超聲加工技術(shù)

超聲加工技術(shù)的發(fā)展及其運(yùn)用班級(jí)：機(jī)制一班 學(xué)號(hào)：200903120134 姓名：喻猛摘要：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：超聲加工、深小孔加工、超聲復(fù)合加工、超聲磨削加工。超聲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。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。1超聲振動(dòng)系統(tǒng)的研究進(jìn)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，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。東南大學(xué)研制了一種新型超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用壓電換能器，由超聲波發(fā)生器、匹配電路、級(jí)聯(lián)壓電晶體、諧振刀桿、支承調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及刀具等部分組成。當(dāng)發(fā)生器輸出超聲電壓時(shí)，它將使級(jí)聯(lián)晶體產(chǎn)生超聲機(jī)械伸縮，直接驅(qū)動(dòng)諧振刀桿實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)。該裝置的特點(diǎn)是：能量傳遞環(huán)節(jié)少，能量泄漏減小，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%左右，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積小，便于操作。沈陽航空工業(yè)學(xué)院建立了鏜孔用超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)，采用磁致伸縮換能器，將超聲波發(fā)生器在扭轉(zhuǎn)變幅桿的切向作縱向振動(dòng)時(shí)在扭振變幅桿的小端就輸出沿圓周方向的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，鏜刀與扭振變幅桿之間采用莫氏錐及螺紋連接，輸出功率小于500W，頻率為16～23kHz，具有頻率自動(dòng)跟蹤性能。西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種可在內(nèi)圓磨床上加工硬脆材料的超聲振動(dòng)磨削裝置。該裝置由超聲振動(dòng)系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、磨床連接系統(tǒng)和超聲波發(fā)生器等組成，其超聲換能器采用縱向復(fù)合式換能器結(jié)構(gòu)，冷卻循環(huán)系統(tǒng)中使用磨削液作為冷卻液；磨床連接系統(tǒng)由輔助支承、制動(dòng)機(jī)構(gòu)和內(nèi)圓磨床連接桿等組成。該磨削裝置工具頭旋轉(zhuǎn)精度由內(nèi)圓磨床主軸精度保證，結(jié)構(gòu)比專用超聲波磨床的主軸系統(tǒng)要簡單得多，因此成本低廉，適合于在生產(chǎn)中應(yīng)用。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)的換能器是采用按圓周方向極化的8塊扇形壓電陶瓷片構(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(duì)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。前蘇聯(lián)在 20世紀(jì)60年代就生產(chǎn)出帶磨料的超聲波鉆孔機(jī)床。在美國，利用工具旋轉(zhuǎn)同時(shí)作軸向振動(dòng)進(jìn)行孔加工已取得了較好的效果。日本已經(jīng)制成新型UMT-7三坐標(biāo)數(shù)控超聲旋轉(zhuǎn)加工機(jī)，功率450W，工作頻率20kHz，可在玻璃上加工孔徑1.6mm、深150mm的深小孔，其圓度可達(dá)0.005mm，圓柱度為0.02mm。英國申請(qǐng)了電火花超聲復(fù)合穿孔的專利，該裝置主要用于加工在導(dǎo)電基上有非導(dǎo)電層的零件，如在金屬基上涂有壓電陶瓷層的零件。整個(gè)加工過程分兩個(gè)階段進(jìn)行：首先用超聲振動(dòng)將非導(dǎo)電層去除掉，當(dāng)傳感器感知金屬層出現(xiàn)時(shí)，即改用電加工或電火花與超聲復(fù)合的方法進(jìn)行加工。該裝置有效地解決了具有導(dǎo)電層和非導(dǎo)電層零件孔的加工問題。1996年，日本東京大學(xué)在超聲加工機(jī)床上，利用電火花線切割加工工藝在線加工出微細(xì)工具，并成功地利用超聲加工技術(shù)在石英玻璃上加工出直徑為φ15μm的微孔。1998年又成功地加工出直徑為φ5μm的微孔。湘潭大學(xué)進(jìn)行了內(nèi)圓表面的超聲光整強(qiáng)化研究。該方法是在鉆孔后對(duì)孔進(jìn)行精加工處理，通過機(jī)械——超聲強(qiáng)化處理，在普通機(jī)床上達(dá)到精鉸、研磨的精度，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法加工效果顯著，表面粗糙度值可大大降低，內(nèi)圓表面形成有益的殘余壓應(yīng)力，有較高的顯微硬度，提高了工件的耐用度，同時(shí)內(nèi)圓表面呈網(wǎng)狀紋絡(luò)，特別適合像軸瓦等表面貯油工件的精加工，并可大大降低生產(chǎn)成本。