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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 超声加工技术的现状及进展趋势 前言： 超声波加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中 或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作 用来去除材料,或给工具或工件沿肯定方向施加超声频振动进行振 动加工,或利用超声振动使工件相互结合的加工方法；超声波加工 技术是一种涉及面广且更新快的机械加工技术；结合近年来超声加 工技术的进展状况,综述了超声振动系统的讨论进展和超声加工技 术在深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、难加工材料的加 工、超声振动切削、超声复合加工等方面的最新应用,并阐述了超声加工技术的发展趋势；关键词： 超声波加工、超
2、声振动、声复合加工、应用、进展、正、超声振动系统文研究进展及其应:1的用超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成,是超声设备 的核心部分；在传统应用中,超声振动系统大都采纳一维纵向振动 方式,并按“ 全调谐” 方式工作；但近年来,随着超声技术基础研 究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要,对振动系统的工作方 式 和 设 计 计 算 、 振 动 方 式 及 其 应 用 研 究 都 取 得 了 新 的 进 展 ；日本讨论胜利一种半波长弯曲振动系统,其切削刀具安装在半波长 换能振动系统细端,该振动系统换能器的压电陶瓷片采纳半圆形,上下各两片,组成上下两个半圆形压电换能器 压电振子 ,其特点名师
3、归纳总结 是小型化,结构简洁,刚性增强；日本仍研制成一种新型“ 纵- 弯”第 1 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 型振动系统,并已在手持式超声复合振动研磨机上胜利应用；该系统压电换能器也采纳半圆形压电陶瓷片产生“ 纵- 弯” 型复合振动；日本金泽工业学院的讨论人员研制了加工硬脆材料的超声低频振动 组合钻孔系统；将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结 合,制造了一台组合振动钻孔设备,该设备能检测钻孔力的变化以 及钻孔精度和孔的表面质量,并用该组合设备在不同的振动条件下 进行了一系列试验；试验结果说明,将金刚石中心钻的超声振动与 工
4、件的低频振动相结合是加工硬脆材料的一种有效方法；东南高校研制了一种新型超声振动切削系统；该系统采纳压电 换能器,由超声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调剂机构及刀具等部分组成；当发生器输出超声电压时,它将 使级联晶体产生超声机械伸缩,直接驱动谐振刀杆实现超声振动；该装置的特点是：能量传递环节少,能量泄漏减小,机电转换效率 高达90%左右,而且结构简洁、体积小,便于操作；沈阳航空工业学 院建立了镗孔用超声扭转振动系统,采纳磁致伸缩换能器,将超声 波发生器在扭转变幅杆的切向作纵向振动时在扭振变幅杆的小端就 输出沿圆周方向的扭转振动,镗刀与扭振变幅杆之间采纳莫氏锥及螺纹连接,输出功率
5、小于500W,频率为 1623 KH z ,具有频率自动跟踪性能；西北工业高校设计了一种可在内圆磨床上加工硬脆材料 的超声振动磨削装置；该装置由超声振动系统、冷却循环系统、磨 床连接系统和超声波发生器等组成,其超声换能器采纳纵向复合式 换能器结构,冷却循环系统中使用磨削液作为冷却液；磨床连接系名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 统由帮助支承、制动机构和内圆磨床连接杆等组成；该磨削装置工 具头旋转精度由内圆磨床主轴精度保证,结构比专用超声波磨床的 主轴系统要简洁得多,因此成本低廉,适合于在生产中应用；另一种超声扭转振动
