超聲加工技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、超聲加工技術的現(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中或干磨料中產生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產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合的加工方法。超聲波加工技術是一種涉及面廣且更新快的機械加工技術。結合近年來超聲加工技術的發(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、超聲復合加工等方面的最新應用，并闡述了超聲加工技術的發(fā)展趨勢。 關鍵詞：超聲波加工、超聲振動、聲復合加工 、 應用、發(fā)展、 正文:1、超聲振動系統(tǒng)的研究進

2、展及其應用 超聲振動系統(tǒng)由換能器、變幅桿和工具頭等部分組成，是超聲設備的核心部分。在傳統(tǒng)應用中，超聲振動系統(tǒng)大都采用一維縱向振動方式，并按“全調諧”方式工作。但近年來，隨著超聲技術基礎研究的進展和在不同領域實際應用的特殊需要，對振動系統(tǒng)的工作方式和設計計算、振動方式及其應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，結構簡單，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合振動研磨機上成功應用。該系統(tǒng)壓電換

3、能器也采用半圓形壓電陶瓷片產生“縱-彎”型復合振動。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合，制造了一臺組合振動鉆孔設備，該設備能檢測鉆孔力的變化以及鉆孔精度和孔的表面質量，并用該組合設備在不同的振動條件下進行了一系列實驗。實驗結果表明，將金剛石中心鉆的超聲振動與工件的低頻振動相結合是加工硬脆材料的一種有效方法。 另一種超聲扭轉振動系統(tǒng)已在“加工中心”用超聲扭轉振動裝置上應用。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

4、扇形壓電陶瓷片構成，產生扭轉振動。2、 超聲加工技術應用研究2.1 深小孔加工 眾所周知，在相同的要求及加工條件下，加工孔比加工軸要復雜得多。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生變形，從而影響加工質量和加工效率。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，產生積屑瘤，使排屑困難，切削力增大等。其結果是加工效率、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。 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。結果表

5、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光 聚晶金剛石拉絲模超聲研磨拋光技術在國內外已獲得廣泛應用，新的超聲研磨拋光方法和設備已出現(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合拋光方法”，其特點是：采用超聲頻信號調制高頻電火花脈沖電源與超聲加工復合進行聚晶金剛石拉絲模研磨拋光。該技術已獲得國家專利，并在生產中獲得應用。2.3 難加工材料的超聲加工 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

6、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，特別是成形孔的加工尤為困難，嚴重阻礙了應用推廣。因此，國內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。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，引起了國內外專家學者的廣泛興趣和極大關注。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用技術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

7、、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，并在生產中得到推廣應用。 我國對振動切削的研究起步稍晚。研究內容從振動切削實驗到實際工藝應用，從振動切削實驗系統(tǒng)設計到對振動切削機理，范圍較廣泛，內容較深入。2.5 超聲復合加工 將超聲加工與其他加工工藝組合起來的加工模式，稱為超聲復合加工。超聲復合加工，強化了原加工過程，使加工的速度明顯提高，加工質量也得到不同程度的改善，實現(xiàn)了低耗高效的目標。 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

8、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，熱殘余應力降低，微裂紋減小 三、超聲加工技術的發(fā)展趨勢和未來展望1 、超聲振動切削技術 隨著傳統(tǒng)加工技術和高新技術的發(fā)展，超聲振動切削技術的應用日益廣泛，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合金材料的研究和應用為主要方向。 (2)

9、 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)已研制出來并投產使用。在日本，超聲振動切削裝置通常可輸出功率1 kW，切削深度為0.010.06 mm。(3) 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。 (4) 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界和企業(yè)界的重視。美國、

10、英國、德國和新加波等國的大學以及國內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用方面還有許多工作要做。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 工程陶瓷的應用日益廣泛，但其成形加工十分困難。尤其是具有三維復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用。大連理工大學提出了基于分層去除技術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數(shù)控加工工程陶瓷零件的途徑?；诜?/p>

11、層去除思想的超聲銑削加工技術，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雜型面工程陶瓷零件成為可能，為工程陶瓷的廣泛應用提供了有力的技術支持。2 、超聲復合加工技術 目前，超聲波、電火花、機械三元復合加工技術的研究較快的發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學利用超聲波、電火花、磨料復合加工技術對不銹鋼進行加工，解決了電火花小孔加工中生產率和表面質量不能兼顧的矛盾，具有較好的應用前景。 在現(xiàn)代工業(yè)生產中，模具的應用越來越廣泛，對模具精度和表面質量的要求也越來越高。在模具制造過程中，光整加工工序對模具質量影響很大，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

12、的發(fā)展，是一個亟待解決的關鍵技術問題。超聲電解磨粒復合加工技術是一項新的復合加工技術，能較好地適用于形狀復雜的模具型腔光整加工。但尚有許多方面的內容有待進一步研究，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，電極軸向的小幅超聲振動對活化極間狀態(tài)、拉大極間間

13、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，因此該技術能改善微細電火花銑削時的放電狀態(tài)，提高加工效率。3. 微細超聲加工技術 以微機械為代表的微細制造是現(xiàn)代制造技術中的一個重要組成部分，晶體硅、光學玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微機械中的廣泛應用，使硬脆材料的高精度三維微細加工技術成為世界各國制造業(yè)的一個重要研究課題。目前可適用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、電火花加工、激光加工、超聲加工等特種加工技術。超聲加工與電火花加工、電解加工、激光加工等技術相比，既不依賴于材料的導電性又沒有熱物理作用，與光刻加工相比又可加工高深寬比三維形狀，這決定了超聲加工技術在陶瓷、半導體硅等非金屬硬脆材料加工方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。隨著東京大學生產技術研究所增澤研究室對微細工具的成功制作及微細工具裝夾、工具回轉精度等問題的合理解決，從而使超聲加工作為微細加工技術成為可能。 前景：幾十年來，超聲加工技術的發(fā)展迅速，在超聲振動系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復合加工領域均有較廣泛的研究和應用，尤其是在難加工材料領域解決了許多關鍵性的工藝問題，取得了良好的效果。此外，超聲加工技術在迅猛發(fā)展的汽車工業(yè)中已有非常廣泛的應用，目前主要用于精