超声波加工综述

超声波加工综述T.B.THOE,D.K.ASPINWALLandM.L.H.WISE摘要：超声波加工适合切削不导电、脆性材料，例如工程陶瓷。与其他非传统加工，如激光束、电火花加工等不同，超声波加工不会导致工件表面热损伤或显著的残余应力，这对脆性材料尤其重要。超声波加工的基本原理，包括材料去除原理，各类操作参数对材料切除率、刀具磨损、工件精确度要求都有叙述，并着重表述了在加工工程陶瓷上的应用，制造复杂的三维立体陶瓷的问题也在叙述当中。1概述超声波加工及其应用超声波加工是一种非传统机械切削技术，通常与低材料去除率有关，它并不被加工材料的导电率和化学特性所限制，它用于加工金属和非金属材料，非常适合于脆性大，硬度高于40HRC[6–12]的材料，比如无机玻璃、硅片、镍、钛合金等等[13–24]，有了它，76um的小孔也能加工，但是被加工的孔深度与直径之比限制在3比1之内[8,12]。超声波加工的历史可以追溯到1927年，R.W.Wood和A.L.Loomis发表的论文，1945年。有关于超声波的第一项专利给了L.Balamuth，现在超声波加工已经分化很多领域，超声波钻削、超声波切削、超声波尺寸加工、超声波研磨技术和悬浮液钻孔法，然而，在20世纪50年代初只普遍知道超声波冲磨或USM[8,25,28,30,31]。在超声波加工中，高频率的电能通过换能器/增幅器被转变为机械振动，之后通过一个能量集中装置被传送出去,例如变幅杆/刀具组件[1,17,18,30,32]。这导致刀具沿着其纵向轴线以振幅0-50μm高频率振动（通常≥20KHz）[16,33,34]，典型额定功率范围从50～3000W[35]不等，在某些机器上可以达到4kw。一个受控静负载被施加于刀具和磨料悬浮液（由研磨材料的混合物组成、例如碳化硅，碳化硼等等，悬浮在水或油中）被泵传送到切削区域，刀具的振动导致磨料颗粒悬浮在刀具和工件表面间，通过微型片冲击工件表面从而去除材料[19]。图1展示了设置USM使用磁致伸缩或压电换能器钎焊和螺纹加工。基本的结构变更包括：·旋转超声波加工。刀具启动同时开始旋转，这样可以将圆柱度降低至传统超声波加工所达到的值的1/3[41]，典型回转速度约为300rpm，但若使用金刚石镶嵌刀具，回转速度可高达5000rpm。·超声波加工结合电火花加工[16,18,20,26,34,36]。·超声波辅助常规/非常规加工[16,18,20,26,34,36]。相对于传统的车削加工，超声辅助车学加工声称可减少加工时间、工件的残余应力和加工硬化，提高工件表面质量和刀具寿命[12,36,42,45]。·非加工超声波应用，例如清洁、塑料/金属焊接、化学制品加工、涂层和金属成形。1.1超声波加工技术应用于仿形加工很多超声波加工涉及一些用简单或者复合的工具轴向穿透横截面进入工件的钻削，用于得到合乎要求的通孔和盲孔，三维的孔也需要（就是一个面上有不同深度的孔），一个类同于开模的加工过程通常包括[7,10,27,37,43,46–48]，如图2，使用这种石墨电极技术的放电机能够在30分钟内成型零件，而不是用仿形铣削花20小时完成它[2,4,49,50]，使用复合刀具的问题在于它受加工面上相同加工效率和磨耗率，这些都会影响产品的成型，另外有一个更大问题，就是怎样跟传统刀具相比最大幅度地发挥复合刀具的性能。图1USM上端基本组成部分图2利用USM进行氮化硅涡轮叶片钻孔图3利用USM加工碳纤维复合材料的加速杆、孔和外轮廓一种替代的方法是使用一种简单的“笔状”刀具和使用数控程序仿形，见图3。最近，使用这种技术的可行性已经引起关注并且已被一些国家研究，包括英国、法国、瑞士、日本等等[26,52]，一些CNC控制回路的旋转超声加工系统已在市面上有售，比如来自ExtrudeHoneLimited(法国）的SoneX300，来自ErosonicAG(瑞士)的heErosonicUS400/US800。