超聲波加工綜述

1、超聲波加工綜述T. B. THOE, D.K.ASPINWALL and M. L. H. WISE摘要：超聲波加工適合切削不導(dǎo)電、脆性材料，例如工程陶瓷。與其他非傳統(tǒng)加工，如激光束、電火花加工等不同，超聲波加工不會(huì)導(dǎo)致工件表面熱損傷或顯著的殘余應(yīng)力，這對脆性材料尤其重要。超聲波加工的基本原理，包括材料去除原理，各類操作參數(shù)對材料切除率、刀具磨損、工件精確度要求都有敘述，并著重表述了在加工工程陶瓷上的應(yīng)用，制造復(fù)雜的三維立體陶瓷的問題也在敘述當(dāng)中。1 概述超聲波加工及其應(yīng)用超聲波加工是一種非傳統(tǒng)機(jī)械切削技術(shù)，通常與低材料去除率有關(guān)，它并不被加工材料的導(dǎo)電率和化學(xué)特性所限制，它用于加工金屬和非金

2、屬材料，非常適合于脆性大，硬度高于40HRC612的材料，比如無機(jī)玻璃、硅片、鎳、鈦合金等等 1324，有了它，76um 的小孔也能加工，但是被加工的孔深度與直徑之比限制在 3 比 1 之內(nèi) 8, 12。超聲波加工的歷史可以追溯到 1927 年，R. W. Wood 和 A. L. Loomis 發(fā)表的論文，1945年。有關(guān)于超聲波的第一項(xiàng)專利給了 L. Balamuth，現(xiàn)在超聲波加工已經(jīng)分化很多領(lǐng)域，超聲波鉆削、超聲波切削、超聲波尺寸加工、超聲波研磨技術(shù)和懸浮液鉆孔法，然而，在 20世紀(jì) 50 年代初只普遍知道超聲波沖磨或 USM8,25, 28, 30, 31。在超聲波加工中，高頻率的電

3、能通過換能器/增幅器被轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)，之后通過一個(gè)能量集中裝置被傳送出去, 例如變幅桿/刀具組件1, 17, 18, 30, 32。這導(dǎo)致刀具沿著其縱向軸線以振幅 0-50m 高頻率振動(dòng)（通常20KHz）16, 33, 34，典型額定功率范圍從503000W35不等，在某些機(jī)器上可以達(dá)到 4kw。一個(gè)受控靜負(fù)載被施加于刀具和磨料懸浮液（由研磨材料的混合物組成、例如碳化硅，碳化硼等等，懸浮在水或油中）被泵傳送到切削區(qū)域，刀具的振動(dòng)導(dǎo)致磨料顆粒懸浮在刀具和工件表面間，通過微型片沖擊工件表面從而去除材料19。圖 1 展示了設(shè)置 USM 使用磁致伸縮或壓電換能器釬焊和螺紋加工?；镜慕Y(jié)構(gòu)變更包括：&#

4、183;旋轉(zhuǎn)超聲波加工。刀具啟動(dòng)同時(shí)開始旋轉(zhuǎn)，這樣可以將圓柱度降低至傳統(tǒng)超聲波加工所達(dá)到的值的 1/341，典型回轉(zhuǎn)速度約為 300rpm，但若使用金剛石鑲嵌刀具，回轉(zhuǎn)速度可高達(dá) 5000rpm。·超聲波加工結(jié)合電火花加工16, 18, 20, 26, 34, 36。·超聲波輔助常規(guī)/非常規(guī)加工 16, 18, 20, 26, 34, 36。相對于傳統(tǒng)的車削加工，超聲輔助車學(xué)加工聲稱可減少加工時(shí)間、工件的殘余應(yīng)力和加工硬化，提高工件表面質(zhì)量和刀具壽命12, 36, 42, 45。·非加工超聲波應(yīng)用，例如清潔、塑料/金屬焊接、化學(xué)制品加工、涂層和金屬成形。1.1 超

5、聲波加工技術(shù)應(yīng)用于仿形加工很多超聲波加工涉及一些用簡單或者復(fù)合的工具軸向穿透橫截面進(jìn)入工件的鉆削，用于得到合乎要求的通孔和盲孔，三維的孔也需要（就是一個(gè)面上有不同深度的孔），一個(gè)類同于開模的加工過程通常包括7, 10, 27, 37, 43, 4648，如圖 2 ，使用這種石墨電極技術(shù)的放電機(jī)能夠在 30 分鐘內(nèi)成型零件，而不是用仿形銑削花 20 小時(shí)完成它2, 4,49, 50，使用復(fù)合刀具的問題在于它受加工面上相同加工效率和磨耗率，這些都會(huì)影響產(chǎn)品的成型，另外有一個(gè)更大問題，就是怎樣跟傳統(tǒng)刀具相比最大幅度地發(fā)揮復(fù)合刀具的性能。圖 1 USM 上端基本組成部分圖 2 利用 USM 進(jìn)行氮化硅

6、渦輪葉片鉆孔圖 3 利用 USM 加工碳纖維復(fù)合材料的加速桿、孔和外輪廓一種替代的方法是使用一種簡單的“筆狀”刀具和使用數(shù)控程序仿形，見圖 3。最近，使用這種技術(shù)的可行性已經(jīng)引起關(guān)注并且已被一些國家研究，包括英國、法國、瑞士、日本等等26, 52，一些 CNC 控制回路的旋轉(zhuǎn)超聲加工系統(tǒng)已在市面上有售，比如來自 ExtrudeHone Limited (法國）的 SoneX 300，來自 Erosonic AG (瑞士)的 he Erosonic US400/US800。1.2 超聲波加工陶瓷材料高性能陶瓷越來越多地被用于航空航天，工業(yè)和汽車電子行業(yè)的應(yīng)用。它們?yōu)槠囬y和氣缸套提供了許多比金屬

