（机械制造及其自动化专业论文）超声复合电火花加工系统分析及试验研究.pdf

摘要 本文概述了微细超声加工、微细电火花加工和超声复合电火花加工在国内外的研究现 状与发展趋势，分析了这三种微细加工方法的加工机理和加工特点，分析并优化了超声振 动系统的特性，设计、制作超声复合电火花加工工具电极，进行了微细超声复合电火花加 工试验，为微细加工技术开发出以超声频振动调制火花放电加工的新工艺。 构造了超声复合电火花加工系统，选用具有自动反馈功能，可跟踪超声振动系统实时 频率变化的数字超声装置，保证超声装置的激振频率始终在系统的共振频率点，即电极工 具端面始终处于共振，即最大振幅状态；采用压电换能器，较传统磁致伸缩换能器具有更 稳定的性能，且体积紧凑，加工过程中无磁滞效应带来的温升，系统性能更稳定，使用方 便；采用磁悬浮张力可微细调节的蠕动工作台进给装置，可保证加工中工具电极与工件之 间恒定工作压力。 设计、改进超声频同步电源斩波器，用此斩波器对放电加工电源进行超声频斩波，得 到超声放电同步高频脉冲电压；同时采用精密、高速激光微位移传感器直接测量工具电极 端面超声频振动位移，通过调制转换电路，进行火花电源超声频同步斩波，通过两种同步 方法的测试比较，验证采用斩波器斩波与激光微位移传感器斩波，超声频振动位移频率、 相位与得到的放电斩波脉冲频率、相位一致性很好，因此采用超声频同步电源斩波器来进 行超声复合同步电火花加工可以达到用激光微位移传感来测量、处理与放电斩波的同样效 果，由于精密、高速激光微位移传感器价格很高( 8 0 0 0 美元以上) ，此方法可大大减少系 统的研制成本，此同步快速斩波电源已申请发明专利。 对超声振动系统运用a n s y s 软件工具进行优化分析、探讨。对超声变幅杆进行参数 计算和动力学分析。在模态分析中，得到各自的固有频率：在谐响应分析中，得到在各自 的固有频率下的动态响应，进而得到变幅杆的位移节点、放大系数和极大应变点，并且与 解析值相比较，结果证明两者之间基本一致，为超声变幅杆的设计建立理论基础。进行变 幅杆的设计、制作，使用连接工具头电极的圆锥形、指数形、阶梯形三种变幅杆进行设计 和仿真。先将其进行参数计算，得到各自的最理想长度。然后将其进行动力学分析，得到 变幅杆的放大系数，位移节点和极大应变点，根据分析结果进行合理的修正。用三种类型 变幅杆进行激光微位移传感器检测各自端面共振的振幅，其结果与动力学分析基本一致； 并且指数形变幅杆加工的稳定性好。 本文通过试验、测量，验证了超声加工功率与电极端面共振振幅正相关的规律；试验 了不同材料的超声加工试验，进行加工结果对比、分析；进行了多参数超声复合电火花同 步加工试验，将超声复合电火花同步加工分别与超声加工进行比较，证明了超声复合电火 花同步加工在提高加工精度方面的技术优势。 最后对超声复合电火花同步加工的工艺特性进行分析与总结，提出存在问题及完善的 措施，并对后续研究工作提出了设想和展望。 关键词：超声频振动，复合放电加工，模态分析，谐响应分析，工艺设计与试验 i i a bs t r a c t t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g ns t a t u so fm i c r o u s m ( u l t r a s o n i c m a c h i n i n g ) ，m i c r o e d m ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g e dm a c h i n i n g ) a n du l t r a s o n i cc o m b i n e de l e c t r i c a l m a c h i n i n gt e c h n o l o g i e s ，a n da n a l y z e s t h e i rp r o c e s s i n gm e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c s 刀i e c h a r a c t e r i s t i co fu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mi so p t i m i z e d t o o l sw h i c hu s e di nu l t r a s o n i c c o m b i n e de l e c t r i c a lm a c h i n i n ga r ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d m a n ye x p e r i m e n t so fu l t r a s o n i c c o m b i n e de l e c t r i c a lm a c h i n i n ga r ec a r r i e do u t ，t h ep u r p o s ei st od e v e l o pan e wt