6、系统已在“ 加工中心” 用超声扭转振动装置上应用；主要用作电火花加工后的模具异形 如三角形、多边形 孔和槽底部尖角研磨抛光,以及非导电材料异形孔加工；该振动系统的换能器采纳按圆周方向极化的8块扇形压电陶瓷片构成,产生扭转振动；2、 超声加工技术应用讨论2.1 深小孔加工众所周知,在相同的要求及加工条件下,加工孔比加工轴要复杂得 多；一般来说,孔加工工具的长度总是大于孔的直径,在切削力的 作用下易产生变形,从而影响加工质量和加工效率；特殊是对难加 工材料的深孔钻削来说,会显现很多问题；例如,切削液很难进入 切削区,造成切削温度高；刀刃磨损快,产生积屑瘤,使排屑困 难,切削力增大等；其结果是加工效
7、率、精度降低,表面粗糙度值 增 加 , 工 具 寿 命 短 ； 采 用 超 声 加 工 就 可 有 效 解 决 上 述 问 题 ；前苏联在 20世纪60岁月就生产出带磨料的超声波钻孔机床；英国申 请了电火花超声复合穿孔的专利,该装置主要用于加工在导电基上 有非导电层的零件,如在金属基上涂有压电陶瓷层的零件；整个加 工过程分两个阶段进行：第一用超声振动将非导电层去除掉,当传 感器感知金属层显现时,即改用电加工或电火花与超声复合的方法名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 进行加工；该装置有效地解决了具有导电层和非导电层零件
8、孔的加工问题；兵器工业五二讨论所讨论了陶瓷深孔精密高效加工的新方法超声振动磨削,进行了超声振动磨削和一般磨削陶瓷深孔的对比实 验；结果说明,超声振动磨削可明显提高陶瓷加工效率,能有效地 排除一般磨削产生的表面裂纹和凹坑,是陶瓷深孔精密高效加工的新拉丝模方型腔模法研磨抛；2.2 及具光聚晶金刚石拉丝模超声研磨抛光技术在国内外已获得广泛应用,新 的超声研磨抛光方法和设备已显现；北京市电加工讨论所提出的“ 超硬工具材料电火花超声波复合抛光方法” ,其特点是：采纳超 声频信号调制高频电火花脉冲电源与超声加工复合进行聚晶金刚石 拉丝模研磨抛光；该技术已获得国家专利,并在生产中获得应用；哈尔滨工业高校针对
9、目前模具光整加工难以实现高精度、高效率加 工的实际问题,将电解加工、机械研磨及超声加工相复合,提出了 一种新型的光整加工方法电化学超精密研磨技术,开发研制了 一种数控展成超精密光整加工的新工艺及设备；2.3 难加工材料的超声加工金属和非金属硬脆材料的使用越来越广泛,特殊是陶瓷材料,具有 高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳固性好、不易氧化、腐蚀等优 点；然而,由于工程陶瓷等难加工材料具有极高的硬度和脆性,其 成形加工特别困难,特殊是成形孔的加工尤为困难,严峻阻碍了应名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 用推广；因此,国内外很
10、多学者绽开了对难加工材料加工方法的研 究,其中以超声加工较多；英国阿伯丁高校国王学院讨论了超声钻削难加工材料时工艺参 数对材料去除率的影响,建立了间断性冲击过程的非线性模型,对 冲击力的特性进行了讨论,提出了一种新的材料去除率的运算方 法,这种方法首次说明了材料去除率在较高的静态力作用下减小的 缘由；通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制进行 分析,讨论发觉,低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错 位,而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕；巴西的讨论人员对石英晶 体的超声研磨技术进行了讨论,发觉石英晶体的材料去除率取决于 晶体的晶向,研磨晶粒的尺寸影响材料去除率和表面粗糙度；讨论 指出