1.2超声波加工陶瓷材料高性能陶瓷越来越多地被用于航空航天，工业和汽车电子行业的应用。它们为汽车阀和气缸套提供了许多比金属的更优越的性能[14，15]，并且其良好的化学稳定性和高耐热性提高了燃气涡轮机应用中获得更大的热效率的可能性[30，53，54]。烧结氧化铝，碳化硅和氮化硅产品一般有大于1500HV的硬度，因此通常金刚石磨削是唯一可行/经济的加工零件至最终成形的方法，虽然这在加工包括圆柱形元件，平板和弯曲表面零件时是理想可行且易于接受的，但是当被加工表面具有更复杂的形状或者其工作特性要求有特定的工件表面完整性时就会出现问题。大多数工程陶瓷是电绝缘体，尽管这可能是其功能上的优点，但在加工部分零件如陶瓷或陶瓷涂层涡轮机叶片时就成了一个显著的缺点。相当多数量的金属依靠于大量使用非传统加工，例如电化学加工（ECM）和EDM，前者被广泛用于生产翼型型材，后者则用于叶片冷却孔的加工。不幸的是，这两个加工过程都依赖于工件材料是导电的。在EDM中，工件需要具有小于100的Ωcm的电阻率[16,26,33,55]。对于加工过程中高应力集中的安全规定部件如涡轮叶片，其工件表面完整性是一个关键的特性，因此这类零件会特别使用陶瓷或陶瓷涂层。加工过程中应尽可能减少最终成型表面/亚表面的损伤。所有传统的切削操作，如车削或磨削都或多或少的会导致某些类型的表面损伤[24,48,56]。非传统加工过程也是如此，例如EDM或激光加工（LBM）所依赖的热切削机制。举个例子，EDM会导致热表面区域产生最高达50μm深的微裂纹[55]。与此相反，超声波加工（USM）是一种不依赖于导电工件并且适合于陶瓷材料加工的非热过程。该方法可产生很少甚至没有表面/亚表面损伤或施加特定的压力机制。尺寸精度可达±5μm[36]，最终表面的粗糙度Ra可实现0.51-0.76μm[37]。对石墨，碳化硅和一系列陶瓷材料的USM数据来由Gilmore[6]，Kremer[33]总结于表1中。2超声加工刀具的基本原理2.1超声发生器generator）和超声换能器（Transducers）传统的发生器系统中，装配了变幅杆（horn）和刀具，通过机械调整其规模达到共振调谐，然而，最近共振发生器已实现其功能，它可自动调整输出高频率去匹配变幅杆/刀具组件的精确谐振频率[6]。它们可以也适应装配和刀具磨损的任何微小错误，给出最小声波能量损耗和非常小的发热性[33]。供给的功率取决于换能器的大小[35]。有些超声发生器的设计带有安全特性，如在变幅杆断裂，变幅杆/刀具接头故障等[17，31，33]情况的自动开关。换能器的振动在纵向或压缩模式。在工业中的应用，不论磁致伸缩[12,26,40,57]或是压电装置[35,39]都会使用，是因为它的低Q值（Q是一个能量峰值锐度的度量），磁致伸缩换能器允许振动通过很宽的频率传输带传输（例如，20KHz的发生器为17-23KHz）[58].它也允许变幅杆有更大的设计灵活性并且可以适应刀具磨损。此外，变幅杆还可重复设计/加工几次而不会有临界振幅损失[4,30,46]。磁致伸缩换能器主要的缺点是其高电力损失（例如电涡流损失）和低能量效率（约等于55%）[40]，这些损失以热的形式出现，换能器必须空冷/水冷而且换能器的体积庞大笨重，而且，相比于压电型，该换能器不适于产生高强度振动[59,60]，典型的压电换能器[26,42,53,61]由两盘锆钛酸铅或其他合成陶瓷组成[62]，其厚度通常不到超声波换能器总长的10%[63]。压电传感器有更高的能量效率（约等于90~96%），因此不需要任何冷却[18,28,59]。它不易产生热损伤，并且更容易适应旋转操作[61]并且更容易安装。2.2超声变幅杆和刀具组件变幅杆被称为声耦合器，速率/机械转换器，刀架，集中器，桩模块或超声波发生器，见图4。换能器表面的振幅过小（0.001-0.01μm）而无法达到合适的切削率，因此，变幅杆可作为放大设备。