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了Ti合金深小孔的超聲電火花復(fù)合加工。該工藝將超聲振動(dòng)引入到精密電火花加工中，通過研究超聲振動(dòng)對(duì)電火花精加工過程的影響，開發(fā)出了一種將超聲和電火花結(jié)合在一起的新型4軸電火花加工裝置。實(shí)驗(yàn)研究表明，應(yīng)用該裝置可以在Ti合金上加工出φ<0.2mm、且深徑比>15的深小孔。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)已獲得國家專利，并在生產(chǎn)中獲得應(yīng)用。臺(tái)灣的H.Hocheng等人對(duì)模具鋼的超聲拋光進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究，研制了一套高效的超聲拋光系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)模具鋼進(jìn)行了拋光試驗(yàn)，研究結(jié)果表明此系統(tǒng)大大提高了模具鋼的拋光質(zhì)量。日本研制的UMA-1型數(shù)控超聲研磨機(jī)，其研磨時(shí)間在1～999s范圍內(nèi)可任意設(shè)定；頻率自動(dòng)跟蹤；研磨鋼針夾持可靠，發(fā)熱少，鋼針磨耗能自動(dòng)修整；鋼針以固定速度進(jìn)給，具有研磨時(shí)間短、精度高的優(yōu)點(diǎn)。浙江大學(xué)進(jìn)行了超聲波-電化學(xué)復(fù)合研磨硬質(zhì)合金拉絲模的實(shí)驗(yàn)研究。吉林大學(xué)對(duì)機(jī)器人超聲-電火花復(fù)合加工模具曲面進(jìn)行了研究，結(jié)果證明該方法可改善加工質(zhì)量，模具曲面精加工效率提高4倍以上。哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對(duì)目前模具光整加工難以實(shí)現(xiàn)高精度、高效率加工的實(shí)際問題，將電解加工、機(jī)械研磨及超聲加工相復(fù)合，提出了一種新型的光整加工方法——電化學(xué)超精密研磨技術(shù)，開發(fā)研制了一種數(shù)控展成超精密光整加工的新工藝及設(shè)備。通過對(duì)模具型腔高效鏡面加工的實(shí)驗(yàn)，表明選配適當(dāng)工藝參數(shù)進(jìn)行光整加工，可以獲得表面粗糙度Ra0.025μm的鏡面，效率較普通研磨提高10倍以上，較電解研磨提高1倍以上。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(duì)難加工材料加工方法的研究，其中以超聲加工較多。英國阿伯丁大學(xué)國王學(xué)院研究了超聲鉆削難加工材料時(shí)工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響，建立了間斷性沖擊過程的非線性模型，對(duì)沖擊力的特性進(jìn)行了研究，提出了一種新的材料去除率的計(jì)算方法，這種方法首次解釋了材料去除率在較高的靜態(tài)力作用下減小的原因。美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)對(duì)Al2O3陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術(shù)進(jìn)行了研究。通過模擬陶瓷材料超聲加工的力學(xué)特性對(duì)材料去除機(jī)制進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊力會(huì)引起陶瓷材料結(jié)構(gòu)的變化和晶粒的錯(cuò)位，而高沖擊力會(huì)導(dǎo)致中心裂紋和凹痕。美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)還第一次分析了Al2O3陶瓷精密超聲加工的機(jī)理、過程動(dòng)力學(xué)以及發(fā)展趨勢，并詳細(xì)討論了超聲技術(shù)在陶瓷加工方面的應(yīng)用情況。巴西的研究人員對(duì)石英晶體的超聲研磨技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體的材料去除率取決于晶體的晶向，研磨晶粒的尺寸影響材料去除率和表面粗糙度。研究指出，加工過程中材料產(chǎn)生微裂紋是材料去除的主要原因。美國堪薩斯州立大學(xué)提出了一種超聲旋轉(zhuǎn)加工陶瓷材料去除率模型的計(jì)算方法，并將其應(yīng)用到氧化鋯陶瓷的加工中，確定了材料去除率和加工參數(shù)之間的關(guān)系，該研究大大推動(dòng)了陶瓷材料旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)的發(fā)展。山東大學(xué)研究開發(fā)了工程陶瓷小孔的超聲振動(dòng)脈沖放電加工技術(shù)，工具電極的超聲振動(dòng)引起脈沖放電，從而代替了傳統(tǒng)電火花加工的專用脈沖發(fā)生器。