e c h n o l o g yo f u l t r a s o n i cv i b r a t ec o m b i n e de l e c t r i c a lm a c h i n i n gf o rm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y t h es y s t e mo fu l t r a s o n i cc o m b i n e de l e c t r i c a ls y n c h r o n o u sm a c h i n i n gi sb u i l tu p d i 西t a l u l t r a s o n i cd e v i c ec a na u t o m a t i cf e e d b a c ka n dt r a c kr e a l t i m ef r e q u e n c yv a r i a t i o no fu l t r a s o n i c v i b r a t i o ns y s t e m ，e n s u r ev i b r a t i o nf r e q u e n c yo fu l t r a s o u n dd e v i c ei si na c c o r d a n c ew i t ht h e s y s t e mo fp r o c e s s i n gi n h e r e n tf r e q u e n c yp o i n t s ，t h a tm e a n se l e c t r o d et o o li sa l w a y si nt h em o s t r e s o n a n ta m p l i t u d e t h ep i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e rw h i c hi su s e di nt h es y s t e mh a sb e t t e rs t a b l e p r o p e r t ya n ds m a l l e r s i z et h a nt r a d i t i o n a lm a g n e t o s t r i c t i v et r a n s d u c e r i nt h ep r o c e s so f m a c h i n i n g , t h e r ei sn o tt e m p e r a t u r e r i s ew h i c hi sc a u s e db yh y s t e r e s i se f f e c t ，s y s t e mw i l lb e m o r es t a b l e a d j u s t a b l em a g n e t i ct e n s i o nb e n c hw i t hc r e e pf e e d i n gm e c h a n i s mi su s e dt o m a i n t a i no p t i m a lw o r k i n gp r e s s u r e u l t r a s o n i cs y n c h r o n o u sc h o p p e ri sd e s i g n e da n di m p r o v e d ，w h i c hc a ns u p e r s o n i cc h o p p e d t o d i s c h a r g ep r o c e s s i n gp o w e r ， a n dg e th i g h - f r e q u e n c yp u l s ee l e c t r i ct e n s i o no fu l t r a s o u n d s y n c h r o n o u sd i s c h a r g e i no t h e rw a y s ，b yu s i n gp r e c i s ea n dh i g h s p e e dl a s e rm i c r od i s p l a c e m e n t s e n s o rt om e a s u r et h ed i s t a n c eb e t w e e nw o r k p i e c e sa n dt o o l s ，c o n n e c tw i t ht h ec h o p p e ra n d c o n t r o lo fe l e c t r i cp o w e r d i s c h a r g em a c h i n i n gp u l s eo ft h et w ok i n d so fs y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d a r ep e r f e c ta c c o r d i n gw i