先進(jìn)制造——超聲研磨技術(shù)

1、超聲研磨加工技術(shù)摘要：本文介紹了一種基于新加工原理的先進(jìn)超精密研磨技術(shù)超聲研磨。首先簡要介紹了磨削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀并通過加工模型簡述了其加工原理；然后從加工工藝及加工設(shè)備等方面闡述了其加工特點(diǎn)；最后以其在模具行業(yè)的應(yīng)用為例，從加工設(shè)備、工藝分析等方面進(jìn)行了簡要分析。關(guān)鍵詞：超聲加工；超聲研磨；超精密加工；先進(jìn)制造技術(shù)0、引言隨著汽車、航空航天等行業(yè)的發(fā)展，陶瓷、玻璃、硬質(zhì)合金等材料應(yīng)用日益廣泛。這些材料硬度高、零件形狀復(fù)雜、加工精度高，傳統(tǒng)的磨削方式難以滿足要求1。超聲研磨不僅能加工脆硬金屬材料，而且能加工玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體等不導(dǎo)電的非金屬脆硬材料，特別適合電火花加工或銑削加工表面的研磨，對(duì)電火

2、花線切割加工表面的軟化層和電火花成型加工表面的硬化層均能快速研磨，改善其表面質(zhì)量。1、研磨技術(shù)現(xiàn)狀相對(duì)于傳統(tǒng)的研磨技術(shù)而言，目前，一些基于機(jī)械作用、機(jī)械化學(xué)作用的超精密研磨技術(shù)以及液面研磨拋光技術(shù)的研究應(yīng)用2，在超精密磨削方面取得了不錯(cuò)的效果。其中基于機(jī)械作用的彈性發(fā)射加工（EEM）兼有研磨和拋光的優(yōu)點(diǎn)具有光明的發(fā)展前景。然而，這些加工方法存在對(duì)加工設(shè)備及條件有特殊的要求；難以控制加工精度、表面質(zhì)量等問題，如基于機(jī)械作用的彈性發(fā)射加工，需要高速高精度回轉(zhuǎn)軸等，所以在實(shí)際應(yīng)用中受到限制，達(dá)不到高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。超聲波研磨是功率超聲在材料加工方面的一種重要運(yùn)用，是一種非接觸超精密研磨方法，具有加工

3、表面質(zhì)量高、精度高、切屑易處理、能很好地解決難加工材料、非金屬材料、表面質(zhì)量要求高的零件加工問題等一系列優(yōu)點(diǎn)，如今已成為一種新型的先進(jìn)制造加工技術(shù)。2、超聲研磨原理2.1超聲研磨理論模型分析超聲研磨是超聲加工技術(shù)的一種特殊應(yīng)用3，其基于傳統(tǒng)研磨加工原理，在研磨工具上附加以超聲振動(dòng)，工具與工件間的磨料在結(jié)合傳統(tǒng)研磨加工運(yùn)動(dòng)和超聲高頻振動(dòng)共同作用下，不斷滑擦、磨削加工表面，以實(shí)現(xiàn)材料去除的目的，圖1為超聲研磨原理模型。圖1 超聲研磨原理模型研磨工具的端面和工件表面保持一固定的間隙，在其間充以微細(xì)磨料工作液，當(dāng)超聲振動(dòng)工具以一定的頻率振動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)微細(xì)磨料沖擊工件表面，從而對(duì)工件表面進(jìn)行研磨。當(dāng)工作臺(tái)

4、作平面運(yùn)動(dòng)或曲面運(yùn)動(dòng)，即可對(duì)整個(gè)工件表面進(jìn)行加工45。超聲研磨時(shí)，大量的磨料以與超聲振動(dòng)相同的頻率、脈動(dòng)式的沖擊被加工表面，除去或改造工件表面原有的損傷層，并在其下面構(gòu)成新的損傷層(即表面加工層)。如果工藝參數(shù)(如超聲發(fā)生器的功率，磨料的硬度、粒度，磨液濃度，間隙等)選擇恰當(dāng)，則可使新生成的損傷層更薄、更均勻，從而獲得較佳的表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)超精密加工，理想的狀況是獲得接近無損傷的表面。2.2超聲研磨系統(tǒng)的關(guān)鍵超聲研磨加工技術(shù)在加工質(zhì)量、加工精度、加工效率等方面都較傳統(tǒng)研磨加工有很大優(yōu)勢(shì)，其關(guān)鍵在于超聲研磨振動(dòng)系統(tǒng)的作用。圖2 超聲研磨振動(dòng)系統(tǒng)超聲研磨振動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示，主要由超聲波電源、超聲波換

