超聲加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、超聲加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢前言：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。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)展及其應(yīng)

2、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，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彎曲振動(dòng)系統(tǒng)，其切削刀具安裝在半波長換能振動(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)壓電換能器也采用半

3、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，制造了一臺組合振動(dòng)鉆孔設(shè)備，該設(shè)備能檢測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塊扇形壓電陶瓷片

4、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(chǎn)生變形，從而影響加工質(zhì)量和加工效率。特別是對難加工材料的深孔鉆削來說，會(huì)出現(xiàn)很多問題。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比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，超聲振動(dòng)磨削可明

5、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，由于工程陶瓷等難加工材料具有極高的

6、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，國內(nèi)外許多學(xué)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(dòng)切削超聲振動(dòng)切削作為新興的特種加工技術(shù)，引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛興趣和極大關(guān)注。最早對振動(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。隨后美國也對振動(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、光整加工等均已達(dá)到實(shí)用階

7、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。我國對振動(dòng)切削的研究起步稍晚。研究內(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)致更有效的放電，這樣就能從弧坑中去除更多融化的金

8、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)展趨勢和未來展望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越大，對機(jī)械零件加工質(zhì)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(dòng)切削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)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(xì)晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應(yīng)用為主要方向。(2) 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

9、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)早日問世。到目前為止，輸出能量為4kW的振動(dòng)切削系統(tǒng)已研制出來并投產(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0.010.06mm。(3) 對振動(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)切削已受到國際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重視。美國、英國、德國和新加波等國的大學(xué)以及國內(nèi)的北京航空航天大學(xué)和上海交通大學(xué)

10、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(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) 超聲銃削加工技術(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)的超聲銃削加工方法，研制了超聲數(shù)控銃削機(jī)床，開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?；诜謱尤コ枷氲某曘|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

11、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)用越來越廣泛，對模具精度和表面質(zhì)量的要求也越來越高。在模具制造過程中，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)的發(fā)展，是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。超聲電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)是一項(xiàng)新的復(fù)合加

12、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)對活化極間狀態(tài)、拉大極間間隙、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

13、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。隨著東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所增澤研究室對微細(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，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，目前主要用于精密模