    2-4 A2B1C2 0.7 1 50 13.80
    2-5 A2B2C3 0.7 3 70 22.09
    2-6 A2B3C1 0.7 14 30 10.45
    2-7 A3B1C3 0.9 1 70 13.77
    2-8 A3B2C1 0.9 3 30 16.70
    2-9 A3B3C2 0.9 14 50 12.21
    $ {K_1 '} $ 45.29 37.43 37.00
    $ {K_2 '} $ 46.34 55.98 43.20
    $ {K_3 '} $ 42.68 40.90 54.10
    $ \overline{K_1 '}$ 15.10 12.48 12.33
    $ \overline{K_2 '}$ 15.45 18.66 14.40
    $ \overline{K_3 '}$ 14.22 13.63 18.03
    R' 1.22 6.18 5.70
    下载: 导出CSV

    表  6  试验结果分析

    材料衡量指标最优结果平均值最优方案
    加载力/N游离磨料直径/μm超声功率百分比/%
    铁氧体孔径0.109 mm0.163 mm0.9330
    孔深102.51 μm65.03 μm0.51或330或50
    石英玻璃孔径0.093 mm0.128 mm0.9330
    孔深22.09 μm14.92 μm0.7370
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2019-02-23
  • 刊出日期:  2020-06-05

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