11、,加工过程中材料产生微裂纹是材料去除的主要缘由；美国堪 萨斯州立高校提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率模型的运算 方法,并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中,确定了材料去除率和加 工参数之间的关系,该讨论大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的发 展；山东高校讨论开发了工程陶瓷小孔的超声振动脉冲放电加工技 术,工具电极的超声振动引起脉冲放电,从而代替了传统电火花加工的专用脉冲发生器；山东高校仍利用超声加工技术对大理石的孔加工进行了讨论,并与 陶瓷材料进行了对比讨论；结果说明,材料去除率与大理石的力学 性能有关,在同样的加工条件下,材料的强度和断裂韧性越高,其 去除率越低,加工精度越高；天津理工学院对大理石
12、超声精密雕刻名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 技术进行了讨论,开发了大理石超声精雕系统；该系统解决了大理 石雕刻中微小异形表面高效精加工的难题,使大理石精雕质量和水 平跨上了新台阶；同济高校对超声加工建筑玻璃小孔的试验进行了讨论,探讨了工具 振动的振幅、频率、工件材料、进给压力、工作介质等主要加工参 数对材料去除率的影响规律；结果说明,超声加工建筑玻璃小孔的 精度、表面质量均可满意建筑安装、装潢的要求；该讨论对其他玻 璃材料的加工具有肯定参考价值；讨论指出,研磨轨迹的增长和超 声振动脉冲力的作用是提高研磨效率的根本
13、缘由；淮海工学院对烧 结永磁体材料超声振动加工过程中的材料去除机理进行了理论研 究；该讨论指出,磨料颗粒的尺寸与加工效率有亲密的关系,对实 际生产具有肯定的指导作用；沈阳工业学院讨论了采纳电镀金刚石 工具头对玛瑙进行钻孔的可行性以及加工参数与材料去除率的关 系；讨论说明,该方法不仅大大提高了材料的去除率,而且加工成本也有所降低；同时,借助于SEM分析了该方法加工玛瑙的材料去除超机振理切；2.4 声动削超声振动切削作为新兴的特种加工技术,引起了国内外专家学者的广泛爱好和极大关注；最早对振动切削进行比较系统的讨论、可以 称为振动切削理论与应用技术奠基人的是日本学者隈部淳一郎；他 在20世纪 506
14、0岁月发表了很多振动切削方面的论文,系统地提出 了振动切削理论,并胜利地实现了振动车削、振动铣削、振动镗名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 削、振动刨削、振动磨削等；随后美国也对振动切削进行讨论,到 20世纪 70岁月中叶,振动车削、振动钻孔、振动磨削、光整加工等 均已达到有用阶段,超声加工在难加工材料和高精度零件的加工方 面显示了很大的优越性,取得了一系列讨论成果,并在生产中得到推广应用；俄罗斯科学院和英国拉伯运高校对超声振动切削的非线性过程进行 了深化讨论,利用流变模型对超声振动切削试验结果进行了理论解 释；通过
15、对超声切削的动力学讨论,得到了振动工具的非线性振幅 特 性 曲 线 , 并 讨 论 了 超 声 振 动 切 削 的 优 越 性 及 其 应 用 领 域 ；我国对振动切削的讨论起步稍晚；讨论内容从振动切削试验到实际 工艺应用,从振动切削试验系统设计到对振动切削机理,范畴较广泛,内容较深入；东南高校在讨论超声振动切削的刀具振动规律时得出：刀具与切削 的分别作用是振动切削最根本的特点,正是这一特点才使得刀尖每次能 以极大的加 速度 冲击工 件进 行切割 ；上海交通高校对超声椭圆振动切削技术进行了讨论,阐述了超声波 椭圆振动切削原理和刀具椭圆振动系统,分析了超声波椭圆振动切 削运动特性,介绍了超声波椭
16、圆振动切削的实际切削成效；山东大 学对工程陶瓷的超声振动钻削加工进行了深化的讨论,探讨了超声 振动钻削中各项工艺参数对加工成效的影响,并从理论上分析了超声振动钻削时的材料去除机理；兵器工业五二讨论所进行了超声振动车削与一般车削、磨削加工陶名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 瓷材料的对比试验讨论；讨论结果说明,振动车削可明显地提高陶 瓷加工表面的质量,有效地排除一般车削、磨削中形成的表面微裂纹, 因此是陶瓷 精密 加工的 一种 新方法 ；长春汽车工业高等专科学校采纳超声振动切削方法对一汽变速箱厂 生产的始终齿齿轮的滚齿
