超聲加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、超聲加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢前言： 超聲波加工是利用超聲振動工具在有磨料的液體介質(zhì)中 或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作 用來去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行振 動加工，或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法。超聲波加工 技術(shù)是一種涉及面廣且更新快的機械加工技術(shù)。結(jié)合近年來超聲加 工技術(shù)的發(fā)展狀況，綜述了超聲振動系統(tǒng)的研究進展和超聲加工技 術(shù)在深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、難加工材料的加 工、超聲振動切削、超聲復(fù)合加工等方面的最新應(yīng)用，并闡述了超聲加工技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞超聲波加工、超聲振動、聲復(fù)合加工、應(yīng)用、發(fā)展、正文:1、超聲振動系統(tǒng)的

2、研究進展及其應(yīng)用超聲振動系統(tǒng)由換能器、變幅桿和工具頭等部分組成，是超聲設(shè)備的核心部分。在傳統(tǒng)應(yīng)用中，超聲振動系統(tǒng)大都采用一維縱向振動方式，并按“全調(diào)諧”方式工作。但近年來，隨著超聲技術(shù)基礎(chǔ)研究的進展和在不同領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的特殊需要，對振動系統(tǒng)的工作方 式和設(shè)計計算、振動方式及其應(yīng)用研究都取得了新的進展。日本研究成功一種半波長彎曲振動系統(tǒng)，其切削刀具安裝在半波長 換能振動系統(tǒng)細端，該振動系統(tǒng)換能器的壓電陶瓷片采用半圓形， 上下各兩片，組成上下兩個半圓形壓電換能器 （ 壓電振子 ） ，其特點 是小型化，結(jié)構(gòu)簡單，剛性增強。日本還研制成一種新型“縱- 彎” 型振動系統(tǒng)，并已在手持式超聲復(fù)合振動研磨機上

3、成功應(yīng)用。該系 統(tǒng)壓電換能器也采用半圓形壓電陶瓷片產(chǎn)生“縱 - 彎”型復(fù)合振動。 日本金澤工業(yè)學院的研究人員研制了加工硬脆材料的超聲低頻振動 組合鉆孔系統(tǒng)。將金剛石中心鉆的超聲振動與工件的低頻振動相結(jié) 合，制造了一臺組合振動鉆孔設(shè)備，該設(shè)備能檢測鉆孔力的變化以 及鉆孔精度和孔的表面質(zhì)量，并用該組合設(shè)備在不同的振動條件下 進行了一系列實驗。實驗結(jié)果表明，將金剛石中心鉆的超聲振動與 工件的低頻振動相結(jié)合是加工硬脆材料的一種有效方法。東南大學研制了一種新型超聲振動切削系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用壓電 換能器，由超聲波發(fā)生器、匹配電路、級聯(lián)壓電晶體、諧振刀桿、 支承調(diào)節(jié)機構(gòu)及刀具等部分組成。當發(fā)生器輸出超聲電壓時

4、，它將 使級聯(lián)晶體產(chǎn)生超聲機械伸縮，直接驅(qū)動諧振刀桿實現(xiàn)超聲振動。 該裝置的特點是：能量傳遞環(huán)節(jié)少，能量泄漏減小，機電轉(zhuǎn)換效率 高達90%左右，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積小，便于操作。沈陽航空工業(yè)學 院建立了鏜孔用超聲扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)，采用磁致伸縮換能器，將超聲 波發(fā)生器在扭轉(zhuǎn)變幅桿的切向作縱向振動時在扭振變幅桿的小端就 輸出沿圓周方向的扭轉(zhuǎn)振動，鏜刀與扭振變幅桿之間采用莫氏錐及 螺紋連接，輸出功率小于500W頻率為1623 KH z，具有頻率自動 跟蹤性能。西北工業(yè)大學設(shè)計了一種可在內(nèi)圓磨床上加工硬脆材料 的超聲振動磨削裝置。該裝置由超聲振動系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、磨 床連接系統(tǒng)和超聲波發(fā)生器等組成，其超聲