t hs u p e ra u d i ov i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dp h a s e ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h e t w ok i n d so fs y n c h r o n i z a t i o nm e t h o dh a v et h es a m ep r o c e s s i n ge f f e c t t h ep r i c eo fp r e c i s ea n d h i g h - s p e e dl a s e rm i c r od i s p l a c e m e n ts e n s o ri sv e r yh i g h ( m o r et h a n8 0 0 0d o ll a r s ) a n dt h e m e t h o do fu l t r a s o n i c s y n c h r o n o u sc h o p p e rc a ng r e a t l yr e d u c et h ec o s to fs y s t e m t h e s y n c h r o n o u sr a p i dc h o p p i n gp o w e rh a sa p p l i e df o ri n v e n t i o np a t e n t u s i n ga n s y ss o f t w a r et oo p t i m i z eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e ma n dm a k ep a r a m e t e r s c a l c u l a t i o na n dd y n a m i ca n a l y s i ss t u d yt oa m p l i t u d et r a n s f o r m e rh o r n i nt h ep r o c e s so fm o d a l a n a l y s i s ，g e tt h e i ri n h e r e n tf r e q u e n c y ；i nt h ep r o c e s so fh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，g e tt h e r e s p o n s ea c c o r dw i t ht h e i ri n h e r e n tf r e q u e n c y , t h e ng e tt h e i rd i s p l a c e m e n tn o d e a m p l i f i c a t i o n t o e 伍c i e n ta n dt h eb i g g e s ts t r a i np o i n t ，c o m p a r e dw i t hp a r a m e t e rc a l c u l a t i o n ，t h e yf i tb e t t e rw i t h e a c ho t h e r i ts e t su pag o o df o u n d a t i o nf o rt h eu s eo fa m p l i t u d et r a n s f o r m e rh o r n o nt h eo n e h a n d c o n s i d e r i n gt h et e s th a v en os p e c i f i cr e q u i r e m e n t st ot h ea m p l i f i c a t i o nt o e 伍c i e n to f a m p l i t u d et r a n s f o r m e rh o r n ，o nt h eo t h e rh a n d ，c o n s i d e r i n gt h ee a s ym a n u f a c t u r e ，c o n es h a p e a m p l i t u d et r a n s f o m l e rh o r nw i t ht o o lc a t h o d ei sd e s i g n e d i nt h ep r o c e s so fm o d a la n a l y s i s ，g e t t h ei n h e r e n tf r e q u e n c yn e a r2 0 k h z ；i nt h ep r o c e s so fh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s g e tt h e r e s p o n s eu n d e ri n h e r e n tf r e q u e n