超聲振動(dòng)輔助微細(xì)磨料水射流切割技術(shù)研究.pdf

1、微細(xì)磨料水射流加工是一種新型特種加工技術(shù)，具有一定的應(yīng)用前景，但是存在加工能力不足的問(wèn)題。本研究提出引入超聲振動(dòng)作為另外一個(gè)動(dòng)力源，來(lái)輔助微細(xì)磨料水射流的沖蝕加工。本文主要研究了超聲振動(dòng)輔助微細(xì)磨料水射流的沖蝕機(jī)理，分析了超聲振動(dòng)條件下各實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)被加工材料的材料去除率及切割深度、切割寬度的影響，并研制了超聲振動(dòng)動(dòng)力工作臺(tái)。
　　研究了超聲振動(dòng)輔助微細(xì)磨料水射流沖蝕單晶硅（單晶硬脆材料）、氧化鋁和氮化鋁陶瓷（多晶硬脆材料）時(shí)，各沖

2、蝕參數(shù)對(duì)材料去除率的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)的引入可以提高微細(xì)磨料水射流沖蝕單晶硬脆材料及多晶硬脆材料的去除率。三種硬脆材料的去除率大致是隨著磨料平均粒徑、沖蝕角度、射流壓力還有磨料流量的增加而增加的，對(duì)于靶距和超聲振動(dòng)功率則是存在一個(gè)最佳值。在相同條件下，各沖蝕參數(shù)影響材料去除率的顯著程度從高到低依次為:磨料平均粒徑、磨料流量、射流壓力、沖蝕角度、超聲振動(dòng)功率和靶距。
　　研究了超聲振動(dòng)對(duì)微細(xì)磨料水射流沖蝕單晶及多晶硬脆材料

3、影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在超聲振動(dòng)條件下，三種硬脆材料的材料去除率均要高于無(wú)振動(dòng)時(shí)的材料去除率。對(duì)超聲振動(dòng)條件下的沖蝕機(jī)理進(jìn)行分析，材料的去除方式均是由于表面/亞表面裂紋的擴(kuò)展、聯(lián)結(jié)形成網(wǎng)狀裂紋，導(dǎo)致材料以微小顆粒的形式從靶材母體上剝落，裂紋的長(zhǎng)度較小，但是密度較大。超聲振動(dòng)可以使材料的硬度和斷裂韌度具有動(dòng)態(tài)特性，并通過(guò)波之間的干涉、對(duì)壓力釋放效應(yīng)的促進(jìn)作用、對(duì)微細(xì)磨料水射流氣蝕的促進(jìn)作用及對(duì)滯止層的削弱作用來(lái)實(shí)現(xiàn)材料去除率的提高。另

4、外對(duì)于多晶硬脆材料，超聲振動(dòng)可以促使材料以晶間斷裂的方式去除，材料主要以單晶粒呈顆粒狀或以單層晶粒成片狀剝落，從而提高了材料去除率。深入分析了單晶硅、氮化鋁和氧化鋁的正交實(shí)驗(yàn)，分別建立了三種材料基于最大材料去除率的超聲振動(dòng)輔助微細(xì)磨料水射流沖蝕工藝數(shù)學(xué)模型。
　　分析了超聲振動(dòng)動(dòng)力工作臺(tái)各部件在選型時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題及設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)分析了超聲變幅桿的設(shè)計(jì)過(guò)程，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，選用指數(shù)形過(guò)渡段階梯形復(fù)合超聲變幅桿，并根據(jù)其波動(dòng)方程分別計(jì)算

5、了指數(shù)形過(guò)渡段階梯形復(fù)合超聲變幅桿的形狀因數(shù)、放大系數(shù)、諧振長(zhǎng)度及各段桿的長(zhǎng)度。然后對(duì)設(shè)計(jì)的指數(shù)形過(guò)渡段階梯超聲變幅桿進(jìn)行了ANSYS模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析。用傳輸矩陣法設(shè)計(jì)了多段式復(fù)合超聲變幅桿。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，多段式復(fù)合超聲變幅桿更符合實(shí)際加工的需求。被加工工件是大小約為5×5mm的晶片或基板，常規(guī)的夾持方式很難實(shí)現(xiàn)工件在振動(dòng)條件下的固定，因此設(shè)計(jì)了超聲變幅桿的負(fù)壓夾持機(jī)構(gòu)。所設(shè)計(jì)工作臺(tái)試制成功，各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
　　研

6、究了超聲振動(dòng)輔助微細(xì)磨料水射流切割單晶硅材料時(shí)，各工藝參數(shù)對(duì)單晶硅切割深度及切口寬度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，磨料平均粒徑較大、切割速度較小、射流壓力較大、超聲振動(dòng)功率取最佳值時(shí)，得到的切割深度和切口寬度較大。靶距的影響主要表現(xiàn)為，隨著靶距增大，切割深度存在一個(gè)最佳值，切口寬度增大。
　　分析了超聲振動(dòng)輔助微細(xì)磨料水射流切割氧化鋁陶瓷的正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，各工藝參數(shù)的顯著程度從大到小依次為:磨料平均粒徑、切割速度、射流壓力、超聲振動(dòng)功