5、換能器采用縱向復(fù)合式 換能器結(jié)構(gòu)，冷卻循環(huán)系統(tǒng)中使用磨削液作為冷卻液；磨床連接系統(tǒng)由輔助支承、制動機構(gòu)和內(nèi)圓磨床連接桿等組成。該磨削裝置工 具頭旋轉(zhuǎn)精度由內(nèi)圓磨床主軸精度保證，結(jié)構(gòu)比專用超聲波磨床的 主軸系統(tǒng)要簡單得多，因此成本低廉，適合于在生產(chǎn)中應(yīng)用。另一種超聲扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)已在“加工中心”用超聲扭轉(zhuǎn)振動裝置上 應(yīng)用。主要用作電火花加工后的模具異形 （ 如三角形、多邊形 ） 孔和 槽底部尖角研磨拋光，以及非導電材料異形孔加工。該振動系統(tǒng)的 換能器采用按圓周方向極化的 8塊扇形壓電陶瓷片構(gòu)成，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振 動。 2、 超聲加工技術(shù)應(yīng)用研究2.1 深 小 孔 加 工 眾所周知，在相同的要求及加工條件

6、下，加工孔比加工軸要復(fù)雜得 多。一般來說，孔加工工具的長度總是大于孔的直徑，在切削力的 作用下易產(chǎn)生變形，從而影響加工質(zhì)量和加工效率。特別是對難加 工材料的深孔鉆削來說，會出現(xiàn)很多問題。例如，切削液很難進入 切削區(qū)，造成切削溫度高；刀刃磨損快，產(chǎn)生積屑瘤，使排屑困 難，切削力增大等。其結(jié)果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值 增加，工具壽命短。采用超聲加工則可有效解決上述問題。 前蘇聯(lián)在 20世紀 60年代就生產(chǎn)出帶磨料的超聲波鉆孔機床。英國申 請了電火花超聲復(fù)合穿孔的專利，該裝置主要用于加工在導電基上 有非導電層的零件，如在金屬基上涂有壓電陶瓷層的零件。整個加 工過程分兩個階段進行：首先用超聲

7、振動將非導電層去除掉，當傳 感器感知金屬層出現(xiàn)時，即改用電加工或電火花與超聲復(fù)合的方法 進行加工。該裝置有效地解決了具有導電層和非導電層零件孔的加 工問題兵器工業(yè)五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效加工的新方法 超聲振動磨削，進行了超聲振動磨削和普通磨削陶瓷深孔的對比實 驗。結(jié)果表明，超聲振動磨削可明顯提高陶瓷加工效率，能有效地 消除普通磨削產(chǎn)生的表面裂紋和凹坑，是陶瓷深孔精密高效加工的 新方法2.2 拉 絲 模 及 型 腔 模 具 研 磨 拋 聚晶金剛石拉絲模超聲研磨拋光技術(shù)在國內(nèi)外已獲得廣泛應(yīng)用，新 的超聲研磨拋光方法和設(shè)備已出現(xiàn)。北京市電加工研究所提出的 “超硬工具材料電火花超聲波復(fù)合拋光方

8、法”，其特點是：采用超 聲頻信號調(diào)制高頻電火花脈沖電源與超聲加工復(fù)合進行聚晶金剛石 拉絲模研磨拋光。該技術(shù)已獲得國家專利，并在生產(chǎn)中獲得應(yīng)用。哈爾濱工業(yè)大學針對目前模具光整加工難以實現(xiàn)高精度、高效率加 工的實際問題，將電解加工、機械研磨及超聲加工相復(fù)合，提出了 一種新型的光整加工方法電化學超精密研磨技術(shù)，開發(fā)研制了 一種數(shù)控展成超精密光整加工的新工藝及設(shè)備。2.3 難 加 工 材 料 的 超 聲 加 金屬和非金屬硬脆材料的使用越來越廣泛，尤其是陶瓷材料，具有 高硬度、耐磨損、耐高溫、化學穩(wěn)定性好、不易氧化、腐蝕等優(yōu) 點。然而，由于工程陶瓷等難加工材料具有極高的硬度和脆性，其 成形加工十分困難，

9、特別是成形孔的加工尤為困難，嚴重阻礙了應(yīng) 用推廣。因此，國內(nèi)外許多學者展開了對難加工材料加工方法的研 究，其中以超聲加工較多。英國阿伯丁大學國王學院研究了超聲鉆削難加工材料時工藝參 數(shù)對材料去除率的影響，建立了間斷性沖擊過程的非線性模型，對 沖擊力的特性進行了研究，提出了一種新的材料去除率的計算方 法，這種方法首次解釋了材料去除率在較高的靜態(tài)力作用下減小的 原因。通過模擬陶瓷材料超聲加工的力學特性對材料去除機制進行 分析，研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊力會引起陶瓷材料結(jié)構(gòu)的變化和晶粒的錯 位，而高沖擊力會導致中心裂紋和凹痕。巴西的研究人員對石英晶 體的超聲研磨技術(shù)進行了研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體的材料去除率取決于