7、的更優(yōu)越的性能14，15，并且其良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高耐熱性提高了燃?xì)鉁u輪機(jī)應(yīng)用中獲得更大的熱效率的可能性30，53，54。燒結(jié)氧化鋁，碳化硅和氮化硅產(chǎn)品一般有大于 1500 HV 的硬度，因此通常金剛石磨削是唯一可行/經(jīng)濟(jì)的加工零件至最終成形的方法，雖然這在加工包括圓柱形元件，平板和彎曲表面零件時(shí)是理想可行且易于接受的，但是當(dāng)被加工表面具有更復(fù)雜的形狀或者其工作特性要求有特定的工件表面完整性時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題。大多數(shù)工程陶瓷是電絕緣體，盡管這可能是其功能上的優(yōu)點(diǎn)，但在加工部分零件如陶瓷或陶瓷涂層渦輪機(jī)葉片時(shí)就成了一個(gè)顯著的缺點(diǎn)。相當(dāng)多數(shù)量的金屬依靠于大量使用非傳統(tǒng)加工，例如電化學(xué)加工（ECM）和

8、EDM，前者被廣泛用于生產(chǎn)翼型型材，后者則用于葉片冷卻孔的加工。不幸的是，這兩個(gè)加工過程都依賴于工件材料是導(dǎo)電的。在 EDM 中，工件需要具有小于 100 的cm 的電阻率16, 26, 33, 55。對于加工過程中高應(yīng)力集中的安全規(guī)定部件如渦輪葉片，其工件表面完整性是一個(gè)關(guān)鍵的特性，因此這類零件會(huì)特別使用陶瓷或陶瓷涂層。加工過程中應(yīng)盡可能減少最終成型表面/亞表面的損傷。所有傳統(tǒng)的切削操作，如車削或磨削都或多或少的會(huì)導(dǎo)致某些類型的表面損傷24, 48, 56。非傳統(tǒng)加工過程也是如此，例如 EDM 或激光加工（LBM）所依賴的熱切削機(jī)制。舉個(gè)例子，EDM 會(huì)導(dǎo)致熱表面區(qū)域產(chǎn)生最高達(dá) 50m 深的

9、微裂紋55。與此相反，超聲波加工（USM）是一種不依賴于導(dǎo)電工件并且適合于陶瓷材料加工的非熱過程。該方法可產(chǎn)生很少甚至沒有表面/亞表面損傷或施加特定的壓力機(jī)制。尺寸精度可達(dá)±5m36，最終表面的粗糙度 Ra 可實(shí)現(xiàn) 0.51-0.76m37。對石墨，碳化硅和一系列陶瓷材料的 USM數(shù)據(jù)來由 Gilmore6，Kremer33總結(jié)于表 1 中。2 超聲加工刀具的基本原理2.1 超聲發(fā)生器 generator）和超聲換能器（Transducers）傳統(tǒng)的發(fā)生器系統(tǒng)中，裝配了變幅桿（horn）和刀具，通過機(jī)械調(diào)整其規(guī)模達(dá)到共振調(diào)諧，然而，最近共振發(fā)生器已實(shí)現(xiàn)其功能，它可自動(dòng)調(diào)整輸出高頻率去

10、匹配變幅桿/刀具組件的精確諧振頻率6。它們可以也適應(yīng)裝配和刀具磨損的任何微小錯(cuò)誤，給出最小聲波能量損耗和非常小的發(fā)熱性33。供給的功率取決于換能器的大小35。有些超聲發(fā)生器的設(shè)計(jì)帶有安全特性，如在變幅桿斷裂，變幅桿/刀具接頭故障等17，31，33情況的自動(dòng)開關(guān)。換能器的振動(dòng)在縱向或壓縮模式。在工業(yè)中的應(yīng)用，不論磁致伸縮 12, 26, 40, 57或是壓電裝置 35, 39都會(huì)使用，是因?yàn)樗牡?Q 值（Q 是一個(gè)能量峰值銳度的度量），磁致伸縮換能器允許振動(dòng)通過很寬的頻率傳輸帶傳輸（例如，20KHz 的發(fā)生器為 17-23KHz）58.它也允許變幅桿有更大的設(shè)計(jì)靈活性并且可以適應(yīng)刀具磨損。此外

11、，變幅桿還可重復(fù)設(shè)計(jì)/加工幾次而不會(huì)有臨界振幅損失4, 30, 46。磁致伸縮換能器主要的缺點(diǎn)是其高電力損失（例如電渦流損失）和低能量效率（約等于 55%）40，這些損失以熱的形式出現(xiàn)，換能器必須空冷/水冷而且換能器的體積龐大笨重，而且，相比于壓電型，該換能器不適于產(chǎn)生高強(qiáng)度振動(dòng) 59, 60，典型的壓電換能器 26, 42, 53, 61由兩盤鋯鈦酸鉛或其他合成陶瓷組成62，其厚度通常不到超聲波換能器總長的 10%63。壓電傳感器有更高的能量效率（約等于9096%），因此不需要任何冷卻18,28, 59。它不易產(chǎn)生熱損傷，并且更容易適應(yīng)旋轉(zhuǎn)操作61并且更容易安裝。2.2 超聲變幅桿和刀具組件

