超聲加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、超聲加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)前言：超聲波加工是利用超聲振動(dòng)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(lái)去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)加工，或利用超聲振動(dòng)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(jī)械加工技術(shù)。結(jié)合近年來(lái)超聲加工技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，綜述了超聲振動(dòng)系統(tǒng)的研究進(jìn)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(dòng)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(shì)。 關(guān)鍵詞：超聲波加工、超聲振動(dòng)、聲復(fù)合加工 、 應(yīng)用、發(fā)展、 正文:1、超聲振動(dòng)系統(tǒng)的研究進(jìn)

2、展及其應(yīng)用 超聲振動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)大都采用一維縱向振動(dòng)方式，并按“全調(diào)諧”方式工作。但近年來(lái)，隨著超聲技術(shù)基礎(chǔ)研究的進(jìn)展和在不同領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的特殊需要，對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的工作方式和設(shè)計(jì)計(jì)算、振動(dòng)方式及其應(yīng)用研究都取得了新的進(jìn)展。 日本研究成功一種半波長(zhǎng)彎曲振動(dòng)系統(tǒng)，其切削刀具安裝在半波長(zhǎng)換能振動(dòng)系統(tǒng)細(xì)端，該振動(dòng)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(gè)半圓形壓電換能器(壓電振子)，其特點(diǎn)是小型化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性增強(qiáng)。日本還研制成一種新型“縱-彎”型振動(dòng)系統(tǒng)，并已在手持式超聲復(fù)合振動(dòng)研磨機(jī)上成功應(yīng)用。該系統(tǒng)壓電換

3、能器也采用半圓形壓電陶瓷片產(chǎn)生“縱-彎”型復(fù)合振動(dòng)。日本金澤工業(yè)學(xué)院的研究人員研制了加工硬脆材料的超聲低頻振動(dòng)組合鉆孔系統(tǒng)。將金剛石中心鉆的超聲振動(dòng)與工件的低頻振動(dòng)相結(jié)合，制造了一臺(tái)組合振動(dòng)鉆孔設(shè)備，該設(shè)備能檢測(cè)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(dòng)條件下進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將金剛石中心鉆的超聲振動(dòng)與工件的低頻振動(dòng)相結(jié)合是加工硬脆材料的一種有效方法。 另一種超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)已在“加工中心”用超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(dǎo)電材料異形孔加工。該振動(dòng)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(gòu)成，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。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下，加工孔比加工軸要復(fù)雜得多。一般來(lái)說(shuō)，孔加工工具的長(zhǎng)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(duì)難加工材料的深孔鉆削來(lái)說(shuō)，會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。例如，切削液很難進(jìn)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(wèn)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(dòng)磨削，進(jìn)行了超聲振動(dòng)磨削和普通磨削陶瓷深孔的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表

5、明，超聲振動(dòng)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光 聚晶金剛石拉絲模超聲研磨拋光技術(shù)在國(guó)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)合拋光方法”，其特點(diǎn)是：采用超聲頻信號(hào)調(diào)制高頻電火花脈沖電源與超聲加工復(fù)合進(jìn)行聚晶金剛石拉絲模研磨拋光。該技術(shù)已獲得國(guó)家專利，并在生產(chǎn)中獲得應(yīng)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(lái)越廣泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨損、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易氧化、腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。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(yán)重阻礙了應(yīng)用推廣。因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者展開(kāi)了對(duì)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(dòng)切削 超聲振動(dòng)切削作為新興的特種加工技術(shù)，引起了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛興趣和極大關(guān)注。最早對(duì)振動(dòng)切削進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究、可以稱為振動(dòng)切削理論與應(yīng)用技術(shù)奠基人的是日本學(xué)者隈部淳一郎。他在20世紀(jì)5060年代發(fā)表了許多振動(dòng)切削方面的論文，系統(tǒng)地提出了振動(dòng)切削理論，并成功地實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)車削、振動(dòng)銑削、振動(dòng)鏜削、振動(dòng)刨削、振動(dòng)磨削等。隨后美國(guó)也對(duì)振動(dòng)切削進(jìn)行研究，到20世紀(jì)70年代中葉，振動(dòng)車削、振動(dòng)鉆孔、振動(dòng)磨削

7、、光整加工等均已達(dá)到實(shí)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。 我國(guó)對(duì)振動(dòng)切削的研究起步稍晚。研究?jī)?nèi)容從振動(dòng)切削實(shí)驗(yàn)到實(shí)際工藝應(yīng)用，從振動(dòng)切削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)到對(duì)振動(dòng)切削機(jī)理，范圍較廣泛，內(nèi)容較深入。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(lái)的加工模式，稱為超聲復(fù)合加工。超聲復(fù)合加工，強(qiáng)化了原加工過(guò)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(shí)現(xiàn)了低耗高效的目標(biāo)。 電極的超聲振動(dòng)能改善加工過(guò)程的主要原因是： 電極表面的高頻振動(dòng)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(dǎo)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(yīng)力降低，微裂紋減小 三、超聲加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)展望1 、超聲振動(dòng)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(dòng)切削技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，振動(dòng)切削研究日趨深入，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(lái)越大，對(duì)機(jī)械零件加工質(zhì)量的要求越來(lái)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(dòng)切削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)為對(duì)刀具材料的開(kāi)發(fā)與研究上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應(yīng)用為主要方向。 (2)

