超聲振動輔助微細磨料水射流切割技術研究.pdf

1、微細磨料水射流加工是一種新型特種加工技術，具有一定的應用前景，但是存在加工能力不足的問題。本研究提出引入超聲振動作為另外一個動力源，來輔助微細磨料水射流的沖蝕加工。本文主要研究了超聲振動輔助微細磨料水射流的沖蝕機理，分析了超聲振動條件下各實驗參數(shù)對被加工材料的材料去除率及切割深度、切割寬度的影響，并研制了超聲振動動力工作臺。
　　研究了超聲振動輔助微細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，各沖

2、蝕參數(shù)對材料去除率的影響規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)，超聲振動的引入可以提高微細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，對于靶距和超聲振動功率則是存在一個最佳值。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、超聲振動功率和靶距。
　　研究了超聲振動對微細磨料水射流沖蝕單晶及多晶硬脆材料

3、影響的對比實驗。結果表明，在超聲振動條件下，三種硬脆材料的材料去除率均要高于無振動時的材料去除率。對超聲振動條件下的沖蝕機理進行分析，材料的去除方式均是由于表面/亞表面裂紋的擴展、聯(lián)結形成網(wǎng)狀裂紋，導致材料以微小顆粒的形式從靶材母體上剝落，裂紋的長度較小，但是密度較大。超聲振動可以使材料的硬度和斷裂韌度具有動態(tài)特性，并通過波之間的干涉、對壓力釋放效應的促進作用、對微細磨料水射流氣蝕的促進作用及對滯止層的削弱作用來實現(xiàn)材料去除率的提高。另

4、外對于多晶硬脆材料，超聲振動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驗，分別建立了三種材料基于最大材料去除率的超聲振動輔助微細磨料水射流沖蝕工藝數(shù)學模型。
　　分析了超聲振動動力工作臺各部件在選型時應注意的問題及設計方法。重點分析了超聲變幅桿的設計過程，經過仔細分析，選用指數(shù)形過渡段階梯形復合超聲變幅桿，并根據(jù)其波動方程分別計算

5、了指數(shù)形過渡段階梯形復合超聲變幅桿的形狀因數(shù)、放大系數(shù)、諧振長度及各段桿的長度。然后對設計的指數(shù)形過渡段階梯超聲變幅桿進行了ANSYS模態(tài)分析及諧響應分析。用傳輸矩陣法設計了多段式復合超聲變幅桿。通過對比發(fā)現(xiàn)，多段式復合超聲變幅桿更符合實際加工的需求。被加工工件是大小約為5×5mm的晶片或基板，常規(guī)的夾持方式很難實現(xiàn)工件在振動條件下的固定，因此設計了超聲變幅桿的負壓夾持機構。所設計工作臺試制成功，各項指標基本達到設計要求。
　　研

6、究了超聲振動輔助微細磨料水射流切割單晶硅材料時，各工藝參數(shù)對單晶硅切割深度及切口寬度的影響規(guī)律。結果表明，磨料平均粒徑較大、切割速度較小、射流壓力較大、超聲振動功率取最佳值時，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，切割深度存在一個最佳值，切口寬度增大。
　　分析了超聲振動輔助微細磨料水射流切割氧化鋁陶瓷的正交實驗，結果表明，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、超聲振動功