10、晶體的晶向，研磨晶粒的尺寸影響材料去除率和表面粗糙度。研究 指出，加工過程中材料產(chǎn)生微裂紋是材料去除的主要原因。美國堪 薩斯州立大學提出了一種超聲旋轉(zhuǎn)加工陶瓷材料去除率模型的計算 方法，并將其應(yīng)用到氧化鋯陶瓷的加工中，確定了材料去除率和加 工參數(shù)之間的關(guān)系，該研究大大推動了陶瓷材料旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)的發(fā) 展。山東大學研究開發(fā)了工程陶瓷小孔的超聲振動脈沖放電加工技 術(shù)，工具電極的超聲振動引起脈沖放電，從而代替了傳統(tǒng)電火花加 工 的 專 用 脈 沖 發(fā) 生 器 山東大學還利用超聲加工技術(shù)對大理石的孔加工進行了研究，并與 陶瓷材料進行了對比研究。結(jié)果表明，材料去除率與大理石的力學 性能有關(guān)，在同樣的加工條

11、件下，材料的強度和斷裂韌性越高，其 去除率越低，加工精度越高。天津理工學院對大理石超聲精密雕刻 技術(shù)進行了研究，開發(fā)了大理石超聲精雕系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了大理 石雕刻中微小異形表面高效精加工的難題，使大理石精雕質(zhì)量和水 平跨上了新臺階。同濟大學對超聲加工建筑玻璃小孔的實驗進行了研究，探討了工具 振動的振幅、頻率、工件材料、進給壓力、工作介質(zhì)等主要加工參 數(shù)對材料去除率的影響規(guī)律。結(jié)果表明，超聲加工建筑玻璃小孔的 精度、表面質(zhì)量均可滿足建筑安裝、裝潢的要求。該研究對其他玻 璃材料的加工具有一定參考價值。研究指出，研磨軌跡的增長和超 聲振動脈沖力的作用是提高研磨效率的根本原因。淮海工學院對燒 結(jié)永磁體

12、材料超聲振動加工過程中的材料去除機理進行了理論研 究。該研究指出，磨料顆粒的尺寸與加工效率有密切的關(guān)系，對實 際生產(chǎn)具有一定的指導作用。沈陽工業(yè)學院研究了采用電鍍金剛石 工具頭對瑪瑙進行鉆孔的可行性以及加工參數(shù)與材料去除率的關(guān) 系。研究表明，該方法不僅大大提高了材料的去除率，而且加工成 本也有所降低。同時，借助于 SEM分析了該方法加工瑪瑙的材料去 除機理。2.4 超 聲 振 動 切 削 超聲振動切削作為新興的特種加工技術(shù)，引起了國內(nèi)外專家學者的 廣泛興趣和極大關(guān)注。最早對振動切削進行比較系統(tǒng)的研究、可以 稱為振動切削理論與應(yīng)用技術(shù)奠基人的是日本學者隈部淳一郎。他 在20世紀5060年代發(fā)表了

13、許多振動切削方面的論文，系統(tǒng)地提出 了振動切削理論，并成功地實現(xiàn)了振動車削、振動銑削、振動鏜削、振動刨削、振動磨削等。隨后美國也對振動切削進行研究，到20世紀70年代中葉，振動車削、振動鉆孔、振動磨削、光整加工等 均已達到實用階段，超聲加工在難加工材料和高精度零件的加工方 面顯示了很大的優(yōu)越性，取得了一系列研究成果，并在生產(chǎn)中得到 推廣應(yīng)用。俄羅斯科學院和英國拉伯運大學對超聲振動切削的非線性過程進行 了深入研究，利用流變模型對超聲振動切削實驗結(jié)果進行了理論解 釋。通過對超聲切削的動力學研究，得到了振動工具的非線性振幅 特性曲線，并討論了超聲振動切削的優(yōu)越性及其應(yīng)用領(lǐng)域。我國對振動切削的研究起步