另外，工具電極的超聲振動(dòng)還可以起到清洗縫隙的作用，并采用該技術(shù)對(duì) Al2O3/(W，Ti)C、Al 2O3/Ti B2、Al2O3/TiB2/SiCw3 種Al2O3基陶瓷刀具材料表面定位方孔進(jìn)行加工，研究了其加工機(jī)理和加工參數(shù)對(duì)不同陶瓷材料加工效率、 加工表面粗糙度的影響規(guī)律。 結(jié)果表明，該復(fù)合加工技術(shù)有效地結(jié)合了超聲加工和放電加工的特點(diǎn)，能高效、高質(zhì)量地加工陶瓷材料。山東大學(xué)還利用超聲加工技術(shù)對(duì)大理石的孔加工進(jìn)行了研究，并與陶瓷材料進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，材料去除率與大理石的力學(xué)性能有關(guān)， 在同樣的加工條件下，材料的強(qiáng)度和斷裂韌性越高，其去除率越低，加工精度越高。天津理工學(xué)院對(duì)大理石超聲精密雕刻技術(shù)進(jìn)行了研究，開發(fā)了大理石超聲精雕系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了大理石雕刻中微小異形表面高效精加工的難題， 使大理石精雕質(zhì)量和水平跨上了新臺(tái)階。同濟(jì)大學(xué)對(duì)超聲加工建筑玻璃小孔的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，探討了工具振動(dòng)的振幅、頻率、工件材料、進(jìn)給壓力、工作介質(zhì)等主要加工參數(shù)對(duì)材料去除率的影響規(guī)律。 結(jié)果表明，超聲加工建筑玻璃小孔的精度、 表面質(zhì)量均可滿足建筑安裝、 裝潢的要求。該研究對(duì)其他玻璃材料的加工具有一定參考價(jià)值。北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)將超聲振動(dòng)引入普通聚晶金剛石 (PCD)的研磨加工，顯著地提高了研磨效率， 并在分析 PCD材料的微觀結(jié)構(gòu)和去除機(jī)理的基礎(chǔ)上， 對(duì)PCD超聲振動(dòng)研磨機(jī)理進(jìn)行了深入研究。研究指出，研磨軌跡的增長和超聲振動(dòng)脈沖力的作用是提高研磨效率的根本原因?；春９W(xué)院對(duì)燒結(jié)永磁體材料超聲振動(dòng)加工過程中的材料去除機(jī)理進(jìn)行了理論研究。該研究指出，磨料顆粒的尺寸與加工效率有密切的關(guān)系，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。沈陽工業(yè)學(xué)院研究了采用電鍍金剛石工具頭對(duì)瑪瑙進(jìn)行鉆孔的可行性以及加工參數(shù)與材料去除率的關(guān)系。研究表明，該方法不僅大大提高了材料的去除率， 而且加工成本也有所降低。同時(shí)，借助于 SEM分析了該方法加工瑪瑙的材料去除機(jī)理。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(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)50～60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(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、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。俄羅斯科學(xué)院和英國拉伯運(yùn)大學(xué)對(duì)超聲振動(dòng)切削的非線性過程進(jìn)行了深入研究，利用流變模型對(duì)超聲振動(dòng)切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論解釋。 通過對(duì)超聲切削的動(dòng)力學(xué)研究， 得到了振動(dòng)工具的非線性振幅特性曲線，并討論了超聲振動(dòng)切削的優(yōu)越性及其應(yīng)用領(lǐng)域。日本工業(yè)大學(xué)提出了采用稍低頻率 (3000～5000Hz)的振動(dòng)切削方法，并用于切削纖維型材料(如金屬短纖維)。另外，美國、英國、德國和新加坡等國的大學(xué)以及日本企業(yè)界如日立、多賀和Towa公司等還進(jìn)行了超聲橢圓振動(dòng)切削的研究。我國對(duì)振動(dòng)切削的研究起步稍晚。自廣西大學(xué)、南京電影機(jī)械廠和南京刃具廠聯(lián)合開發(fā)了我國第一臺(tái)“CZQ—250A型超聲波振動(dòng)切削系統(tǒng)”之后，許多大專院校、科研院所和工廠都開展了對(duì)振動(dòng)切削的研究， 取得了很多重要成果。 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(duì)振動(dòng)切削機(jī)理，范圍較廣泛，內(nèi)容較深入。山東大學(xué)對(duì)工程陶瓷的超聲振動(dòng)鉆削加工進(jìn)行了深入的研究，探討了超聲振動(dòng)鉆削中各項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)加工效果的影響，并從理論上分析了超聲振動(dòng)鉆削時(shí)的材料去除機(jī)理。東南大學(xué)在研究超聲振動(dòng)切削的刀具振動(dòng)規(guī)律時(shí)得出： 刀具與切削的分離作用是振動(dòng)切削最根本的特點(diǎn)，正是這一特點(diǎn)才使得刀尖每次能以極大的加速度沖擊工件進(jìn)行切割。