c y ，a n dt h e ng e tt h ea m p l i f i c a t i o nt o e 伍c i e n t ，d i s p l a c e m e n tn o d e a n dg r e a ts t r a i n p o i n t i nt h ee n d ，i m p r o v er e l e v a n tp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f a n a l y s i s t a k i n ga d v a n t a g eo f1 a s e rm i c r od i s p l a c e m e n ts e n s o rt od e t e c tt h ea m p l i t u d eo ft h e t h r e et y p e so ft r a n s f o r m e r , t h er e s u l t sa r ep e r f e c ta c c o r d a n t ew i t ht h er e s u l t so fd y n a m i c s a n a l y s i s t h er e s u l ts h o w st h ei n d e xt r a n s f o r m e rh a st h eb e s tp r o c e s s i n gs t a b i l i t y f r o mt h ep o i n to ft e s ta n dm e a s u r et op r o v et h ep o s i t i v er e l a t i o nb e t w e e nu l t r a s o n i c i i i m a c h i n i n gp o w e ra n da m p l i t u d eo fe l e c t r o d ee n df a c e i no r d e rt op r o v i n gd i f f e r e n tm a t e r i a l s h a v ed i f f e r e n ti n f l u e n c et op r o c e s s i n gr e s u l t ，u s e ds a m ep a r a m e t e rt od os o m et e s t ，a n dc o n t r a s t a n da n a l y s i s m a n ye x p e r i m e n t so fu l t r a s o n i cc o m b i n e de l e c t r i c a ls y n c h r o n o u sm a c h i n i n ga r e c a r r i e do u t ，c o m p a r ew i t hu l t r a s o n i cm a c h i n i n g , i l l u m i n a t et h et e c h n o l o g ya d v a n t a g eo f u l t r a s o n i cc o m b i n e de l e c t r i c a ls y n c h r o n o u sm a c h i n i n g , a n ds u m m a r i z i n gt h et e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a s o n i cc o m b i n e de l e c t r i c a ls y n c h r o n o u sm a c h i n i n g i nt h ee n d ，t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a s o n i cc o m b i n e de l e c t r i c a ls y n c h r o n o u s m a c h i n i n ga r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d p u t t i n gf o r w a r dt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n dp e r f e c t p l a n s ，t h a tw i l lb eg o o dp r e p a r e df o rt h es u b s e q u e n tw o r k s k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cv i b r a t i o n ，c o m b i n e de l e c t r i c a lm a c h i n i n g ，m o d a la n a l y s i s ， h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，p r o c e s s i n gd e s i g na n dt e s t 刁国虎：超卢复合电火花加工系统分析及试验研究 第一章绪论 随着科学技术的迅速发展，新型材料不断涌现和采用，工件的复杂程度以及对加工精 度的要求越来越高，在这种情况下，对机械制造技术提出了更高的要求。