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       作者：Kuruc M., Vopát T., Peterka J.
       摘要：旋转超声波加工（RUM）适用于脆硬材料的加工，如陶瓷、玻璃等。本研究利用RUM方法对聚晶立方氮化硼（PCBN）进行加工并研究其表面粗糙度；表面粗糙度对焊接工艺有重要影响，特别是对粘连能力的影响。实验制备了摩擦搅拌焊（FSW）工艺用的工具，用于机械性能增强型材料的焊接。工具的表面粗糙度如果过大，焊接材料就会粘附在工具上，无法完成焊接。本研究实验表明RUM方法适宜制备FSW工具，其表面粗糙度低至0.24μm。
       关键词：旋转超声波加工,PCBN,表面粗糙度,先进加工方法
1、引言
       聚晶立方氮化硼（PCBN）是一种硬度仅次于金刚石的超硬材料，在1500℃温度和5GPa压力下利用粉末冶金工艺制备而成。PCBN超高的硬度可以省去额外的加工处理，直接制备成最终成形工件。但在一些设备中，仍需要对PCBN进行加工；对此类硬质材料的加工就不能再利用传统加工方法，需要考虑先进加工工艺。不少研究者都将PCBN作为一种切削材料，而将其作为工件材料的研究则比较少；文献中关于对PCBN进行加工的研究也比较少。一些先进的加工方法有：激光束加工（LBM）、金刚石磨削和旋转超声波加工等。本研究则利用旋转超声波对PCBN进行加工。
       摩擦搅拌焊（FSW）工具就可以用到PCBN，FSW工艺利用特殊设计的顶针和肩形突出部构成的工件，通过旋转压入焊接材料界面，如图一所示。在焊接过程中，大部分机械能转化为热量。FSW工艺主要用于低热输入、低残余应力、高机械性能、安全、环保和无填充金属焊接应用。         FSW工艺所用的焊接工具要有足够的韧性，稳定性好且耐磨，耐高温、抗氧化、热导率低；肩形突出部为凹形设计。工具制备因尺寸、形状各有不同：尺寸取决于焊接条厚度，形状取决于焊接材料。焊接工具的材料取决于焊接材料。由高速钢（HSS）制备而成的焊接工具可以用来焊接镁合金和铝合金等材料；但不能用于高强度材料如钛合金和不锈钢材料的焊接，否则工具钢的回火会导致顶针的损坏甚至整个焊接工具都会报废。因此，对于这些先进材料的焊接，PCBN不失为焊接工具材料的首选。实验利用RUM法采用FSW工艺对2mm厚的钢板进行PCBN工具（12mm直径）的焊接加工，并研究RUM是否适用于较低表面粗糙度的FSW工艺。
2、加工方法
       本实验采用旋转超声波加工（RUM），利用金刚石工具绕纵轴旋转并通过垂直方向上的超声频率发生振荡。一些加工系统利用了比超声频率更低的振动设备，但工作效率不如超声波系统。旋转运动和振动作用会引起表面发生微裂纹，但随着冷却液的使用，这些裂纹会随之导走。通过空化效应，冷却液也可以增强这种效果；因此，在工件-工具界面使用适当的冷却液是必要的。这种工艺的优势有：切削力低、产生热量少、工件不受化学反应影响、工具寿命增强、机械表面性能改善。实验利用ULTRASONIC 20线型旋转超声波铣床，可连续五轴加工操作，可用于超声辅助加工。所用超声铣刀直径为24mm，利用CAD软件和NC程序建立一个3D工件模型。
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