超声加工技术的研究现状及其发展趋势

超声加工技术的研究现状及其发展趋势结合近年来超声加工技术的发展状况，综述了超声振动系统的研究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。超声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，或给工具或工件沿一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。几十年来，超声加工技术的发展迅速，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研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。1超声振动系统的研究进展及其应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用一维纵向振动方式，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。日本研究成功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用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。日本还研制成一种新型“纵-弯”型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。该系统压电换能器也采用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研究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实验。实验结果表明，将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合是加工硬脆材料的一种有效方法。东南大学研制了一种新型超声振动切削系统。该系统采用压电换能器，由超声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调节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，而且结构简单、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，采用磁致伸缩换能器，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用莫氏锥及螺纹连接，输出功率小于500W，频率为16～23kHz，具有频率自动跟踪性能。西北工业大学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，其超声换能器采用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；磨床连接系统由辅助支承、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单得多，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是采用按圆周方向极化的8块扇形压电陶瓷片构成，产生扭转振动。2超声加工技术应用研究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。特别是对难加工材料的深孔钻削来说，会出现很多问题。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。其结果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具寿命短。采用超声加工则可有效解决上述问题。前苏联在20世纪60年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。在美国，利用工具旋转同时作轴向振动进行孔加工已取得了较好的效果。日本已经制成新型UMT-7三坐标数控超声旋转加工机，功率450W，工作频率20kHz，可在玻璃上加工孔径1.6mm、深150mm的深小孔，其圆度可达0.005mm，圆柱度为0.02mm。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：首先用超声振动将非导电层去除掉，当传感器感知金属层出现时，即改用电加工或电火花与超声复合的方法进行加工。该装置有效地解决了具有导电层和非导电层零件孔的加工问题。1996年，日本东京大学在超声加工机床上，利用电火花线切割加工工艺在线加工出微细工具，并成功地利用超声加工技术在石英玻璃上加工出直径为φ15μm的微孔。1998年又成功地加工出直径为φ5μm的微孔。湘潭大学进行了内圆表面的超声光整强化研究。该方法是在钻孔后对孔进行精加工处理，通过机械——超声强化处理，在普通机床上达到精铰、研磨的精度，可实现机械化。初步实验结果表明，该方法加工效果显著，表面粗糙度值可大大降低，内圆表面形成有益的残余压应力，有较高的显微硬度，提高了工件的耐用度，同时内圆表面呈网状纹络，特别适合像轴瓦等表面贮油工件的精加工，并可大大降低生产成本。哈尔滨工业大学研究了Ti合金深小孔的超声电火花复合加工。该工艺将超声振动引入到精密电火花加工中，通过研究超声振动对电火花精加工过程的影响，开发出了一种将超声和电火花结合在一起的新型4轴电火花加工装置。实验研究表明，应用该装置可以在Ti合金上加工出φ0.2mm、且深径比15的深小孔。兵器工业五二研究所研究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普通磨削陶瓷深孔的对比实验。结果表明，超声振动磨削可明显提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通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方法。2.2拉丝模及型腔模具研磨抛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出现。北京市电加工研究所提出的“超硬工具材料电火花超声波复合抛光方法”，其特点是：采用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。台湾的H.Hocheng等人对模具钢的超声抛光进行了基础性研究，研制了一套高效的超声抛光系统，应用该系统对模具钢进行了抛光试验，研究结果表明此系统大大提高了模具钢的抛光质量。日本研制的UMA-1型数控超声研磨机，其研磨时间在1～999s范围内可任意设定；频率自动跟踪；研磨钢针夹持可靠，发热少，钢针磨耗能自动修整；钢针以固定速度进给，具有研磨时间短、精度高的优点。浙江大学进行了超声波-电化学复合研磨硬质合金拉丝模的实验研究。吉林大学对机器人超声-电火花复合加工模具曲面进行了研究，结果证明该方法可改善加工质量，模具曲面精加工效率提高4倍以上。哈尔滨工业大学针对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。通过对模具型腔高效镜面加工的实验，表明选配适当工艺参数进行光整加工，可以获得表面粗糙度Ra0.025μm的镜面，效率较普通研磨提高10倍以上，较电解研磨提高1倍以上。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，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、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，其成形加工十分困难，特别是成形孔的加工尤为困难，严重阻碍了应用推广。因此，国内外许多学者展开了对难加工材料加工方法的研究，其中以超声加工较多。英国阿伯丁大学国王学院研究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研究，提出了一种新的材料去除率的计算方法，这种方法首次解释了材料去除率在较高的静态力作用下减小的原因。美国内布拉斯加大学和内华达大学对Al2O3陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究。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，研究发现，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。美国内布拉斯加大学还第一次分析了Al2O3陶瓷精密超声加工的机理、过程动力学以及发展趋势，并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况。巴西的研究人员对石英晶体的超声研磨技术进行了研究，发现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。研究指出，加工过程中材料产生微裂纹是材料去除的主要原因。美国堪萨斯州立大学提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率模型的计算方法，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，该研究大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的发展。山东大学研究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。另外，工具电极的超声振动还可以起到清洗缝隙的作用，并采用该技术对Al2O3/(W，Ti)C、Al2O3/TiB2、Al2O3/TiB2/SiCw3种Al2O3基陶瓷刀具材料表面定位方孔进行加工，研究了其加工机理和加工参数对不同陶瓷材料加工效率、加工表面粗糙度的影响规律。结果表明，该复合加工技术有效地结合了超声加工和放电加工的特点，能高效、高质量地加工陶瓷材料。山东大学还利用超声加工技术对大理石的孔加工进行了研究，并与陶瓷材料进行了对比研究。结果表明，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超声精密雕刻技术进行了研究，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。同济大学对超声加工建筑玻璃小孔的实验进行了研究，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。结果表明，超声加工建筑玻璃小孔的精度、表面质量均可满足建筑安装、装潢的要求。该研究对其他玻璃材料的加工具有一定参考价值。北京航空航天大学和哈尔滨工业大学将超声振动引入普通聚晶金刚石(PCD)的研磨加工，显著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微观结构和去除机理的基础上，对PCD超声振动研磨机理进行了深入研究。研究指出，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原因。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。该研究指出，磨料颗粒的尺寸与加工效率有密切的关系，对实际生产具有一定的指导作用。沈阳工业学院研究了采用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。研究表明，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机理。2.4超声振动切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兴趣和极大关注。最早对振动切削进行比较系统的研究、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50～60年代发表了许多振动切削方面的论文，系统地提出了振动切削理论，并成功地实现了振动车削、振动铣削、振动镗削、振动刨削、振动磨削等。随后美国也对振动切削进行研究，到20世纪70年代中叶，振动车削、振动钻孔、振动磨削、光整加工等均已达到实用阶段，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，取得了一系列研究成果，并在生产中得到推广应用。俄罗斯科学院和英国拉伯运大学对超声振动切削的非线性过程进行了深入研究，利用流变模型对超声振动切削实验结果进