由于受刀具性能、 结构、设备加工能力等各方面的限制，使用传统的切削加工方法已经很难完成对高强度、 高韧性、高硬度、高脆性和耐高温等新材料，以及精密复杂或难以处理的形状的加工。为 了解决这些加工的难题，人们不断开发研究并成功采用“传统的切削加工以外的新的加工 方法特种加工”来解决很多工艺问题，在机械制造业上发挥了很大的作用，引起了机 械制造工艺技术领域的许多变革。 1 1 特种加工技术 特种加工技术是相对于传统的切削加工而言的，实质上是直接或间接利用电能、电化 学能、化学能、光能、声能、热能、磁能、物质动能、甚至爆炸能等对工件进行加工的工 艺方法的总称。特种加工技术主要有以下几个特点： ( 1 ) 加工方法主要不是依靠机械能，而是用其他能量( 如电能、光能、声能、热能、 化学能等) 去除材料； ( 2 ) 传统加工方法要求刀具的硬度必须大于工件的硬度，即“以硬切软，而对于特 种加工，由于工具不受显著切削力的作用，特种加工对工具和工件的强度、硬度和刚度均 没有严格要求； ( 3 ) 加工没有明显的切削力作用，一般不会产生硬化现象，又由于工件部位变形小， 发热少，或发热仅局限于工件表层加工部位，工件热变形小，由加工产生的应力也小，易 于获得好的加工质量，且可在一次加工中完成工件的粗、精加工； ( 4 ) 特种加工中的能量易于转换和控制，有利于保证加工精度和提高效率； ( 5 ) 特种加工方法的材料去除速度一般低于常规加工方法，这也是目前常规加工方 法在机械加工中仍占主导地位的主要原因。 特种加工技术在一定程度上是对传统的切削加工的补充，它拓宽了传统机械加工的应 用领域，特别适用于难加工材料和复杂形状零件的加工。这时使用的特种加工技术，提高 了生产加工能力，同时具有较高的经济效益。虽然特种加工技术已解决了传统机械加工所 遇到的很多问题，但是目前仍然存在以下几个问题难以解决：一些加工设备所需投资大并 且维修费用比较高；加工过程中产生的废液的排放不当会对环境造成一定的污染；有些特 种加工的精度和加工效率有待进一步提高；有些特种加工的机理还要进一步研究等等。随 着现代科学技术的发展，上述的问题会慢慢得到解决，特种加工的应用前景和发展空问将 更为广剐2 卅。 1 2 微细加工技术 微细加工技术是指制造微小尺寸零器件和薄膜图形的方法。在微细加工技术领域，依 据微机械的特征尺寸可将其划分为以下几个部分：纳米机械0 0 0 1 l 岬，微型机械 0 0 0 1 一l m m ，小型机械1 1 0 0 m m ；依据零件的特征尺寸可将其划分为以下几个部分：纳米 尺度0 1 1 0 0 n m ，微米尺度0 1 1 0 0 0 m 和介于宏微之间的中间尺度o 1 1 0 0 m m 。从图1 1 所示各种技术的相对精度示意图可以看出，微细加工技术主要用于制造具有较高精度的精 密微小零件，而且能够适应多种材料及复杂形状要求l 5 j 。 2扬州大学硕士学位论文 耋 磊 愈 相对精度( t s ) 1 纳米技术2 微细加工3 超精密中间尺寸加工 4 传统的中间尺寸加工5 超精密机械加工6 传统的精密机械加工 图i - i各种加工技术的相对精度示意图 目前，微细加工技术被赋予了更加广泛的内容和更高的要求，加工尺寸已从微米量级、 亚微米量级发展到纳米量级。微细加工技术包括以下几种：第一种是以日本为代表的利用 传统机械加工手段，即利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器，通常使用的方 法主要有：微细车削、微细磨削、微细铣削、微细钻削等；第二种是以美国为代表的利用 化学腐蚀或利用集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基m e m s 器件；第三种是以 德国为代表的l i g a ( l i g a 是德文l i t h a g r a p i e ( 光刻) 、g a l v a n o f o r m u n g ( 电铸) 和a b f c i r m u n ( 塑铸) 三个词的缩写) 技术。它是利用x 射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微 结构的方法。其中第二种方法与传统i c 工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成， 并适合于批量生产，已经成为m e m s 的主流技术。由于利用l i g a 技术可以加工各种塑料、 金属和陶瓷等材料，并且可以得到精细结构，其加工深度可以达到几百微米，因此l i g a 技术也是一种比较重要的m e m s 加工技术。