5、能器、超聲變幅桿以及研磨工具四部分組成。工作時(shí)，超聲波電源發(fā)出高頻振蕩電信號(hào)，通過超聲換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，再通過超聲變幅桿將機(jī)械振動(dòng)振幅放大，從而帶動(dòng)連接在超聲變幅桿上的工具進(jìn)行高頻振動(dòng)。在超聲研磨加工中，超聲波在傳播時(shí)主要以縱向振動(dòng)為主，這樣除了工具與工件之間的傳統(tǒng)研磨運(yùn)動(dòng)外，還有一個(gè)高頻縱向振動(dòng)，這個(gè)高頻振動(dòng)是改善加工表面質(zhì)量、提高加工效率的關(guān)鍵。2.3去除材料機(jī)理超聲研磨脆性材料和塑性材料的機(jī)理有所不同的4。脆性材料的加工主要是依賴于表面層微裂紋擴(kuò)展、生成，而使材料脆裂、脫落。超聲研磨時(shí)，在大量磨粒脈沖式?jīng)_擊下，更有利于實(shí)現(xiàn)上述加工過程。磨粒的沖擊具有隨機(jī)性，但對(duì)微觀表面上凸起

6、處沖擊到的機(jī)率應(yīng)高于凹下處，再因磨粒量大、粒小，對(duì)表面的加工是均勻而柔和的。因而可以獲得殘余應(yīng)力低、裂紋更微細(xì)更淺的高質(zhì)量的加工表面。塑性材料的加工則主要依賴于表面層的塑性變形，即通過材料的擠壓和撕裂將金屬從表面扯下來，其殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力。超聲研磨時(shí)，磨粒對(duì)工件表面主要起搗實(shí)的作用，類似于輕微的表面強(qiáng)化加工。它可以消除工件表面前工序的加工痕跡，將表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，這對(duì)大多數(shù)零件的使用性能是有利的。3、超聲研磨的特點(diǎn)聲研磨是超聲振功和機(jī)械研磨的復(fù)合加工工藝，相較于傳統(tǒng)研磨方式而言，在工藝性能與加工設(shè)備方面都有自己的特點(diǎn)67。3.1工藝性能特點(diǎn)1）能有效地提高研磨效率，特別是對(duì)淬硬

7、的工件和電火花成型加工表面的研磨，其效果更為明顯。2）超聲振動(dòng)的作用降低了研磨阻抗，減輕了手工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，同時(shí)更能適應(yīng)狹縫、窄槽的研磨。在許多場(chǎng)合，如在玻璃上鉆小孔或加工超薄工件時(shí)，超聲研磨是一種值得選擇的工藝或是唯一能夠選擇的工藝。3）超聲振動(dòng)能防止燒結(jié)剛玉、電鍍金剛石等磨具氣孔堵塞，使其具有自刃性，而當(dāng)使用游離的磨料時(shí)，能使磨料有效地?cái)嚢?，起到排屑的作用，從而提高了磨料的切削性能?）超聲能量調(diào)節(jié)方便，調(diào)節(jié)超聲能量就能調(diào)節(jié)工具的振幅，與磨具、磨料的選擇相配合就能完成從粗研、精研直至拋光的整個(gè)研磨過程，可作為工件的最終處理工序，使工件獲得較高的尺寸精度和微觀幾何形狀精度，選取合

8、適的超聲研磨工藝參數(shù)，可以獲得高精度的加工表面。例如，研磨淬硬合金鋼工件時(shí)，其最終表面粗糙度可達(dá)Ra0.1。5）除了可以研磨碳素鋼、合金鋼等黑色金屬之外，也可以研磨銅、硬質(zhì)合金等有色或硬質(zhì)材料，還可以研磨玻璃、水晶、玉石、大理石和陶瓷等非金屬材料。因此，不僅可應(yīng)用于模具的加工，也可以用于工件的研磨、拋光和去毛刺。6）工具頭的形狀并不是直接復(fù)印到工件表面，其它影響因素(如間隙、磨料粒度、濃度、進(jìn)給速度等等)也較易控制，因而可獲得精確的加工表面。3.2加工設(shè)備特點(diǎn)1）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小，耗能低，便于攜帶和維修，可獲得較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。2）使用方便，因?yàn)椴僮鞣椒愅谑止C(jī)械研磨，所以一