9、 研制和采用高效的振動(dòng)切削系統(tǒng) 現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)及實(shí)用振動(dòng)切削加工系統(tǒng)輸出功率尚小、能耗高，因此，期待實(shí)用的大功率振動(dòng)切削系統(tǒng)早日問(wèn)世。到目前為止，輸出能量為4 kW的振動(dòng)切削系統(tǒng)已研制出來(lái)并投產(chǎn)使用。在日本，超聲振動(dòng)切削裝置通?？奢敵龉β? kW，切削深度為0.010.06 mm。(3) 對(duì)振動(dòng)切削機(jī)理深入研究 當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期對(duì)振動(dòng)切削機(jī)理的研究將主要集中以下幾個(gè)方面： 在振動(dòng)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(dòng)切削中刀具與工件相互作用的力學(xué)分析。 振動(dòng)切削機(jī)理的微觀研究及數(shù)學(xué)描述。 (4) 超聲橢圓振動(dòng)切削的研究與推廣 超聲波橢圓振動(dòng)切削已受到國(guó)際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重視。美國(guó)、

10、英國(guó)、德國(guó)和新加波等國(guó)的大學(xué)以及國(guó)內(nèi)的北京航空航天大學(xué)和上海交通大學(xué)已開(kāi)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(kāi)始這方面的實(shí)用化研究。但是，超聲波橢圓振動(dòng)切削在理論和應(yīng)用方面還有許多工作要做。尤其是對(duì)硬脆性材料的超精密切削加工、微細(xì)部位和微細(xì)模具的超精密切削加工等方面還需要進(jìn)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(wú)有效的加工手段，嚴(yán)重影響了工程陶瓷材料的推廣應(yīng)用。大連理工大學(xué)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(jī)床，開(kāi)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?；诜?/p>

11、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(yán)重且不能在線補(bǔ)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)用提供了有力的技術(shù)支持。2 、超聲復(fù)合加工技術(shù) 目前，超聲波、電火花、機(jī)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(xué)利用超聲波、電火花、磨料復(fù)合加工技術(shù)對(duì)不銹鋼進(jìn)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(lái)越廣泛，對(duì)模具精度和表面質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。在模具制造過(guò)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(yán)重制約了模具加工技術(shù)

12、的發(fā)展，是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。超聲電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)是一項(xiàng)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(jìn)一步研究，特別是各主要加工因素對(duì)加工表面粗糙度的影響以及表面金屬的去除機(jī)理等。 在微小三維型面的加工中，利用簡(jiǎn)單形狀電極、基于分層制造原理的微細(xì)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(shí)由于其加工精度主要依賴于電極損耗的軸向補(bǔ)償，而電極損耗的軸向補(bǔ)償量則直接取決于電極損耗率，提高微細(xì)電火花銑削的加工效率和穩(wěn)定性是一個(gè)重要的課題。哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了超聲輔助分層去除微細(xì)電火花加工技術(shù)，電極軸向的小幅超聲振動(dòng)對(duì)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(shù)能改善微細(xì)電火花銑削時(shí)的放電狀態(tài)，提高加工效率。3. 微細(xì)超聲加工技術(shù) 以微機(jī)械為代表的微細(xì)制造是現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分，晶體硅、光學(xué)玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微機(jī)械中的廣泛應(yīng)用，使硬脆材料的高精度三維微細(xì)加工技術(shù)成為世界各國(guó)制造業(yè)的一個(gè)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(shù)。超聲加工與電火花加工、電解加工、激光加工等技術(shù)相比，既不依賴于材料的導(dǎo)電性又沒(méi)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(shù)在陶瓷、半導(dǎo)體硅等非金屬硬脆材料加工方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。隨著東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所增澤研究室對(duì)微細(xì)工具的成功制作及微細(xì)工具裝夾、工具回轉(zhuǎn)精度等問(wèn)題的合理解決，從而使超聲加工作為微細(xì)加工技術(shù)成為可能。 前景：幾十年來(lái)，超聲加工技術(shù)的發(fā)展迅速，在超聲振動(dòng)系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究和應(yīng)用，尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的工藝問(wèn)題，取得了良好的效果。此外，超聲加工技術(shù)在迅猛發(fā)展的汽車工業(yè)中已有非常廣泛的應(yīng)用，目前主要用于精