超聲波加工機床及其發(fā)展

1、超聲波加工機床及其發(fā)展UltrasonicMachiningToolandItsDevelopment天津大學陶瓷與加工技術實驗室(300072)程學艷郭文娟林彬于思遠【摘要】介紹了旋轉超聲波加工的基本原理以及超聲波機床的基本組成,包括超聲波電源、換能器、變幅桿以及工具,闡述了超聲波機床的發(fā)展,并介紹了日本現行生產的超聲波機床。關鍵詞超聲波加工超聲波電源振蕩系統Keywordsultrasonicmachining,ultrasonicpowersupply,oscillationsystem中圖分類號:TH661文獻標識碼:A各種硬脆材料和硬脆復合材料很難用傳統刀具進行加工,因而往往采用非傳

2、統的工藝方法進行加工,這些非傳統工藝方法多數直接使用各種能量,如超聲波加工和激光加工等。超聲波加工始于1927年,已有七十多年的發(fā)展歷史,適合于加工各種硬脆材料,如玻璃、陶瓷、石英、金剛石、硅等。壓沖擊波和負壓空化作用下強化了加工過程。因此,超聲波加工實質上是磨料的機械沖擊與超聲波沖擊及空化作用的綜合結果。在傳統超聲波加工的粒不斷地沖擊和劃擦工件表面,把工件材料粉碎成很小的微粒去除,以提高加工效率。1超聲波加工的基本原理及特點圖1波,使懸浮液中的磨粒不斷地撞擊加工表面,把硬而脆的被加工材料局部破壞而撞擊下來。在工件表面瞬間正負交替的正系統控制車床主軸(Y向)和車床縱向(Z向)作聯動運行,可以銑

3、削加工軸類零件端面上各類(不同規(guī)格尺寸)曲面形狀,還可數控銑削加工凸輪型面。(接上頁)圖1超聲波加工原理超聲波加工精度高,速度快,加工材料適應范圍向步進電機控制車床的縱向進給運動,Y向步進電動機控制FW160型萬能分度頭驅動車床主軸旋轉運動。與普通車床進行數控改造的區(qū)別是使數控系統中Y向原有的直線運行巧妙地變化為工件的旋轉運行,并且使工件轉動1周的運行位移長度恒定為Ly=5×40=200mm。實踐證明,采用該方法對普通車床進行數控改造,可使改造后的車床有一定的數控銑削功能,并通過串聯2套經濟型數控系統實現了多軸聯動控制,拓寬和擴展了數控車床的加工范圍,具有很強的實用性。3.5車削加工

4、軸類零件脫開FW160型萬能分度頭與 軸左端的連接,恢復車床原主軸運動的旋轉運動連接,當動力銑頭夾持圓柱柄狀刀桿的車刀(最好使用機械不重磨固夾車刀),或者更換動力銑頭為電動刀臺進行切削時,就可恢復普通的數控車削加工。3.6拋磨加工軸類零件同上述,當更換各類成型砂輪或拋光輪替代銑刀,亦可進行軸類零件的磨削或拋磨加工。參考文獻4結語對普通車床采用三軸聯動或二軸半(三坐標任意二軸聯動)的數控系統進行改造,可使程序的編制更簡便,效果更佳。上述CA6140普通車床的數控改造中,用X向步進電機控制車床的橫向進給運動,Z40新技術新工藝機械加工與自動化2004年第10期廣,可加工出復雜型腔及型面,加工時工具

5、和工件接觸輕,切削力小,不會發(fā)生燒傷、變形、殘余應力等缺陷,而且超聲加工機床的結構簡單,易于維護。磁致伸縮換能器工作時會大量生熱,產生較大的電能損失,且使電聲轉換效率降低。因此,必須用水或空氣進行冷卻,從而使換能器尺寸增大。2)壓電效應法利用壓電晶片(材料)在外電場中隨電場方向的改變而形變發(fā)生相反變化的壓電效應原理,將高頻電振蕩轉變?yōu)闄C械振動的器件稱為壓電換能器。壓電材料一般有壓電單晶、壓電陶瓷和壓電薄膜3類。最典型的壓電換能器是由2個圓形的鋯鈦酸鉛或是厚度小于總超聲換能器厚度10%的合成壓電陶瓷構成。壓電換能器電聲轉換效2超聲波加工機床的基本組成超聲加工機床為實現旋轉超聲加工,一般要由機床本

6、體、超聲波電源、超聲振動系統、主軸旋轉系統、主軸軸向進給系統、軸向力反饋保護系統等組成,分述如下。2.1超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器的作用是將50Hz的交流電轉變?yōu)橐欢üβ实某曨l振蕩,以提供工具作超聲頻振動和切除工件材料所需的能量。目前常用的超聲波發(fā)生器功率為204000W。在傳統的超聲波加工系統中,變幅桿和工具是裝配在一起的,通過調整其尺寸以達到機械諧振的目的。但現在可用頻率跟蹤發(fā)生器自動調整輸出頻率,使其與變幅桿和工具組合的諧振頻率相匹配,且能調整因裝配誤差、工具磨損、造成的較小誤差。安全性能,:、變幅桿 2.2超聲波振蕩系統的作用是將高頻電振蕩電能變?yōu)闄C械振動能,主要由超聲換能器、變幅桿及

7、工具3個部分組成。超聲波換能器的作用是將高頻電振蕩轉變?yōu)闄C械振動。實現這種轉變主要采用以下2種方法。1)磁致伸縮法某些鐵磁體或鐵氧化體在變化的磁場中,由于磁場的變化,其長度也發(fā)生變化(伸長或縮短)的現象,稱為磁致伸縮效應(亦稱焦耳效應)。磁致伸縮換能器可分為2類:金屬磁致換能器和鐵氧體磁致換能器。金屬磁致換能器的機械強度高,工作效能穩(wěn)定,單位面積輻射功率大,電聲轉換效率一般為30%40%;鐵氧體換能器電聲轉換效率高(>80%),但機械強度不高,單位面積輻射功率小。磁致伸縮換能器因為具有較低的Q值(Q是能量峰值的銳度),所以它能傳遞很寬的頻率(例如:對于20kHz的超聲波發(fā)生器傳遞頻率范圍