对每种变幅杆材料[65]来说，其最佳调谐都是不同的，因此需要控制高机械Q值、良好的焊接和钎焊性、良好的声传输特性、在高工作振幅下的高抗疲劳特性，并且也应耐腐蚀和有足够高的强度来附加螺纹附件，蒙乃尔铜镍合金，钛6-4(IMI318)，AISI304不锈钢，铝和铝青铜合金是常用的材料[1,4,20,40,64–67]。该刀具的设计应该能提供在给定频率的波腹内的最大振幅[61]，所使用的材料应具有高耐磨性、电阻性，较好的弹性，抗疲劳强度并且有该应用下最佳的强度和硬度[16,27,64]。碳化钨，银器钢铁，蒙泰尔铜镍合金，是较常用的刀具材料。多晶金刚石（PCD）近来被用于加工非常坚硬的工件材料，例如热等静压氮化硅[68]。刀具可以通过敢接或钎焊，螺纹/锥度配合连接到变幅杆，另外，实际刀具的结构可以被加工在变幅杆的末端[14,27,35,66,70,71]，螺纹接头由于换刀的快速和易用被照例使用，然而，还是存在些问题，例如自松动，声功率损耗，疲劳失效等[72]。但使用开孔刀具进行深孔钻时，通过变幅杆和刀具的中心进给磨料的能力是一个很大的优势，可以因此减少侧向摩擦力[27]。2.3刀具进给的推进机制和磨料供给系统刀具通常经由配重/静态重量，弹簧，气/液或电磁进给系统施加静态负载使之置于工件之上[16,26,27,40,73]，为获得最佳效果，加工时系统应保持相同的工作力方向，并且保持对切削方向阻力的足够的敏感性[16,40]。施加的力必须仔细选择，因为若设置太低就无法达到最大的切削速度，若设置太高则会导致刀具和磨料之间的干扰[3,70]。比较有代表性的静负载值约为0.1-30N，钻直径小于0.5mm的小孔时的力要特别注意，在太高的负载下有可能导致刀具弯曲。图4.各类带/不带刀具头的变幅杆[69]悬浮液通常是在刀具表面由泵喷射出，吸出，或二者相结合，正如图5中所示[13,16,28,40,74]。它是变幅杆、刀具，工件的冷却剂，为切割区域提供新的磨料，从切割区域清除碎屑[2,25,27,28]，悬浮液同时也提供了刀具、磨料和工具间的声结合，允许高效的能源转换，横向进给的管道是与变幅杆的波节面相连接（相邻），以此来避免阻尼的影响[16,27]。最普通的磨料材料常用氧化铝，碳化硅，碳化硼，等等[4,12,24,27,37,75–78]，磨料输送媒介应控制低粘度并且接近磨料密度，良好的湿润性，较好和较高的热导率，高效的高温冷却性，亲水性，尽量满足这些要求[3,26,28]。图5.悬浮液传输方法[13,16,28,40,74]3材料去除原理Shaw[35]，Miller[79],Cook[80],Rozenbergetal.[7]andothers[22,23,43,60]已经对材料去除原理做了大量的工作，这些原理在图6中有详细叙述，其包含了：·直接锤击工件表面的研磨颗粒所导致的机械磨损[10,28,34,35,37,40,50,60,70,81];·冲击自由移动研磨颗粒所产生的微小碎屑[28,35,37,50,70,81,82];·来自研磨悬浮液的气穴现象效果·与流体有关的化学作用上述机理的单独或联合作用通过切变[13,36,70]或断裂（对硬性材料或加工硬化材料）[13]去除工件材料，材料的去除是在表面上，不需要移动，同时表面上有短暂的塑性变形[13,36]。多孔材料如石墨与硬化钢和陶瓷相反，对于材料去除来说，气蚀具有重大的贡献[10,23,28,35,37,81]，Markov[21]等人[27,35]认为气蚀和化学效应是第二大重要性，多数工件材料作用本质上是削弱工件表面，协助磨料循环利用和排除碎屑，在RUM中，Komaraiahetal.[83]和Enomoto[84]发现在脆性材料中赫兹裂缝的形成所要求的静负载要小于滑动缩进。图6USM材料去除原理[81].3.1各种操作参数对材料去除率的影响在加工前可以通过加速器[10],电涡流探针[30,85]，激光多普勒测量仪（dopplermeter）[86]，激光斑点干涉仪[58]测量超声刀具振幅ξ，通过使用高转