12、變幅桿被稱為聲耦合器，速率/機(jī)械轉(zhuǎn)換器，刀架，集中器，樁模塊或超聲波發(fā)生器，見圖 4。換能器表面的振幅過?。?.001-0.01m）而無法達(dá)到合適的切削率，因此，變幅桿可作為放大設(shè)備。對每種變幅桿材料 65來說，其最佳調(diào)諧都是不同的，因此需要控制高機(jī)械 Q 值、良好的焊接和釬焊性、良好的聲傳輸特性、在高工作振幅下的高抗疲勞特性，并且也應(yīng)耐腐蝕和有足夠高的強(qiáng)度來附加螺紋附件，蒙乃爾銅鎳合金，鈦 6-4(IMI 318)，AISI304 不銹鋼，鋁和鋁青銅合金是常用的材料1, 4, 20, 40, 6467。該刀具的設(shè)計(jì)應(yīng)該能提供在給定頻率的波腹內(nèi)的最大振幅61，所使用的材料應(yīng)具有高耐磨性、電阻性

13、，較好的彈性，抗疲勞強(qiáng)度并且有該應(yīng)用下最佳的強(qiáng)度和硬度 16, 27, 64。碳化鎢，銀器鋼鐵，蒙泰爾銅鎳合金，是較常用的刀具材料。多晶金剛石（PCD）近來被用于加工非常堅(jiān)硬的工件材料，例如熱等靜壓氮化硅68。刀具可以通過敢接或釬焊，螺紋/錐度配合連接到變幅桿，另外，實(shí)際刀具的結(jié)構(gòu)可以被加工在變幅桿的末端14, 27, 35, 66, 70, 71，螺紋接頭由于換刀的快速和易用被照例使用，然而，還是存在些問題，例如自松動(dòng)，聲功率損耗，疲勞失效等72。但使用開孔刀具進(jìn)行深孔鉆時(shí)，通過變幅桿和刀具的中心進(jìn)給磨料的能力是一個(gè)很大的優(yōu)勢，可以因此減少側(cè)向摩擦力27。2.3 刀具進(jìn)給的推進(jìn)機(jī)制和磨料供給

14、系統(tǒng)刀具通常經(jīng)由配重/靜態(tài)重量，彈簧，氣/液或電磁進(jìn)給系統(tǒng)施加靜態(tài)負(fù)載使之置于工件之上16, 26,27, 40, 73，為獲得最佳效果，加工時(shí)系統(tǒng)應(yīng)保持相同的工作力方向，并且保持對切削方向阻力的足夠的敏感性16, 40。施加的力必須仔細(xì)選擇，因?yàn)槿粼O(shè)置太低就無法達(dá)到最大的切削速度，若設(shè)置太高則會(huì)導(dǎo)致刀具和磨料之間的干擾3, 70。比較有代表性的靜負(fù)載值約為 0.1-30N，鉆直徑小于 0.5mm 的小孔時(shí)的力要特別注意，在太高的負(fù)載下有可能導(dǎo)致刀具彎曲。圖 4.各類帶/不帶刀具頭的變幅桿69懸浮液通常是在刀具表面由泵噴射出，吸出，或二者相結(jié)合，正如圖 5 中所示13, 16, 28,40,

15、74。它是變幅桿、刀具，工件的冷卻劑，為切割區(qū)域提供新的磨料，從切割區(qū)域清除碎屑 2, 25, 27, 28，懸浮液同時(shí)也提供了刀具、磨料和工具間的聲結(jié)合，允許高效的能源轉(zhuǎn)換，橫向進(jìn)給的管道是與變幅桿的波節(jié)面相連接（相鄰），以此來避免阻尼的影響16,27。最普通的磨料材料常用氧化鋁，碳化硅，碳化硼，等等4, 12, 24, 27, 37, 7578，磨料輸送媒介應(yīng)控制低粘度并且接近磨料密度，良好的濕潤性，較好和較高的熱導(dǎo)率，高效的高溫冷卻性，親水性，盡量滿足這些要求3, 26, 28。圖 5.懸浮液傳輸方法13, 16, 28, 40, 743 材料去除原理Shaw35，Miller 79,

16、Cook 80, Rozenberget al.7 and others 22, 23, 43, 60已經(jīng)對材料去除原理做了大量的工作，這些原理在圖 6 中有詳細(xì)敘述，其包含了：·直接錘擊工件表面的研磨顆粒所導(dǎo)致的機(jī)械磨損10, 28, 34, 35, 37, 40, 50, 60, 70, 81;·沖擊自由移動(dòng)研磨顆粒所產(chǎn)生的微小碎屑28, 35, 37, 50, 70,81, 82;·來自研磨懸浮液的氣穴現(xiàn)象效果·與流體有關(guān)的化學(xué)作用上述機(jī)理的單獨(dú)或聯(lián)合作用通過切變13, 36, 70或斷裂（對硬性材料或加工硬化材料）13 去除工件材料，材料的去除是