利用l i g a 技术已经开发和制造出微马达、微 加速度计、微齿轮和微射流计等。 从加工工艺的角度来看，基于平面硅工艺的m e m s 具有集成度高，便于大批量生产等 优点。但这种方法难以加工出三维自由度曲面形状，也难以处理各种性能优异的金属材料。 l i g a 技术在三维结构制作上所取得的成就令人瞩目，但昂贵的设备投资也同样令人却步。 将微机电系统技术与微细特种加工技术并重，将两种或者两种以上的微细加工技术进行有 效的集成与融合，充分发挥各种工艺的优势，取得任何单一方法所达不到的技术优势，寻 求高精度、高质量、高效率和低成本的工艺方法，将是新世纪微细加工技术发展的的一个 重要方向。 1 3 电火花加工的国内外研究现状 作为特种加工技术的一个重要分支，电火花加工技术自从二十世纪四十年代以来，随 着生产的发展和科学试验的需要，对电火花加工技术的研究十分活跃。尤其是进入二十世 纪九十年代后，随着网络技术、航空航天技术、信息技术和材料科学技术等新技术的发展， 电火花加工技术也在朝着更深层次、更高水平的方向发展。 电火花加工方法是前苏联科学家拉扎林科夫妇于1 9 4 3 年发现的。在此后不到十年的 时间里，世界上工业比较发达的国家都相继成功研制出了电火花加工机床。五十年代末， 我国电火花加工开始从研究试用阶段进入到生产阶段。至今已成功研制了各种各样的电火 花加工设备，并且投入生产。特别是电火花线切割技术，单片机数控线切割加工机床年产 刁国虎：超声复合电火花加工系统分析及试验研究 3 量己达数十万台。电火花线切割加工的主要工艺指标：加工速度已达1 2 0 m m 2 m i n ，加工精 度已达0 0 2 珈0 3 m m ，表面粗糙度r a 已达2 5l am 。机床已由液压主轴头发展为步进电机 和伺服电机主轴头，三坐标均采用数显装置。 随着电火花加工技术的发展，高性能的微细电火花加工机床也相继问世。二十世纪九 十年代后期，微细电火花加工技术己经开始进入实用化、产业化阶段。日本的松下精机、 三菱电机、s o d i c k ，瑞士的a g i e c h a n n i l l e s 等国际知名的电加工机床生产厂家相继推出了 商品化的微细电火花加工机床，其中尤以日本松下公司的m g e d 8 2 w 型微细电火花加 工机床为代表如图1 2 所示，利用该机床已成功加工出如图1 3 所示的直径为5l am 微细孔 6 - s 。 图1 - 2m g e d 8 2 w 型微细电火花加工机床图1 - 3 直径为5um 微细孔 我国对电火花加工技术的研究也较早，自1 9 5 1 年起我国就开始了电火花加工的试验 研究工作。1 9 5 3 年大力推广电火花表面强化和电火花阳极刃磨着两种电火花加工工艺。 1 9 8 2 年，南京江南光学仪器厂的孙昌树开发的共扼回转式电火花精密加工新工艺系统，获 得国家创造发明二等奖。 按照电火花加工工艺方法和用途的不同，电火花加工设备主要分为六大类：( 1 ) 电火 花成形设备，主要用于穿孔和型腔加工，典型机床有d k 7 1 4 0 、b 3 5 等电火花穿孔成形机 床；( 2 ) 电火花线切割设备，主要用于下料、切割、和窄缝加工，典型机床有d k 7 7 2 5 、 d k 7 7 4 0 等数控电火花线切割机床；( 3 ) 电火花磨削设备，主要用于提高内孔和型腔的高 精度和光洁度的加工，典型机床有d 6 1 3 0 等电火花小孔内圆磨床；( 4 ) 电火花同步共轭回 转加工设备，主要用于加工高精度型面复杂的零件，典型机床有j n 一2 、一8 等内外螺 纹加工机床；( 5 ) 电火花高速小孔加工设备，主要用于小孔、小深孔加工，典型机床有d 7 0 3 a 等电火花高速小孔加工机床；( 6 ) 表面强化、刻字的电火花设备，主要用于表面强化处理 和刻字等，典型机床有d 9 1 0 5 等电火花强化机。 1 4 超声加工的国内外研究现状 超声加工技术是特种加工技术的一种，它始于1 9 2 7 年，已经有8 0 多年的发展历史， 尤其是在硬脆材料的加工中发挥着重要的作用。多年来，人们不断地对超声加工技术进行 改进，取得了很大的进展。 1 9 2 7 年，美国物理学家伍德和卢米斯最早做了超声加工试验，利用超声振动对玻璃板 进行雕刻和快速钻孔。但当时的超声加工技术并未应用到工业上，直到大约19 4 0 年在文 献上第一次出现超声加工( u s m u l t r a s o n i cm a c h i n i n g ) 工艺技术描述以后，超声加工才 吸引了大家的注意，并且逐渐地融入到其他的工业领域。1 9 5 1 年，科恩研制了第一台超声 4 扬州大学硕士学位论文 加工机，为超声加工技术的发展奠定了基础。 6 0 年代初，美国开始对超声加工技术进行研究，但是由于当时的超声加工技术还很不 成熟，包括声振系统、换能器、超声波发生器的设计制造和质量都很差；7 0 年代中期，美 国在超声钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已处于生产应用阶段；超声车 削、钻孔、镗孔已处于试验性生产设备原型阶段；2 0 0 1 年，a d r i a nk a u f 等人设计了旋转 超声加工方式，并申请了美国专利。 