14、稍晚。研究內(nèi)容從振動切削實驗到實際 工藝應(yīng)用，從振動切削實驗系統(tǒng)設(shè)計到對振動切削機理，范圍較廣 泛，內(nèi)容較深入。東南大學在研究超聲振動切削的刀具振動規(guī)律時得出：刀具與切削 的分離作用是振動切削最根本的特點，正是這一特點才使得刀尖每 次能以極大的加速度沖擊工件進行切割。上海交通大學對超聲橢圓振動切削技術(shù)進行了研究，闡述了超聲波 橢圓振動切削原理和刀具橢圓振動系統(tǒng)，分析了超聲波橢圓振動切 削運動特性，介紹了超聲波橢圓振動切削的實際切削效果。 山東大 學對工程陶瓷的超聲振動鉆削加工進行了深入的研究，探討了超聲 振動鉆削中各項工藝參數(shù)對加工效果的影響，并從理論上分析了超 聲振動鉆削時的材料去除機理。兵

15、器工業(yè)五二研究所進行了超聲振動車削與普通車削、磨削加工陶 瓷材料的對比實驗研究。研究結(jié)果表明，振動車削可明顯地提高陶 瓷加工表面的質(zhì)量，有效地消除普通車削、磨削中形成的表面微裂 紋，因此是陶瓷精密加工的一種新方法。長春汽車工業(yè)高等專科學校采用超聲振動切削方法對一汽變速箱廠 生產(chǎn)的一直齒齒輪的滾齒加工進行了工藝實驗，通過生產(chǎn)現(xiàn)場各種 工藝參數(shù)實驗及小批量試生產(chǎn)，收到了令人滿意的效果，具有較好 的發(fā)展前景。2.5 超 聲 復(fù) 合 加 工將超聲加工與其他加工工藝組合起來的加工模式，稱為超聲復(fù)合加 工。超聲復(fù)合加工，強化了原加工過程，使加工的速度明顯提高， 加工質(zhì)量也得到不同程度的改善，實現(xiàn)了低耗高效

16、的目標。電極的超聲振動能改善加工過程的主要原因是：電極表面的高頻振動加速了工作液的循環(huán)，使間隙充分消電離；間隙間很大的壓力變化導致更有效的放電，這樣就能從弧坑中去除更多融化的金 屬 ， 使 熱 影 響 層 減 小， 熱 殘 余 應(yīng) 力 降 低 ， 微裂 紋 減 小 。山東大學機械工程學院對超聲頻間隙脈沖放電技術(shù)進行了研究， 并對工程陶瓷進行了加工實驗，分析了該技術(shù)放電特性和加工特 性。結(jié)果表明，超聲頻間隙脈沖放電加工的加工效率高于普通電火 花加工的效率，而其加工表面粗糙度和加工形狀精度接近于普通電 火花加工。南京航空航天大學進行了工件激振式超聲復(fù)合電火花微細孔加工的 研究，它跟以往的超聲電火花

17、復(fù)合加工的不同之處在于，通過工件 的微幅激振改善微細電火花加工工作液的循環(huán)，進而提高微細電火 花加工的脈沖利用率和微細孔加工的深徑比。研究結(jié)果表明，工件 越薄，排屑越有利，加工速度提高的越快。研究者認為，這主要由 于工件激勵后加工間隙內(nèi)工作液中壓力波劇變的沖擊和擾動作用， 有助于改善電火花微細加工的排屑條件，提高放電脈沖的利用率， 使加工速度及微細孔電火花加工的深徑比得到提高。 三、超聲加工技術(shù)的發(fā)展趨勢和未來展望 1 、 超 聲 振 動 切 削 技 術(shù) 隨著傳統(tǒng)加工技術(shù)和高新技術(shù)的發(fā)展，超聲振動切削技術(shù)的應(yīng)用日 益廣泛，振動切削研究日趨深入，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。(1) 研 制 和 采 用