17、在表面上，不需要移動(dòng)，同時(shí)表面上有短暫的塑性變形13,36。多孔材料如石墨與硬化鋼和陶瓷相反，對于材料去除來說，氣蝕具有重大的貢獻(xiàn)10, 23,28, 35, 37, 81，Markov 21等人27, 35認(rèn)為氣蝕和化學(xué)效應(yīng)是第二大重要性，多數(shù)工件材料作用本質(zhì)上是削弱工件表面，協(xié)助磨料循環(huán)利用和排除碎屑，在 RUM 中，Komaraiahetal.83 和 Enomoto 84 發(fā)現(xiàn)在脆性材料中赫茲裂縫的形成所要求的靜負(fù)載要小于滑動(dòng)縮進(jìn)。圖 6 USM 材料去除原理 81.3.1 各種操作參數(shù)對材料去除率的影響在加工前可以通過加速器 10,電渦流探針30, 85，激光多普勒測量儀（doppl

18、ermeter）86，激光斑點(diǎn)干涉儀58測量超聲刀具振幅，通過使用高轉(zhuǎn)化率刀具，如換能器直徑比率 27, 39，獲得高頻振幅，理想情況下，為了優(yōu)化切割速度 3, 4, 6, 10, 13, 24, 49, 66，振幅應(yīng)該與粗磨料平均直徑相等，Shaw 35 認(rèn)為了 MRR3/4，其他研究者77, 79,87認(rèn)為MRR，也有部分人認(rèn)為頻率和靜負(fù)載恒定時(shí) MMR2。通常的，當(dāng)?shù)毒哒駝?dòng)的幅度增加時(shí) MRR 增加（其他變量不變）40, 77，盡管如此，還是存在一個(gè)使 MRR 降低的振幅水平，如圖 7 所示。一些作者6, 27, 75 認(rèn)為，MRRf2直到 f 為 400Hz。在更高的頻率（直到 5kH

19、z），頻率和 MRR 被發(fā)現(xiàn)存在線性關(guān)系，超過一個(gè)上限值后，MRR 迅速下降，Rozenberg 等人7和 Kainth 等人22認(rèn)為，在實(shí)際操作中，其他參數(shù)不變，靜態(tài)負(fù)載從零增加，MRR 和靜態(tài)負(fù)載存在近似線性關(guān)系。超過一個(gè)最佳值后，由于到達(dá)變幅桿/工件相接面的磨料顆粒大小的減小和懸浮液循環(huán)不足7, 16, 26, 43, 60, 75, 88, 90，MRR 也隨之減少，最大加工速度的最佳靜負(fù)載被發(fā)現(xiàn)是取決于刀具結(jié)構(gòu)（例如橫截面積和形狀）和磨粒平均尺寸，如圖 8 所示，Kops 92表明，采用一種小于最佳值（基與 MRR）的靜負(fù)載，可以更好地減少磨料磨損和提高刀具壽命。圖 7 振幅和穿透速

20、度的影響磨料硬度應(yīng)該比工件材料高，通常，更大的磨料尺寸2, 5, 19, 27, 35, 70, 93和更高的懸浮液濃度3, 13, 23, 28, 59,66, 81可以達(dá)到更高的 MRR，增加磨粒尺寸或懸浮液濃度，可以達(dá)到最佳 MRR 值，其他方面的提高都難以使更大的磨粒到達(dá)切割區(qū)域 5, 7, 10, 40, 60, 87或使 MRR 下降，懸浮液濃度建議為 30% 1, 13, 27, 59, 77, 87, 94，Kazantsev 74宣稱無需提高磨粒尺寸或機(jī)器功率，懸浮液的強(qiáng)制輸送提高了 USM 的輸出。與抽吸泵系統(tǒng)相比較，它產(chǎn)生了 2-3 次更高的 MRR。就 MRR 而言，水

21、的性能通常優(yōu)于其他油類如苯和甘油水溶液，Pentland 等地和其他國家發(fā)現(xiàn)提高懸浮液循環(huán)，氣穴現(xiàn)象，污染物和堵塞效應(yīng)能被減少甚至克服。雖然超聲波加工允許工件材料可硬可軟，但是脆性材料更適合用這種加工方法，硬性材料通過脆性斷裂被切除而不是塑形斷裂，像低碳鋼這種塑形材料是通過塑形斷裂切除的，在這種情況下，磨粒會(huì)容易被嵌進(jìn)工件12, 13, 28, 36，降低工件材料斷裂韌度或者以楊氏模量的比率增加刀具的硬度講導(dǎo)致更高的 MMR25, 41, 55, 84，如圖 9 和圖 10，工件材料的機(jī)械性能和它的斷裂形式對于它采用何種加工形式是很重要的。根據(jù)已有的報(bào)告顯示，切削率跟刀具的形式和形狀系數(shù)（刀具

22、的周長和面積之比）成正比16, 60, 77, 79。該刀具的形式是由耐懸浮液循壞定義，窄的矩形截面的刀具于具有相同面積的正方形截面的刀具相比，前者能產(chǎn)生較高的加工速率16, 40, 87，如圖 11 所示，Goetze77報(bào)告稱對于相同接觸區(qū)域的刀具，周長較長的刀具更具有滲透率的上升空間，產(chǎn)生這個(gè)影響的主要原因是磨料漿在加工區(qū)域充分發(fā)散由困難3, 16, 40, 96。對于較小截面積的刀具而言，如何在靜載荷下調(diào)整出最佳加工狀態(tài)變得非常重要，這會(huì)使得在相同條件下，切削率會(huì)更好（見圖 8）。有一些學(xué)者70, 71, 77, 90研究出套料刀具最佳的條件是內(nèi)部直徑與外部直徑之比大約為 0.45，刀