原苏联对超声加工技术的研究也比较早，5 0 年代末6 0 年代初就已发表过很有价值的 论文。在超声车削、磨削、光整加工、钻孔和复合加工等方面均有生产应用，并取得了良 好的效果。为了推动超声加工技术的应用，1 9 7 3 年原苏联召开了一次全国性的讨论会，充 分肯定了超声波j n - r 的经济效果和实用价值，对这项技术在全国的推广应用起到了积极作 用。 在欧洲，1 9 9 6 年德国亚琛工业大学研制了旋转超声加工装置，利用数字控制( n c ) 可以进行轮廓加工。2 0 0 7 年德国的d m g s a u e r 公司研制的u l t r a s o n i c2 0 五轴联动超声振 动高速加工中心，如图1 4 所示。不仅可以钻孔、攻螺纹，还可以加工任意复杂形状的硬 脆材料零件，被认为是硬脆材料加工设备的新飞删1 5 j 。 图1 - 4u l t r a s o n i c2 0 五轴联动超声振动高速加工中心 我国对超声加工技术的研究始于5 0 年代末期，曾经掀起过一阵群众性的“超声热”， 由于当时超声波发生器、换能器、超声振动系统还很不成熟，缺乏合理的组织和持续的研 究工作，很快就冷却了下来。6 0 年代末，哈尔滨工业大学应用超声切削，加工了一批飞机 上的铝制细长轴，取得了良好的切削效果。1 9 7 3 年上海超声波电子仪器厂研制成功超声拉 管设备。1 9 7 6 年以后，我国相继开展了超声加工的试验研究和理论探讨工作。吉林工业大 学、广西大学及甘肃光学仪器厂等单位，率先进行超声车削设备及试验研究。1 9 8 2 年，上 海钢管厂研究所及上海超声仪器厂、中国科学院声学所研制成功超声拉管设备，为我国超 声加工在金属塑性加工中的应用填补了空白。1 9 8 3 年1 0 月，机械电子工业部科技司委托 机械工艺师杂志编辑部在西安召开了我国第一次“振动切削专题讨论会”，会议充分 肯定了振动切削在金属切削中的重要作用，交流了研究和应用成果，促进了这项新技术在 我国的深入研究和推广应用。1 9 8 5 年，机械电子工业部第1 1 研究所研制成功了超声旋转 刁国虎：超声复合电火花加工系统分析及试验研究 5 加工机，在玻璃、陶瓷、y a g 激光晶体等脆性材料的钻孔、套料、端洗、内外圆磨削及螺 纹加工中，取得了优异的工艺效果。1 9 8 9 年，我国成功研制超声衍磨装置，在汽车、拖拉 机、摩托车发动机气缸、跑管、油缸、煤矿液压支架等精密孔的衍磨加工中进行了生产应 用，并通过了部级鉴定，填补了国内技术空白。1 9 9 0 年，超声衍磨装置被列为国家级新产 品。1 9 9 1 年，我国研制成功了变截面细长杆超声车削装置。2 0 0 3 年清华大学也对旋转超 声加工机床进行了研究，并提出了粗精频率跟踪结合的智能超声波发生器的设计方法。8 0 年代后期，天津大学的李天基等人在高速磨削时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声 磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高6 倍以上，表面质量也有了大幅度提高。 并于2 0 0 4 年成功开发可在多种普通机床上使用的超声旋转加工工具头，实现了旋转超声 加工工具头的机床附件化，并研制成功用于旋转超声加工过程中对负载变化进行匹配调节 的气浮工作台，如图1 5 所示。 图1 5 旋转超声加工机床及气浮工作台 1 5 复合加工技术 单一的特种加工方法各具优点，但都有一定的局限性。比如：超声加工面积大、韧性 较强的材料时，效率显著降低，应用也受到限制；电火花加工的工件表面层质量及加工效 率受到加工机理的制约；电子束、离子束加工均需在真空环境中进行，设备成本高，应用 受到很多限制；激光加工基于热作用，影响因素较多；基于电化学电极沉积的精密微细电 铸技术可制作形状复杂、精度很高的微小零件，但存在废品率较高与效率较低的问题；基 于阳极溶解的微细电化学( 电解) 加工在微器件制造中的应用，现在主要还局限于一些二 维形状刻蚀，且由于影响因素多，成形精度还有待进一步提高。 通过科研和生产实践发现，将不同的加工技术结合起来，即采用复合加工技术会带来 意想不到的加工效果。如：将激光加工与切削加工相结合，可以解决高硬度、高强度等难 加工材料的切削加工问题；将电火花加工与超声加工相结合，超声和电解加工复合，都可 6扬州大学硕士学位论文 以提高加工效率和加工质量等。采用复合加工可以克服单一特种m - r 技术的缺点，改善和 提高加工工艺性。 1 5 1 复合加工技术概念及分类 复合加工是同时采用多种加工方法的复合作用，利用多种形式的能量的综合作用来实 现工件材料的加工，包括传统加工和特种加工的复合、特种加工与特种加工的复合。近些 年来随着精密加工和超精密加工的技术发展，特别是微细加工、纳米加工、微型机械的发 展，使得复合加工的范畴有了更大的发展，主要体现为复合加工技术的多样化、高效化和 精密化。