上海交通大學(xué)對(duì)超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)進(jìn)行了研究， 闡述了超聲波橢圓振動(dòng)切削原理和刀具橢圓振動(dòng)系統(tǒng)，分析了超聲波橢圓振動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)特性， 介紹了超聲波橢圓振動(dòng)切削的實(shí)際切削效果。兵器工業(yè)五二研究所進(jìn)行了超聲振動(dòng)車削與普通車削、磨削加工陶瓷材料的對(duì)比試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明， 振動(dòng)車削可明顯地提高陶瓷加工表面的質(zhì)量， 有效地消除普通車削、磨削中形成的表面微裂紋，因此是陶瓷精密加工的一種新方法。長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校采用超聲振動(dòng)切削方法對(duì)一汽變速箱廠生產(chǎn)的一直齒齒輪的滾齒加工進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)， 通過生產(chǎn)現(xiàn)場各種工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)及小批量試生產(chǎn)， 收到了令人滿意的效果，具有較好的發(fā)展前景。北京裝甲兵技術(shù)學(xué)院提出了一種超聲微振車削的新工藝。其特點(diǎn)是功率小 (50W)、振幅小(2～5μm)，同樣可獲得一般振動(dòng)車削的效果。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)。羅馬尼亞的學(xué)者對(duì)工具電極在振動(dòng)力作用下的電火花加工進(jìn)行了研究，建立了電極在外力振動(dòng)情形下的數(shù)學(xué)模型，該外力來源于放電區(qū)的氣化和空化作用所形成的放電間隙中壓力波的變動(dòng)，通過這種振動(dòng)提高了材料的去除率及加工過程的穩(wěn)定性。該研究直接預(yù)示超聲-電火花復(fù)合加工必將改善EDM的加工性能。日本的研究人員研究了壓電高頻響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器對(duì)電火花加工速度的影響，指出高頻振動(dòng)對(duì)240μm微孔的加工可提高速度1.5～2.5倍。法國的研究人員系統(tǒng)地研究了超聲振動(dòng)對(duì)電火花加工性能的影響。結(jié)果表明，超聲振動(dòng)提高了加工速度,粗加工提高10%，精加工提高400%，并使加工過程穩(wěn)定，特別是精加工時(shí)尤為突出，可使穩(wěn)定加工的面積增大。電極的超聲振動(dòng)能改善加工過程的主要原因是：①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；②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屬，使熱影響層減小，熱殘余應(yīng)力降低，微裂紋減小。北京市電加工研究所于1985年起就開始對(duì)聚晶金剛石等超硬材料的研磨、拋光進(jìn)行研究。于1987年研究成功了超硬材料超聲電火花復(fù)合拋光技術(shù)。這項(xiàng)發(fā)明技術(shù)是世界上首次提出并實(shí)現(xiàn)采用超聲頻調(diào)制電火花與超聲波復(fù)合的研磨、拋光加工技術(shù)。與純超聲波研磨、拋光相比，效率提高5倍以上，并節(jié)約了大量的金剛石磨料。山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院對(duì)超聲頻間隙脈沖放電技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)工程陶瓷進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)，分析了該技術(shù)放電特性和加工特性。結(jié)果表明，超聲頻間隙脈沖放電加工的加工效率高于普通電火花加工的效率，而其加工表面粗糙度和加工形狀精度接近于普通電火花加工。南京航空航天大學(xué)進(jìn)行了工件激振式超聲復(fù)合電火花微細(xì)孔加工的研究，它跟以往的超聲電火花復(fù)合加工的不同之處在于，通過工件的微幅激振改善微細(xì)電火花加工工作液的循環(huán)，進(jìn)而提高微細(xì)電火花加工的脈沖利用率和微細(xì)孔加工的深徑比。研究結(jié)果表明，工件越薄，排屑越有利，加工速度提高的越快。研究者認(rèn)為，這主要由于工件激勵(lì)后加工間隙內(nèi)工作液中壓力波劇變的沖擊和擾動(dòng)作用，有助于改善電火花微細(xì)加工的排屑條件，提高放電脈沖的利用率，使加工速度及微細(xì)孔電火花加工的深徑比得到提高。南京航空航天大學(xué)對(duì)硬脆金屬材料的超聲電解復(fù)合加工工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，該復(fù)合加工方法使加工速度、精度及表面質(zhì)量較單一加工工藝有顯著改善。超聲加工技術(shù)的發(fā)展趨勢和未來展望3.1 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。