23、具的厚度下限是不小于 5 倍的磨粒粒度16, 27。刀具材料的硬度影響 MRR，刀具的磨損率，工件的精度等41。Komaraiah97和其他等人已經(jīng)研究出，各種刀具材料優(yōu)劣排名如下 1.Nimonic80A ， 2.釷鎢， 3.銀器鋼，4.不銹鋼，5.馬氏體時(shí)效鋼， 6.鈦，7.低碳鋼，Neppiras27用了其他刀具材料給了如下排名 1.鎢碳化物，2.黃銅，3.低碳鋼，4.銀器鋼，5.不銹鋼，6.銅，用金剛石做刀具能表現(xiàn)出良好的材料去除特性和非常低的磨損率。圖 8 在不同截面下靜負(fù)載和穿透速度的對比圖9影響陶瓷斷裂韌度的USM MRR和相對磨損（55）圖10 不同材料在USM & R

24、UM 下，不同的H/E對MRR 的影響圖11 相同截面積的刀具的不同形狀對MRR的影響在旋轉(zhuǎn)超聲波加工中，刀具的旋轉(zhuǎn)能增強(qiáng) MRR，工件的精度，在一些情況下還能減少切削力12, 76，增加了刀具的壽命27. 在相同條件下旋轉(zhuǎn)超聲波加工中 MRR 是用金剛石進(jìn)行磨削時(shí)的 6 倍左右，是傳統(tǒng)超聲波加工的 4 倍，Komaraiah et al. 83等人表示旋轉(zhuǎn)超聲波加工比傳統(tǒng)超聲波加工性能優(yōu)越的原因可以用工件表面的壓痕，工件和刀具之間的游離磨粒，晶粒之間的滑動(dòng)接觸來解釋，對于旋轉(zhuǎn)超聲波加工，Prabliakar 66 和 Komaraiah 90等人表示較高的轉(zhuǎn)速得到了較高的材料去除率，在一般情

25、況下，最佳的鉆孔深度應(yīng)該是該刀具直徑的 2 到 5 倍之間，但是在懸浮液不斷供給的條件下得到的16, 87。4 刀具磨損刀具磨損是超聲波加工的一個(gè)重要變量，既影響材料去除率和孔的精度38, 28, 87, 94,98，在超聲波加工中，復(fù)合刀具的磨損圖案可分為縱向磨損 WL 71, 87, 94, 橫向，側(cè)向，徑向磨損 WD 99, 有些會(huì)出現(xiàn)氣蝕和吸入磨損現(xiàn)象38, 71, 75, 100。4.1 各個(gè)運(yùn)行參數(shù)對刀具磨損的影響Adithan 71 and Venkatesh 38研究表明，刀具磨損在一個(gè)特定點(diǎn)時(shí)最大，這時(shí) MRR 也是最大的，材料去除率下降超出了這個(gè)最佳靜載荷點(diǎn)，當(dāng)使用較硬較粗

26、糙的磨粒時(shí)，刀具磨損趨于增大如圖 12 所示，因此，相同截面積的刀具38, 99。硬質(zhì)磨粒如碳化硼和軟質(zhì)材料如碳化硅相比，前者會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的刀具磨損，刀具磨損也會(huì)受工件的硬度影響，也會(huì)被工件的韌性影響，那種性能變得堅(jiān)韌的陶瓷不太合適用超聲波加工，它會(huì)導(dǎo)致很高的刀具磨損量，它比常規(guī)陶瓷需要更高的加工速率6, 101。如果刀具硬度增加是由加工硬化引起的，那么磨粒會(huì)進(jìn)入刀具，從而導(dǎo)致工件材料去除率降低，此外，工件的偏移會(huì)更加嚴(yán)重，這樣導(dǎo)致工件形成凸面，也會(huì)使刀具中心產(chǎn)生塑形變形，形成碟狀，此外，研究發(fā)現(xiàn)對于所有刀具材料而言刀具外緣的硬化程度最高，中間最小97.所以，例如黃銅和銅是不適合做道具材料，

27、因?yàn)樗鼈冊诖笳袷幒痛笳穹聲?huì)產(chǎn)生很多毛刺3, 30，他們降低聲波頻率衰減應(yīng)力波，使用硬質(zhì)金屬如碳化鎢來降低塑形變形和刀具磨損量48。為了降低 WL，H,和沖擊力，像一些具有高價(jià)值的硬性材料如 Nimonic 80A)，它的推薦參數(shù)如圖 13 所示，H 和 not Ki 顯著影響著 WD97，要對所有刀具材料全面地評估 WD 和WL,建議使用 Nimonic 80A，釷鎢，銀鋼3, 97。伴隨的孔的深度71和切削時(shí)間10, 11的增加，刀具的磨損會(huì)成線性增加。5 超聲波加工對工件表面光潔度和粗糙度的影響超聲波加工不會(huì)明顯的發(fā)熱，這樣可以避免局部發(fā)生熱損傷和殘余應(yīng)力，磨粒粒度大小會(huì)顯著影響工件精度

28、和工件表面粗糙度4, 23, 26, 36, 40, 73, 82, 94，在超聲波加工中，降低粒度的大小能得到較低的表面粗糙度如圖 14 所示，加工孔的精度也會(huì)提高，孔的底部的精度會(huì)比孔內(nèi)壁高2, 5, 7, 60, 86, 102。Dam 等人認(rèn)為當(dāng)切削速度和切削深度降低的時(shí)候能得到更高的表面光潔度。提高表面光潔度的方法上面已介紹16, 23, 27,86, 87，Kovalchenko5和 Kennedy16指出在孔底面加工一個(gè)平面是非常困難，因?yàn)樵诩庸て矫嫔蠎腋∫悍植疾痪鶆颍瑢?dǎo)致刀具中心的有效磨粒減少，尤其是工件是硬陶瓷，稍好的表面光潔度可以用硬度和粗糙度較低的材料獲得2。圖 12.磨