8、是1723kHz)。這使變幅桿設計的靈活性增大,也使與變幅桿連接在一起的刀具允許在加工中磨損后可重磨。另外,在保證變幅桿振幅沒有較大損失的情況下,可對其進行幾次加工或重新設計。率高(90%96%),不易有熱量損失,不需要任何冷卻措施,適應旋轉操作,生產容易。但要得到0.11GHz級的超高頻超聲波換能器需要將壓電晶片做得非常薄,加工很困難,所以對,但,5.5dB、相對帶寬為0.96。目前所使用的超聲換能器,絕大多數仍然是壓電晶體材料,其中鋯鈦酸鉛類壓電陶瓷又居多數。這是因為鋯鈦酸鉛類強電介質材料,經燒結、極化后所形成的壓電陶瓷,容易加工,表征能量轉換效率的縱向機電耦合系數約70%,相對其他壓電材

9、料,其值較大。超聲波加工。變幅桿之所以能放大振幅,是由于通過其任一截面的振動能量是不變的(傳播損耗不計),截面小的地方能量密度大,振動振幅也就越大。在進行大功率的超聲加工及精密加工時,往往將變幅桿與工具設計制成一個整體;在進行小功率的超聲加工及加工精度不高時,則將變幅桿與工具設計制成可拆卸式。變幅桿的基本形式有圓錐型、指數型、階梯型。此外,還有由2種以上單一形狀組成的組合型。在面積系數N一定時(N=S1 S2=D d,S1、S2、D、d分別為變幅桿輸入端及輸出端面積及直徑),階梯型變幅桿的放大倍數Mp最大,圓錐型變幅桿的放大倍數最小。但階梯型變幅桿由于半徑的突然變化會產生壓力集中,因此變幅桿容

10、易損壞。當放大倍數過大時,新技術新工藝機械加工與自動化2004年第10期41還可能發(fā)生側振,且對附加于端面的負荷較敏感。目前,對超聲變幅桿的研究和優(yōu)化已廣泛應用了CAD CAM技術和有限元分析技術。如使用ANSYS軟件對變幅桿進行優(yōu)化:首先分析需要的所有數據(材料屬性、頻率范圍等),定義結構的幾何天津大學也在超聲加工機床方面做了很多研究,對機床進行了模塊化設計研究,有利于產品的更新換代,可縮短設計和制造周期,降低成本,性能穩(wěn)定可靠,且給今后的維修帶來方便9。近年日本研制生產了多種超聲波加工機床,如:1)UM250VNR2型超聲波加工機床是微小孔的專用超聲加工機床,采用數控系統,自動化程度高,加

11、工孔的最小直徑為50.1mm,位置精度可達到±3m,操作簡單,變幅桿和工具采用可拆卸式,更換工具容易。2)UM2500DA自動型超聲波加工機床適合加工直徑為50.5mm560mm的孔,當加工完成后能自動回到原來位置,X、Y軸的進給精度為5m,且磨料供給系統好,深孔加工效率高。綜上所述,超聲加工技術是非常有效的加工手段,其發(fā)展和應用促進了超聲加工機床的發(fā)展,且隨著現代工業(yè)的需要,有進一步開發(fā)研究的必要。形狀;然后求解,計算固有頻率、位移、應變和應力;最后是估計分析結果和畫出應力曲線。工具是變幅桿的負載,其結構尺寸、質量大小以及與變幅桿連接的好壞,對超聲振動共振頻率和超聲波加工性能均有很

12、大影響。工具可以通過焊接或螺釘固定在變幅桿上;也可以和變幅桿設計成整體。采用可拆卸式,雖然能快速更換工具,但可能出現工具松懈、超聲能量損失、疲勞破壞等問題。采用中空變幅桿和工具在硬脆材料上加工深孔時,可通過變幅桿和工具的中心孔供給磨料,磨料供給能力得到增強,使加工效率得到提高。工具材料應有高的抗磨損性,好的彈性和高的疲勞強度,常用的工具材料有硬質合金、蒙乃爾銅2鎳合金等,其韌性和硬度要具有最佳值。,晶鉆石(PCD)3超聲振動系統是超聲設備的核心。以前普遍采用的超聲振動系統多為縱向振動方式,并按“全調諧”工作。近年來,對振動系統的工作方式、設計計算、振動方式及應用研究都取得新進展。陜西師范大學聲

13、學所丁大成等研制成一種縱彎型振動系統。利用該振動系統制成的YP型超聲車刀已獲國家專利。其特點是:克服了以往通常采用的“縱2彎”型振動系統的某些不足,且結構簡單,安裝方便,節(jié)能。日本還研制成一種“縱2扭”型超聲復合振動系統,壓電換能器采用兩組壓電陶瓷片,一組產生縱向振動,另一組產生扭轉振動。復合振動系統與四邊形油石連接后,其縱向振動頻率29.4kHz,扭轉振動頻率為19.4kHz。國內外研究表明,超聲旋轉加工是一種有效的加工方法,但有關設備、加工工藝相關技術正待研究開發(fā)。傳統的超聲加工機床自動化程度低,操作麻煩。隨著計算機技術的不斷發(fā)展,為了實現機床操作的自動化,現在清華大學已經開發(fā)了完全數控化的旋轉超聲加工機床,以工控PC為硬