9、般鉗工經(jīng)過短期訓(xùn)練就可操作。3）工具來源廣泛。一般設(shè)備都配有電鍍金剛石、剛玉油石、軟金屬片、木片和竹片等研具，除了電鍍金剛石價(jià)格較貴之外，其它材料均比較容易得到。特別是精研和拋光用的研具，操作者還可以自制。4）應(yīng)用廣泛，可以加工各種脆性材料，也可以加工淬硬鋼。由于設(shè)備是手工澡作，更換工具就能完成不同型面的研磨和拋光，所以更能適應(yīng)模具的異形型面的加工。3.3超聲研磨的不足1）由于受超聲換能器和工具材質(zhì)的限制，設(shè)備的功率不可能很大，因此，工具工作部分的截面也不能很大，所以只能解決模具拋光工序中的部分型面，如窄縫、筋槽等，不適宜用于大面積的研磨拋光。2）由加工原理可知，超聲研磨拋光效率同工具超聲振動(dòng)

10、方向與加工表面的夾角有關(guān)，當(dāng)兩者相互垂直時(shí)，研磨效率很低，故在拋光型腔模底部時(shí)，還不能有效地發(fā)揮作用。3）超聲頻率雖然超出了人耳可感覺的范圍，但是在操作中工具與工件碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生人耳可聞的噪聲，這種噪聲是不利于操作者和操作環(huán)境的，必須有防護(hù)的措施。4）對(duì)變幅桿和工具的設(shè)計(jì)有嚴(yán)格的要求，在研磨過程中需適當(dāng)修整工具的形狀和長度。4、超聲研磨應(yīng)用4.1模具的超聲研磨拋光超聲研磨最早應(yīng)用于拉絲模?？椎木庸ぁＨ缃?，隨著精密、異形、低粗糙的模具日益增多，模具的研磨工序成為模具制造至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一。為了提高工序和質(zhì)量，一系列新的工藝應(yīng)運(yùn)而生。超聲研磨從簡單的圓孔研磨發(fā)展到各種異形模具的研磨，如今已有多種型

11、號(hào)、不同規(guī)格手持式超聲研磨設(shè)備，在模具制造中廣泛應(yīng)用8 。4.1.1模具超聲研磨設(shè)備超聲波模具研磨拋光機(jī)，是一種常用于模具、玉石、高檔工藝品、硬質(zhì)合金件上的拋光小設(shè)備。適用于窄小部位，如工藝品的復(fù)雜形狀、模具的復(fù)雜型腔、窄槽狹縫、盲孔等其它拋光工具無法到達(dá)或無法高效工作的部位。1、設(shè)備種類我國超聲研磨拋光設(shè)備的開發(fā)速度較快，許多設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用，在模具加工中發(fā)揮著重要作用。目市場(chǎng)的超聲波拋光機(jī)，分為單一功能拋光機(jī)和復(fù)合功能拋光機(jī)兩大類。單一功能拋光機(jī)是指只具有超聲波振動(dòng)功能的拋光機(jī)，該類機(jī)器操作界面簡單、價(jià)格較低，比較適適合單一需求的客戶，如玉石拋光類、工藝品拋光類、極少量模具精拋類客戶。復(fù)合

12、功能拋光機(jī)是指將超聲波拋光與其它常見的模具處理工藝結(jié)合起來，即為復(fù)合式的超聲波模具拋光機(jī)，是模具表面處理從業(yè)人員的必備便捷工具。與火花工藝復(fù)合，則具有火花整形功能；與花紋工藝復(fù)合，則具有花紋功能；與強(qiáng)化工藝復(fù)合，則具有強(qiáng)化功能。 1超聲波發(fā)生器 2超聲換能器 3，4變幅桿 5工具 6研磨懸浮液 7工件圖3 YJCS超聲波研磨拋光設(shè)備及原理圖2、設(shè)備簡介以目前運(yùn)用較多的YJCS系列研磨拋光機(jī)為例介紹其主要結(jié)構(gòu)，如圖3所示YJCS超聲波研磨機(jī)主要由超聲波發(fā)生器、換能器和機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)組成。1）超聲波發(fā)生器 將50Hz的交流電轉(zhuǎn)變成為具有一定功率輸出的超聲波電振蕩。2）換能器1工具頭 2內(nèi)六角螺絲 3