29、料粒度對刀具磨損的影響圖 13.產(chǎn)品的硬度和沖擊強(qiáng)度對刀具縱向磨損的影響圖 14.碳化硼的粒度大小對表面粗糙度的影響用超聲波加工的孔的生產(chǎn)精度必須采取尺寸精度和形狀精度面（圓柱度和錐度），入口的精度值是最大的，隨著切削深度增加而增加，增加量相當(dāng)于一個(gè)磨粒值的上線，直徑長度的比值的增加會(huì)導(dǎo)致橫向震動(dòng)的增加從而造成更大的偏差，40, 50。Shaw 35和其他研究者3,23,40, 73, 83研究表明通過降低磨粒大小，并抑制刀具的橫向震動(dòng)能增加靜態(tài)載荷，從而減少了表面粗糙度，因此也能提高圓柱度和錐度，如圖 15 所示，Adithan 73等人發(fā)現(xiàn)得到的矩形孔的精度明顯比用鉆得到的高，如圖 16

30、表明具有高楊氏模量的材料更容易受非圓柱度影響。圖 15 靜負(fù)載對圓柱度的影響影響尺寸精度和形狀精度的因素還有聲學(xué)元件和超聲波刀具的精度16, 27, 40, 73?？梢酝ㄟ^碳化鎢和不銹鋼73，作為刀具材料，內(nèi)部懸浮液循環(huán)23, 73, 86，負(fù)前角，細(xì)磨料16, 23，27, 40, 87來減少錐度，增加刀具的震動(dòng)幅度和使用粗磨粒能提高進(jìn)入工件的穿透力，Kremer23等人發(fā)現(xiàn)超聲波產(chǎn)生的石墨的原因是由于氣穴現(xiàn)象面，污染影響了表面光潔度引起的。Markov 87認(rèn)為是表面粗糙度影響 MRR，然而 Komaraiah 表明各種材料的表面粗糙度在傳統(tǒng)超聲波和旋轉(zhuǎn)超聲波加工均有體現(xiàn)，如圖 17 在精

31、加工中用機(jī)油代替水的操作被認(rèn)為能增加表面光潔度，但卻導(dǎo)致切削速率的降低16, 23, 27, 40, 87，工件哪里需要高精度，在加工階段必須始終執(zhí)行，尺寸精度為±5 m 可以在很多材料中獲得36，如圖 16 所示，更細(xì)的磨粒能得到更低的表面粗糙度40。圖 16.H/E 對圓柱度和 MRR 的影響 懸浮液：180 網(wǎng)狀 SiC，回轉(zhuǎn)速度 200rpm6 變幅桿和刀具的設(shè)計(jì)變幅桿的設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)，很多學(xué)者都研究過，但是卻還是不明了7, 63, 67, 104106，傳統(tǒng)變幅桿的設(shè)計(jì)是基于一個(gè)考慮彈性力和慣性力的無窮小的平衡微分方程，然后在其整合的情況下，元件和變幅桿能產(chǎn)生共振56, 1

32、06, 107，變幅桿的長度取決于工作頻率，并且對能量放大器沒影響，典型的設(shè)計(jì)包括：圓柱形，階梯，錐形和指數(shù)型11，88，107，調(diào)諧從換能器這里結(jié)束，其中 10-15 毫米應(yīng)要進(jìn)行調(diào)諧16，25，40，65，107，108。然而，在助力器變幅桿，任何降低的情況下在長度必須做到使兩端減小同樣維持其正確共振。不遵守此規(guī)則將導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)，從轉(zhuǎn)變點(diǎn)換能器的前身支持，這將導(dǎo)致不必要的壓力，最終導(dǎo)致變幅桿的故障。圖 17 在 USM&RUM 下 H/E 對不同材料的表面粗糙度的影響圖 18.根據(jù)音叉原理設(shè)計(jì)的變幅桿縱向和橫向作用最近有限元分析應(yīng)用到軸對稱變幅桿的設(shè)計(jì),該方法可以考慮到刀具的重量和用于

33、漿料運(yùn)輸?shù)娜靠缀蛯⑵涔潭ㄔ趽Q能器所需的諧振頻率，有限元分析也評估工作應(yīng)力是否在確定的安全范圍之內(nèi)67，Dam 等人表示可以設(shè)計(jì)出一個(gè)變幅桿能將縱向超聲波左右轉(zhuǎn)換成縱向和橫向作用，如圖 18，這種橫向作用有利于輪廓形成。變幅桿的振動(dòng)限制了直徑小于 100 的小形狀切削過程53，通常長度超過 23 mm 的刀具會(huì)降低大約 0.51 kHz 的諧振頻率，但是當(dāng)鉆孔很深，這個(gè)孔的效率損失會(huì)被刀具自身產(chǎn)生的共鳴所克服，一般推薦的刀具長度與直徑之比應(yīng)小于 20 比 112 ，但是如果刀具的長度超過 10mm，那么變幅桿的重量應(yīng)與刀具重要相同11，刀具設(shè)計(jì)的詳細(xì)指導(dǎo)由Rozenberg 等人完成。7 總結(jié)