17、加工进行了工艺试验,通过生产现场各种 工艺参数试验及小批量试生产,收到了令人中意的成效,具有较好的发声展复前合景加；2.5 超工将超声加工与其他加工工艺组合起来的加工模式,称为超声复合加 工；超声复合加工,强化了原加工过程,使加工的速度明显提高,加 工 质 量 也 得 到 不 同 程 度 的 改 善 , 实 现 了 低 耗 高 效 的 目 标 ；电极的超声振动能改善加工过程的主要缘由是： 电极表面的高 频振动加速了工作液的循环,使间隙充分消电离； 间隙间很大的 压力变化导致更有效的放电,这样就能从弧坑中去除更多融解的金 属 , 使 热 影 响 层 减 小 , 热 残 余 应 力 降 低 , 微
18、 裂 纹 减 小 ；山东高校机械工程学院对超声频间隙脉冲放电技术进行了讨论,并对工程陶瓷进行了加工试验,分析了该技术放电特性和加工特 性；结果说明,超声频间隙脉冲放电加工的加工效率高于一般电火 花加工的效率,而其加工表面粗糙度和加工外形精度接近于一般电火花加工；南京航空航天高校进行了工件激振式超声复合电火花微细孔加工的 讨论,它跟以往的超声电火花复合加工的不同之处在于,通过工件名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 的微幅激振改善微细电火花加工工作液的循环,进而提高微细电火 花加工的脉冲利用率和微细孔加工的深径比；讨论结
19、果说明,工件 越薄,排屑越有利,加工速度提高的越快；讨论者认为,这主要由 于工件鼓励后加工间隙内工作液中压力波剧变的冲击和扰动作用,有助于改善电火花微细加工的排屑条件,提高放电脉冲的利用率,使 加 工 速 度 及 微 细 孔 电 火 花 加 工 的 深 径 比 得 到 提 高 ；三、 超声加工技 术的 发展趋势和 未来展 望1 、超声振动切削技术随着传统加工技术和高新技术的进展,超声振动切削技术的应用日 益广泛,振动切削讨论日趋深化,主要表现在以下几个方面； 1 研制和采用新的刀具材料在现代制造业中,钛合金、纯钨、镍基高温合金等难加工材料所使 用的范畴越来越大,对机械零件加工质量的要求越来越高
20、；为了更 好地发挥刀具的效能,除了选用合适的刀具几何参数外,在振动切 削中,人们将更多的留意力转为对刀具材料的开发与讨论上,其中 自然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的讨论和应用为研主和采要高效方振动向削系； 2 制用的切统现有的试验及有用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高,因 此,期望有用的大功率振动切削系统早日问世；到目前为止,输出 能量为 4 kW 的振动切削系统已研制出来并投产使用；在日本,超声振动切削装置通常可输出功率1 kW,切削深度为 0.01 0.06 mm；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - -
21、 - 3 对振动切削机理深入研究当前和今后一个时期对振动切削机理的讨论将主要集中以下几个方面：在振动切削状态下工件材料是如何与工件分别并形成屑的；振动切削中刀具与工件相互作用的力学分析；振动切削机理的微观椭研究动及数的学描与述； 4 超声圆振切削研究推广超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视；美国、英 国、德国和新加波等国的高校以及国内的北京航空航天高校和上海 交通高校已开头这方面的讨论工作；日本企业界如日立、多贺公司 等已开头这方面的有用化讨论；但是,超声波椭圆振动切削在理论 和应用方面仍有很多工作要做；特殊是对硬脆性材料的超精亲密削 加工、微细部位和微细模具的超精亲密削加工等方面
22、仍需要进一步研超声究铣削；工技术 5 加工程陶瓷的应用日益广泛,但其成形加工特别困难；特殊是具有三 维复杂型面的工程陶瓷零件至今尚无有效的加工手段,严峻影响了 工程陶瓷材料的推广应用；大连理工高校提出了基于分层去除技术 的超声铣削加工方法,研制了超声数控铣削机床,开创了利用超声 加工技术数控加工工程陶瓷零件的途径；基于分层去除思想的超声 铣削加工技术,解决了传统超声加工中工具损耗严峻且不能在线补 偿的难题,使加工带有尖角和锐边的三维复杂型面工程陶瓷零件成 为 可 能 , 为 工 程 陶 瓷 的 广 泛 应 用 提 供 了 有 力 的 技 术 支 持 ；名师归纳总结 - - - - - - -第