13、變幅桿 4換能器外殼 5連接插座6連接線護(hù)套 7連接導(dǎo)線圖4 超聲研磨機(jī)換能器換能器結(jié)構(gòu)如圖4所示，它將電振蕩變成機(jī)械振動(dòng)，其工作情況的好壞，直接影響拋光效率。有壓電效應(yīng)式和磁致伸縮效應(yīng)式兩種。3）機(jī)械振蕩系統(tǒng)主要有變幅桿和振動(dòng)工具，變幅桿又叫振蕩擴(kuò)大器，將換能器出來的0.0050.01mm振幅提高到0.010.1mm。變幅桿的形式有：圓錐形、指數(shù)形和階梯形等。工具和變幅桿之間采用機(jī)械連接或膠合方式連接，工具沿軸向振動(dòng)。4）工具頭工具頭有研磨用工具頭和放電用工具頭之分。研磨用工具頭又有固定磨料式和游離磨料式兩種。圖5 工具頭振動(dòng)方向與應(yīng)用示意圖固定式：金剛石油石、電鍍金剛石銼刀、剛玉油石等。主

14、要用于粗拋光。游離式：常采用硬木、竹片等材料，在研磨表面涂上研磨粉和工作液的混合劑，研磨粉一般為氧化鋁或碳化硅等，工作液一般式煤油或水等，通過超聲振動(dòng)使磨料產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)達(dá)到撞擊零件表面的作用。4.1.2拋光工藝分析1）拋光余量電火花加工后的模具型腔，進(jìn)行超聲波拋光的余量一般為0.020.04mm，特殊情況下拋光余量應(yīng)小于0.15mm。2）拋光速度拋光速度與拋光部位和使用工具頭有關(guān)，用銅條放電7mm2/min；纖維油石研磨從Ra2.5Ra0.5大于4cm2/min；銅條加研磨膏從Ra1Ra0.2大于3cm2/min；竹片拋光從Ra0.3Ra0.05大于2cm2/min；木片精拋從Ra0.05Ra

15、0.012大于2cm2/min。3）拋光精度拋光精度不僅與操作者的熟練程度有關(guān)，還與工件原始表面粗糙度有關(guān)，所以對(duì)尺寸要求較高的工件，原始表面應(yīng)有較低的粗糙度。4）拋光方式模具研磨拋光一般經(jīng)過粗研、細(xì)研、精研三個(gè)階段。粗拋：采用固定式磨料或180號(hào)左右的磨料進(jìn)行；細(xì)拋：采用游離式磨料，粒度在W40左右；精拋：采用W5-W3.5粒度的磨料進(jìn)行干拋，不加工作液。4.1.3影響拋光效率的因素1）工具的振幅和頻率從原理上講，增大振幅和頻率會(huì)提高拋光的效率，但過大又會(huì)增加能量的消耗和降低變幅桿和工具的使用壽命，一般情況下振幅控制在0.01-0.1mm,頻率控制在1600025000Hz之間。2）工具對(duì)零

16、件表面的靜壓力拋光式工具對(duì)工件的進(jìn)給力稱為靜壓力。壓力過大，磨料和工作液不能順利更新和交換，降低生產(chǎn)效率。壓力過小，降低磨粒對(duì)工具的撞擊力和切削能力，同樣降低效率。3）磨料的種類和粒度高硬度材料的拋光選擇碳化硼磨料；硬度不高的脆性材料采用碳化硅磨料。磨料的粒度于振幅有關(guān)，當(dāng)振幅0.05mm時(shí)，磨粒愈大加工效率愈高；當(dāng)振幅0.05mm時(shí)，磨粒愈小加工效率愈高。4）料液比磨料混合劑中磨料和工作液的體積或質(zhì)量之比稱為料液比。過大或過小都會(huì)使拋光效率降低。常用的料液比為0.51。4.2超聲波研磨的其他應(yīng)用超聲研磨作為一種新型的先進(jìn)制造技術(shù)，在其它領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。如光纖連接器、螺旋錐齒輪、精密閥套內(nèi)孔、光學(xué)玻璃、單晶硅片等工件的研磨拋光都有用超聲研磨實(shí)現(xiàn)超精密加工。5 結(jié)論研磨是精密和超精密零件精加工的主要方法之一，是現(xiàn)代工業(yè)精密零件不可或缺的工藝。超聲研磨作為超聲加工的一種特殊應(yīng)用，它是一種非接觸式的微量磨削加工，可使零件獲得極高的表面精度。作為一種基于新加工原理的先進(jìn)超精密加工技術(shù)在各行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，其具有其他研磨加工不可比擬的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景。同時(shí)，其超精密加工的理論和工藝參數(shù)控制還有待于進(jìn)一步的研究。參考文獻(xiàn)1王建春.超