34、1.USM 的是一種不依賴于導(dǎo)電工件的非熱過程，并且很適合于低延展性和硬度高于40HRC 的工件加工。2.USM 被認(rèn)為是一個(gè)應(yīng)力和損壞自由的過程。3.對輪廓 USM 推薦使用共振發(fā)生器，自動(dòng)調(diào)整輸出高頻率去匹配變幅桿/刀具組件的精確諧振頻率。它也可以適應(yīng)裝配和刀具磨損的任何微小錯(cuò)誤，給出最小聲波能量損耗和非常小的發(fā)熱性。4.形狀復(fù)雜的生產(chǎn)可以通過使用一個(gè)簡單的工具造型和 CNC 雕刻來實(shí)現(xiàn) 而非堅(jiān)持用復(fù)雜的工具，然而，該工作區(qū)域只是在早期階段。5.變幅桿材料應(yīng)具有較高的機(jī)械 Q 值，良好的焊接和釬焊的特點(diǎn)，良好的聲學(xué)傳播特性和高工作幅度高耐疲勞性。他們也應(yīng)該是耐腐蝕，具有足夠高的強(qiáng)度來附加螺

35、絲附件。6.刀具材料應(yīng)具有高的耐磨性，良好的彈性和抗疲勞強(qiáng)度特性，并具有該應(yīng)用下最佳的韌性和硬度。7.它是變幅桿、刀具，工件的冷卻劑，為切割區(qū)域提供新的磨料，從切割區(qū)域清楚碎屑 ，懸浮液同時(shí)也提供刀具、磨料和工具間的聲結(jié)合，允許高效的能源轉(zhuǎn)換。8.磨料輸送媒介應(yīng)控制低粘度并且接近磨料密度，良好的濕潤性，較好和較高的熱導(dǎo)率，高效的高溫冷卻性。9.最大加工速度的最佳靜負(fù)載被發(fā)現(xiàn)是去取決于刀具結(jié)構(gòu)（例如橫截面積和形狀），振幅和磨粒平均尺寸。10.研磨材料應(yīng)比工件硬，并且通常較大的磨粒尺寸和更高的懸浮液濃度產(chǎn)生更高的MRR。11.降低工件斷裂韌性或增加工具的硬度比至楊氏模量，將得到更高的 MRR。12

36、.RUM 超過標(biāo)準(zhǔn) USM 鏡頭的優(yōu)異性能可以通過解釋工件表面的壓痕的聯(lián)合作用，之間的滑動(dòng)接觸上的游離磨粒/工件之間的刀具/工件和滾動(dòng)接觸嵌入式粒。13.變幅桿和刀具的設(shè)計(jì)在提供諧振 USM 系統(tǒng)最大限度地去除材料中發(fā)揮了重要作用。參考文獻(xiàn)1 Moreland, M. A., Versatile performance of ultrasonic machining. Cer. Bull., 1988, 67(6), 10451047.2 Gilmore R., Ultrasonic machining and orbital abrasion techniques, SME Technica

37、l Paper(Series)AIR,NM89-419, 1989, pp. 120.3 Neppiras, E. A. and Foskett, R. D., Ultrasonic machining II. Operating conditions and performance of ultrasonic drills. Philips Tech. Rev., 1957, 18(12), 368379.4 Moore D., Ultrasonic impact grinding, Proc. Non-traditional Machining Conf., Cincinnati,1985

38、, pp.137139.5 Kovalchenko, M. S., Paustovskii, A. V. and Perevyazko, V. A., Influence of properties of abrasive materials on the effectiveness of ultrasonic machining of ceramics. Sov. Powder Metallurgy and Metal Cer., 1986, 25(7), 560562.6 Gilmore R., Ultrasonic machining of ceramics, SME Paper, MS

39、90-346, 1990, 12 p.7 Rozenberg L. D., Kazantsev V. F. et al., Ultrasonic cutting, Consultants Bureau, New York,1964.8 Kohls, J. B., Ultrasonic manufacturing process: Ultrasonic machining (USM) and ultrasonic impact grinding (USIG). The Carbide and Tool J., 1984, 16(5), 1215.9 Haslehurst M., Manufact

40、uring technology(3rd edn.), 1981, pp. 270271.10 Soundararajan, V. and Radhakrishnan, V., An experimental investigation on the basic mechanisms involved in ultrasonic machining. Int. J. MTDR, 1986, 26(3), 307321.11 Satyanarayana, A. and Krishna Reddy, B. G., Design of velocity transformers for ultras

41、onic machining. Electrical India, 1984, 24(14), 1120.12 Drozda T. J. and Wick C., Non-traditional machining Book chapter 29:Tool and manufacturing engineers handbook(Desk Ed.), Soc. Manuf Engrs, Dearborn, MI, ISBN No. 0872633519, 1, 1983, pp. 123.13 Pentland, E. W. and Ektermanis, J. A., Improving u

42、ltrasonic machining rates some feasibility studies.J. Engg. for Ind., Trans. of the ASME, 1965, 87(Series B), 3946.Cork,Ireland, September 1995, pp. 305312.14 Lehman R. L., Primer on engineering ceramics, Ad. Materials and Processes, 141(6), 1992.15 Brook R. J., Concise encyclopedia of advanced cera

43、mic materials, Pergamon Press, 1991, pp.12 and p. 488.16 Kennedy, D. C. and Grieve, R. J., Ultrasonic machining A review. The Prod. Engineer，1975, 54(9),481486.17 Perkins J.,An outline of power ultrasonics, Technical Report by Kerry Ultrasonics, 1972, 7 p.18 Farago, F. T.,Abrasive methods engineerin