23、 10 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2 、超声复合加工技术目前,超声波、电火花、机械三元复合加工技术的讨论较快的发 展；哈尔滨工业高校利用超声波、电火花、磨料复合加工技术对不 锈钢进行加工,解决了电火花小孔加工中生产率和表面质量不能兼顾的矛盾,具有较好的应用前景；在现代工业生产中,模具的应用越来越广泛,对模具精度和表面质 量的要求也越来越高；在模具制造过程中,光整加工工序对模具质 量影响很大,但目前该工序在很大程度上仍依靠手工完成,严峻制 约了模具加工技术的进展,是一个亟待解决的关键技术问题；超声 电解磨粒复合加工技术是一项新的复合加工技术,能较好地适用于
24、 外形复杂的模具型腔光整加工；但尚有很多方面的内容有待进一步 讨论,特殊是各主要加工因素对加工表面粗糙度的影响以及表面金属的去除机理等；在微小三维型面的加工中,利用简洁外形电极、基于分层制造原理 的微细电火花铣削技术正在受到重视,但该工艺加工效率偏低,同 时由于其加工精度主要依靠于电极损耗的轴向补偿,而电极损耗的 轴向补偿量就直接取决于电极损耗率,提高微细电火花铣削的加工 效率和稳固性是一个重要的课题；哈尔滨工业高校提出了超声帮助 分层去除微细电火花加工技术,电极轴向的小幅超声振动对活化极 间状态、拉大极间间隙、增加排屑才能、提高有效脉冲利用率和放 电稳固性等起到了极为重要的作用,因此该技术能
25、改善微细电火花名师归纳总结 铣削时的放电状态,提高加工效率；第 11 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 3. 微细超声加工技术以微机械为代表的微细制造是现代制造技术中的一个重要组成部 分,晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应 用,使硬脆材料的高精度三维微细加工技术成为世界各国制造业的 一个重要讨论课题；目前可适用于硬脆材料加工的手段主要有光刻 加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术；超声加 工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比,既不依靠于材 料的导电性又没有热物理作用,与光刻加工相比又可加工高深宽比
26、 三维外形,这打算了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆 材料加工方面有着得天独厚的优势；随着东京高校生产技术讨论所 增泽讨论室对微细工具的胜利制作及微细工具装夹、工具回转精度 等问题的合懂得决,从而使超声加工作为微细加工技术成为可能；前景： 几十年来,超声加工技术的进展快速,在超声振动系 统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域 均有较广泛的讨论和应用,特殊是在难加工材料领域解决了很多关 键性的工艺问题,取得了良好的成效；此外,超声加工技术在迅猛 进展的汽车工业中已有特别广泛的应用,目前主要用于精密模具的 型孔、型腔加工,难加工材料的超声电火花和超声电解复合加工,塑料件的焊接,以及清洁度要求较高的小孔窄缝零件的清洗；可以 推断,超声加工技术在世界汽车工业中将发挥越来越重要的作用；超声加工技术的进展及其取得的应用成果是可喜的；一方面,材料 加工的客观需要推动和促进了超声加工技术的进展；另一方面,超名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 声加工技术供应的强有力加工手段,又促进了新材料的进展；材料加工中的很多课题需要我们共同去探讨；展望将来,超声加工技术的进展前景是美好的；（017）名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 13 页