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(duì)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(duì)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)切削裝置通常可輸出功率 1kW，切削深度為 0.01～0.06mm。(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： ①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。 ②振動(dòng)切削中刀具與工件相互作用的力學(xué)分析。 ③振動(dòng)切削機(jī)理的微觀研究及數(shù)學(xué)描述。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)已開始這方面的研究工作。 日本企業(yè)界如日立、多賀和 Towa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(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。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。 基于分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。3.2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)用越來越廣泛，對(duì)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。華南理工大學(xué)采用超聲電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)對(duì)形狀復(fù)雜的模具型腔光整加工進(jìn)行了研究，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)加工表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測，取得了良好的效果。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。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開始探索對(duì)環(huán)境污染少甚至沒有污染的加工方法，研究新的工作介質(zhì)是解決這個(gè)問題的關(guān)鍵。近年來，日本東京農(nóng)工大學(xué)對(duì)氣體介質(zhì)中的電火花脈沖放電加工技術(shù)進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究，為電火花脈沖放電加工技術(shù)開辟了一條嶄新的途徑，但該技術(shù)在加工過程中短路頻繁。山東大學(xué)的研究人員將超聲振動(dòng)引入氣中放電加工技術(shù)，并對(duì)工程陶瓷進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)研究，加工效率提高了近3倍。但該工藝的加工機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。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(duì)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。3.3 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(duì)微細(xì)工具的成功制作及微細(xì)工具裝夾、工具回轉(zhuǎn)精度等問題的合理解決， 采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直徑最小為 5μm的微孔，從而使超聲加工作為微細(xì)加工技術(shù)成為可能。在第八屆中國國際機(jī)床展覽會(huì)(CIMT2003)上，德國 DMG公司展出了其新產(chǎn)品DMS35Ultrasonic 超聲振動(dòng)加工機(jī)床，該機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速 3000～40000r/min ，特別適合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。與傳統(tǒng)加工方式相比，生產(chǎn)效率提高 5倍，加工表面粗糙度Ra＜0.2μm，可加工 0.3mm精密小孔，堪稱硬脆材料加工設(shè)備性能的新飛躍。超聲加工技術(shù)在不斷完善之中， 正向著高精度、微細(xì)化發(fā)展，微細(xì)超聲加工技術(shù)有望成為微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的有力補(bǔ)充。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具的型孔、型腔加工， 難加工材料的超聲電火花和超聲電解復(fù)合加工，塑料件的焊接，以及清潔度要求較高的小孔窄縫零件的清洗。 可以推斷，超聲加工技術(shù)在世界汽車工業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。超聲加工技術(shù)的發(fā)展及其取得的應(yīng)用成果