[发明专利]热成形超声加工工具及方法

说明书

技术领域

本文描述的实施方式涉及加工领域，且更具体地说，涉及表面的 微加工。

背景技术

已经开发了许多非传统的加工工艺来提供制备复杂工件的可选方 法。这些工艺通常用于加工铸件、锻造部件、复合部件和陶瓷部件， 并且用作工件上的精加工步骤，在工件中，已经使用了更常规的技术 进行了粗加工。

一种这样的技术是放电加工(EDM)。EDM允许通过工具和工件 表面之间的电火花电弧放电的能量来从工件去除金属。在使用过程中， 工具和工件都被浸入电介质流体中，例如油中。快速电脉冲随后被传 递给工具，从而在工具和工件之间进出火花或电弧。每一个火花产生 的热使工件上的少量金属熔化，从而将其从工件去除。当金属被如此 去除时，通过电介质流体的循环来冷却并冲掉金属。

EDM通常能用于在工件中形成复杂且精细的形状。但是，EDM受 到许多限制。首先，工件必须是导电的，以便接通在工件和工具之间 产生火花所需要的电路。因而，EDM不适合用于由诸如大部分陶瓷或 聚合物等的许多材料制成的工件。其次，使用EDM难以对工件表面实 现期望的最终精加工，且受到EDM的表面一般具有“橘皮”或“喷砂” 的外观。例如，可能希望具有粗至0.8μm均方根(RMS)的最终表面光 洁度，或者具有约0.02μm RMS的较光滑的镜面光洁度。EDM一般产生 最好0.8μm至3.2μm RMS之间的表面光洁度。因此，尽管EDM对于提供 较粗的光洁度是有用的，但是其通常不适合于提供高度抛光的工件。

趋向于提供较光滑的光洁度的另一非传统加工工艺是超声抛光， 也称为超声冲击磨光。超声抛光通常涉及去除一薄层材料(例如，达 50μm厚或更少)，以将工件精加工到期望尺寸。抛光涉及一般地通过 选择性地去除不想要的不太细的细节(例如，工件表面上存在的长波 幅波形特征的顶部)和不想要的细节或表面粗糙度(例如，工件表面 上存在的短波幅波形特征的顶部)，而同时保留想要的表面特征完好 无损，从而去除工件表面上的波痕。

工件的抛光通过快速且有力的搅动悬浮在位于工件表面和工具的 表面之间的浆料中的细研磨颗粒来实现。为了搅动浆料中的研磨颗粒， 在操作过程中，工具以一般在15,000Hz和40,000Hz之间的频率下振动， 但是可以根据特定应用的需要采用更高或更低的频率。

能使用各种技术来实现工具的振动。一种方法是使用磁阻致动器， 其中磁场循环地施加于铁磁芯。磁场的应用引起称为磁阻的效应，从 而磁芯长度响应于磁场强度的波动而略微改变。实现振动的另一方法 使用了压电式换能器，如本领域已知的，该压电式换能器响应于所施 加的电场而振荡。随后，换能器一般连接到喇叭状物或聚能器，而喇 叭状物或聚能器的工作端具有工具。喇叭状物相对于致动器或换能器 的振荡增加工具振荡的振幅。喇叭状物一般具有大致截头锥形状，且 工具连接到较窄的工作端，而致动器或换能器固定在较宽或较大的一 端。

在操作过程中，磁阻致动器引起工具在大致平行于喇叭状物的纵 轴线的方向上振荡，该方向一般与工件的表面垂直。在任何单次循环 中，工具通过平均位置P2(在此位置，工具最快速地移动)从离工件 表面最远的最上部位置P1(在此位置，工具处于静止)移动到离工件 表面最近的最下部位置P3(在此位置，工具再次处于静止)。随着循 环继续，工具通过平均位置P2移回到最上部位置P1，等等。在某些实 施方式中，且根据具体的超声抛光设备的构造，工具从P1到P3的振荡 幅度在13μm和62μm之间，但是根据具体应用的需要可以采用更高或更 低的幅度。

工具的表面、工件和研磨浆料之间的相互作用取决于循环过程中 浆料中的研磨颗粒之间的尺寸关系以及工件和工具的表面之间的距 离。当研磨颗粒的尺寸制定成使得它们大到足以在平均位置P2处被工 具接触时，磨料趋向于在工具以其最高的速度移动时受到冲击。因而， 较大量的动量一般被传递到研磨颗粒。但是，在研磨颗粒尺寸较小时， 它们将在工具较靠近工件表面(在P2和P3之间)且因而以较低速度移 动时受到冲击。所以，较小的研磨颗粒将一般从工具接收较少量的动 量。类似地，当研磨颗粒尺寸较大时，它们往往在工具达到其最高速 度(在P1和P2之间)之前被工具冲击。因此，对于任何特定的工具和 工件组合，基于工件和工具之间的间隙，一般存在起作用的研磨颗粒 尺寸(或粒度尺寸)的有效范围。