44、g. Industrial Press, 1980, 2, 480481.19 Moreland M. A., Ultrasonic impact grinding: What it is: What it will do, 1984 Proc. 22nd Abrasive Engg. Soc. Conf.: Abrasives and Hi-Technology,A2-way Street, 1984, pp. 111117.20 Seah, K. H. W., Wong, Y. S. and Lee, L. C., Design of tool holders for ultrasonic

45、 machining using FEM.J. Materials Processing Technology, 1993, 37(1-4), 801816.21 Markov, A. I., Kinematics of the dimensional ultrasonic machining method. Machines and Tooling, 1959,30(10), 2831.22 Kainth, G. S., Nandy, Amitav and Singh, Kuldeep, On the mechanics of material removal in ultrasonic m

46、achining. Int. J. MTDR, Pergamon Press, 1979, 19, 3341.23 Kremer, D., The state of the art of ultrasonic machining. Annals of the CIRP, 1981, 30(1), 107110.24 Gilmore, R., Ultrasonic machining: A case study.7 Int Conf on Computer-Aided Prod. Engg.,1991, 28(1-2), 139148.25 Moreland M. A., Ultrasonic

47、machining Book chapter: Ceramics and glasses, ASM International, Engineering Material Handbook, 4,pp. 359362, ISBN 0871702827, Schneider and Samuel J. (1991).26 Nishimura, G., Ultrasonic machining Part I. J. Fac. Engg. Tokyo Univ., 1954, 24(3), 65100.27 Neppiras E. A., Report on ultrasonic machining

48、, Metalworking Prod., 100,pp. 12831288,13331336,13771382, 14201424, 14641468, 15541560, 15991604 (1956).28 Weller, E. J., Non-traditional machining processes (2nd edn.),Soc. of Manuf. Engineers, 1984,pp. 1571.29 Farrer, J. O., English Patent No. 602801 from 3.6.1948 USM30 Scab, K. H. W. et al., Para

49、metric studies of ultrasonic machining, SME Tech. paper,MR90-294, 1990,11 p.31 Neppiras, E. A., Macrosonics in industry: 1. Introduction. Ultrasonics, 1972, 10, 913.32 Balamuth, L., Ultrasonic vibrations assist cutting tools. Metalworking Prod., 1964, 108(24),7577.33 Kremer, D., New developments on

50、ultrasonic machining, SME Technical Paper, MR91-522,1991, 13 p.34 Clifton, D., Imal, Y. and McGeough, J. A., Some ultrasonic effects on machining materials encountered in the offshore industries, Proc. 30th Int. MATADOR Conf., 1993, pp. 119123.35 Shaw, M. C., Ultrasonic grinding. Microtechnic, 1956,

51、 10(6), 257265.36 Neppiras, E. A., Ultrasonic machining and forming. Ultrasonics, 1964, 2, 167173.37 Machining data handbook (3rd edn.), Compiled by the Technical Staff of the Machinability Data Centre, Cincinnati Metcut Research Associates Inc., 1980, 2,4363.38 Venkatesh, V. C., Machining of glass

52、by impact processes. J. Mech. Working Technology,1983, 8,247260.39 Hartley, M. S., Ultrasonic machining of brittle materials. Electronics, 1956, 29(1), 132135.40 McGeough, J. A., Advanced methods of machining, Chapman and Hall, ISBN 0412319705,1988, pp.170198.41 Komaraiah, M., Manan, M. A., Narasimh

53、a Reddy, P. and Victor, S., Investigation of surface roughness and accuracy in ultrasonic machining. Precision Engg., 1988, 10(2), 5965.42 Balamuth, L. A., Ultrasonic assistance to conventional metal removal. Ultrasonics, 1966, 4,125130.43 Graff, K. F., Macrosonics in industry: 5. ultrasonic machini

54、ng. Ultrasonics, 1975, 13, 103109.44 Ultrasonics can aid conventional machining, Metalworking Prod., 1962, 106(38), 55-56.45 Isaev, A. I., Learning with ultrasonically vibrated reamers. Machines and Tooling, 1962,33(6), 2730.46 Moreland, M. A., Ultrasonic advantages revealed in the hole story. Cer.

55、Appl. Manuf.,1988,187, 156162.47 Murti, V. S. R. and Philip, P. K., A comparative evaluation of ultrasonic assisted EDM through topographical indices, 12th AIMTDR Conf., IIT Delhi, Tata McGraw Hill, New Delhi,1986, pp. 365369.48 Halm, R. and Schulz, P., Ultrasonic machining of complex ceramic compon

56、ents, Erosion AG Report, DKG 70. No. 7, 1993, 6p.49 Black, P.,An ultrasonic impact grinding technique for electrode-forming and redressing, Proc. Non-traditional Machining Conf., Cincinnati, Ohio, ASM, 1985, pp. 129136.50 Kremer, D., Bazine, G. and Moison, A., Ultrasonic machining improves EDM.techn

57、ology, Electro machining, Proc. 7th Int. Symp., ed. by Prof. Crookall J. R., Birmingham, UK,1983, pp. 6776.51 Ghabrial, S. R., Trends towards improving surfaces produced by modem processes, Wear,109,No. 14,Paper presented at the 3rd Int. Conf. on Metrol and Prop. of Engg Surf, Teesside, Engl., 1986, pp.113118.52 Thoe, T. B., Ultrasonic contour machining of ceramic materials, MPhil Thesis, Uni. Of B