超声波加工盲孔的研究

　　一、引言

　　对玻璃等硬脆性材料加工来说,用传统的铣磨和套制孔的方法只能加工回转对称的圆孔。由于其金刚砂颗粒对工件的磨削划切作用以及工具自身的磨损,加工成型精度很低,表面质量比较粗糙,此方法不适于光学元件的轻量化,也不能加工异型孔。

　　超声波加工的机理是以金刚砂散粒磨料在超声波作用下高频冲击元件表面,使被加工元件的材料不断被敲打而击落下来,从而达到有效地去除,加工的形状完全依赖于超声波加工刀具的形状,因而使非连续表面和异形微小沟槽的加工成为可能,弥补传统铣磨和机械加工所不能达到的领域。同时,超声波加工属于非热、非化学和非电的方法,避免了被加工元件材料的物理和化学性能的变化。在加工过程中仅是磨料颗粒与材料之间的相互作用,去除量很小,避免元件表面应力和表面裂纹的产生,具有高的表面微观质量。以上这些特点使超声波加工在微电子、通讯、模具制造以及光学元件的轻量化等方面得到了广泛的应用。

　　近几年来,随着空间科学技术的迅猛发展,空间光学系统对元件提出了许多新的要求,其中大型光学元件轻量化问题就是急待解决的难题。超声波对光学玻璃材料的加工工艺以及加工后的表面质量的研究在国内仍属空白。因此,本文主要是针对光学元件轻量化的技术要求来开展超声波工艺性能的研究的。

　　二、超声波声学头的结构和工作原理

　　1.超声波声学头的结构

　　超声波加工机一般是由三部分组成的——超声波加工单元、超声波发生器和磁化电源。其中超声波加工单元中的声学头是超声波加工机的核心部件,它决定加工机的性能。图1给出了超声波加工机声学头的结构形式。

　　声学头又可分为反射块、换能器、传振杆、变幅杆和刀具五部分,该声学头的换能器是采用性能可靠稳定的镍制磁致伸缩式结构,它的几何尺寸决定了超声机床在工作时的标称机械共振频率,其一端采用严密的工艺,用钎焊的方法与传振杆连接,另一端有由多孔性物质做成的反射块,用于提高换能器的单向发射能力,传振杆是传递振动和偶合连接过度作用的,变幅杆和刀具设计决定振幅放大的程度以及超声加工的性能。

　　2.超声加工机的工作

　　原理超声加工机是利用超声振动的能量来对玻璃等硬脆性材料进行加工的。当启动超声发生器和磁化电源时,它们供给磁致伸缩式换能器一定的超声频电流及磁化用的直流电流,从而在换能器线圈内产生了同频率的机械振动,振动通过传振杆到变幅杆,经过变幅杆的振幅放大作用,在刀具的端部获得足够大的机械振动相应振幅和频率,激发坚硬而锋利的磨粒,使其产生高速运动,被加工材料受到磨料的敲打而逐渐击落下来,最后获得与刀具截面几何形状相同的元件。