18、 新 的 刀 具 材 料 在現(xiàn)代制造業(yè)中，鈦合金、純鎢、鎳基高溫合金等難加工材料所使 用的范圍越來越大，對機械零件加工質(zhì)量的要求越來越高。為了更 好地發(fā)揮刀具的效能，除了選用合適的刀具幾何參數(shù)外，在振動切 削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)為對刀具材料的開發(fā)與研究上，其中 天然金剛石、人造金剛石和超細晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應(yīng)用 為主要方向。(2) 研 制 和 采 用 高 效 的 振 動 切 削 系 統(tǒng) 現(xiàn)有的實驗及實用振動切削加工系統(tǒng)輸出功率尚小、能耗高，因 此，期待實用的大功率振動切削系統(tǒng)早日問世。到目前為止，輸出 能量為4 kW 的振動切削系統(tǒng)已研制出來并投產(chǎn)使用。在日本，超聲 振動切削裝置通

19、?？奢敵龉β? kW,切削深度為0.010.06 mm。對 振 動 切 削 機 理 深 入 研 究 當前和今后一個時期對振動切削機理的研究將主要集中以下幾個方 面： 在振動切削狀態(tài)下工件材料是如何與工件分離并形成屑的。 振動切削中刀具與工件相互作用的力學分析。 振動切削機理 的 微 觀 研 究 及 數(shù) 學 描 述。 超聲橢圓振動切削的研究與推廣 超聲波橢圓振動切削已受到國際學術(shù)界和企業(yè)界的重視。美國、英 國、德國和新加波等國的大學以及國內(nèi)的北京航空航天大學和上海 交通大學已開始這方面的研究工作。日本企業(yè)界如日立、多賀公司 等已開始這方面的實用化研究。但是，超聲波橢圓振動切削在理論 和應(yīng)用方面還

20、有許多工作要做。尤其是對硬脆性材料的超精密切削 加工、微細部位和微細模具的超精密切削加工等方面還需要進一步 研究。(5)超 聲 銑 削 加 工 技 術(shù)工程陶瓷的應(yīng)用日益廣泛，但其成形加工十分困難。尤其是具有三 維復(fù)雜型面的工程陶瓷零件至今尚無有效的加工手段，嚴重影響了 工程陶瓷材料的推廣應(yīng)用。大連理工大學提出了基于分層去除技術(shù) 的超聲銑削加工方法，研制了超聲數(shù)控銑削機床，開辟了利用超聲 加工技術(shù)數(shù)控加工工程陶瓷零件的途徑。基于分層去除思想的超聲 銑削加工技術(shù)，解決了傳統(tǒng)超聲加工中工具損耗嚴重且不能在線補 償?shù)碾y題，使加工帶有尖角和銳邊的三維復(fù)雜型面工程陶瓷零件成 為可能，為工程陶瓷的廣泛應(yīng)用提

21、供了有力的技術(shù)支持。聲復(fù)合加技術(shù)目前，超聲波、電火花、機械三元復(fù)合加工技術(shù)的研究較快的發(fā) 展。哈爾濱工業(yè)大學利用超聲波、電火花、磨料復(fù)合加工技術(shù)對不 銹鋼進行加工，解決了電火花小孔加工中生產(chǎn)率和表面質(zhì)量不能兼 顧的矛盾，具有較好的應(yīng)用前景 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，模具的應(yīng)用越來越廣泛，對模具精度和表面質(zhì) 量的要求也越來越高。在模具制造過程中，光整加工工序?qū)δ＞哔|(zhì) 量影響很大，但目前該工序在很大程度上仍依賴手工完成，嚴重制 約了模具加工技術(shù)的發(fā)展，是一個亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。超聲 電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)是一項新的復(fù)合加工技術(shù)，能較好地適用于 形狀復(fù)雜的模具型腔光整加工。但尚有許多方面的內(nèi)容有待進一步 研究，特別是各主要加工因素對加工表面粗糙度的影響以及表面金 屬的去除機理等在微小三維型面的加工中，利用簡單形狀電極、基于分層制造原理 的微細電火花銑削技術(shù)正在受到重視，但該工藝加工效率偏低，同 時由于其加工精度主要依賴于電極損耗的軸向補償，而電極損耗的 軸向補償量則直接取決于電極損耗率，提高微細電火花銑削的加工 效率和穩(wěn)定性是一個重要的課題。哈爾濱工業(yè)大學提出了超聲輔助 分層去除微細電火花加工技術(shù)，電極軸向的小幅超聲振動對活化極 間狀態(tài)、拉大極間間隙、增加排屑能力、提高有效脈沖利用率和放 電穩(wěn)定性等起到了極為重要的作用，因此該技術(shù)能改善微細電火花 銑削