复合加工技术在特种加工技术中所占的比例越来越大，逐渐成为特种加工领域中 的一个重要分支，研究开发和应用前景广阔。目前，常用的复合加工方法主要有以下几种 类型： ( 1 ) 超声复合加工：超声复合加工( u l t r a s o n i c a lc o m b i n e dm a c h i n g ，u c m ) 是以磨料 机械能、火花放电产生的电能和热能、电解的化学能几种能量形式的复合加工，它可以提 高表面质量和加工效率。主要有( 1 ) 超声频振动与其他机械作用过程相复合；( 2 ) 超声 机械振动与不同性质的作用过程( 如电化学、电火花放电等) 相复合。总之，超声引入的目 的都是为了强化原加工过程，使得这些加工的速度明显提高，而加工质量得到不同程度的 改善，达到低耗高效。 ( 2 ) 磨削复合加工：磨削复合加工( g r i n d i n gc o m b i n e dm a c h i n g ，g c m ) 主要用于获 得高的形状精度和表面质量，尤其是大规模集成电路的发展，要求晶片达n 0 0 1l am 的平 面度和纳米级的表面粗糙度，晶片的镜面表面上应无细微划痕、擦伤及裂纹，表面层的变 质层应极微小。 ( 3 ) 化学机械复合加工：化学机械复合加工是指化学加工和机械加工的复合，是一 种超精密的精整加工方法，可以有效地加工陶瓷、单晶蓝宝石和半导体晶片，可防止通常 机械加工用硬磨料引起的表面脆性裂纹和凹痕，避免磨粒的耕犁引起的隆起以及滑引起的 划痕，可获得光滑无缺陷的表面。化学机械复合加工中常用机械化学抛光，化学机械抛光 两种方式。 ( 4 ) 切削复合加工：切削复合加工( c u t t i n gc o m b i n e dm a c h i n g ，c c m ) 主要改善切削 的形成过程为目标，可分为加热切削和超声振动辅助切削。所谓加热切削，就是通过对工 件的局部瞬时加热，改变其物理力学性能和表层的金相组织，降低工件切削区材料的强度， 提高其塑性，改善其切削加工性能。常用的有等离子电弧加热车削和激光辅助车削；所谓 超声振动辅助切削就是用超声振动的能量减少刀具与工件之间的摩擦，并提高加工区工件 材料的塑形，可以改善车削、钻削、铰削、插削等切削过程并能提高加工质量。 ( 5 ) 磁场辅助研抛加工：磁场辅助研抛加工是利用磁场进行研抛加工的新方法，通 过在磁场作用下形成的磁流体，使悬浮其中的非磁性磨料在磁流体的流动和浮力作用下， 压向旋转的工件进行研磨和抛光，从而提高精整加工的质量和效率。它能高效、快速地对 各种材料、尺寸和结构的零件进行精加工，是一种投资少、效率高、用途广、质量好的研 抛加工方法。 ( 6 ) 其他复合加工：以化学加工为主，辅以光学或液体动力学能量的加工方法，包 括光刻加工、水合抛光和非接触化学抛光，前者主要用于复杂的图形加工，后者主要用于 加工蓝宝石和g a a s 晶片，其加工粗糙度可达到纳米级。 1 5 2 超声电火花复合j n - r 的国内外研究现状 在国外，1 9 8 6 年，印度m a d r a s 工业大学的v s r m u r t i 和p k p h i l i p 使用电子扫描 显微镜对火花间隙中超声辐射对电火花加工碎屑的影响进行了详细的研究。指出了在放电 间隙中附加的超声辐射场对e d m ( 电火花加工) 将产生重要的影响，主要影响有：放电区 刁国虎：超声复合电火花加工系统分析及试验研究 7 中声流场交替地变化加速了工作液的循环和扰动效果；放电区中颗粒的受力更复杂，增加 了超声场辐射力的作用；空化作用加剧，增大了放电区中颗粒碰撞的随机性和剧烈程度， 使形成碎屑颗粒的尺寸变大。英国的r o d n e yw j 等人在1 9 9 0 年申请了电火花超声复合 穿孔的专利。该装置如图1 - 6 ，该装置主要用于加工在导电基上有非导电层的零件。该装置 在电火花加工的基础上附加超声加工，有效地解决了具有导电层和非导电层零件的加工问 题。1 9 8 9 年法国的d k r e m j l l e b r u n ，b h o s 撕和a m o s i s 锄系统地研究了超声振动 对电火花加工性能的影响，该装置如图l 一7 。日本的y o s h i h i t oi m a i 等人研究了压电高频响 应驱动器对电火花加工速度的影响，指出高频振动对使用工作液的精力l i ( 1 0pmr m a x ) 高 光滑面( 1pmr m a ) 【) 、0 2 4 0um 微孔时进行加工时，加工速度可提高11 5 - 2 1 5 倍l l 乱2 0 j 。 传感 空气 图l - 6 超声电火花复合穿孔装置图1 7 超声复合电火花加工装置 在我国，中国纺织工业大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、山东工业大学、 北京电加工研究所、苏州电加工机床研究所等单位对超声电火花的复合加工进行了研究。 8 0 年代初，中国纺织工业大学的贺庆华等人进行了超声在精微小孔电火花加工中的应用和 超声回转微孔电火花加工的研究，采用超声频率为1 8 k h z 一2 9 k h z ；振幅为1i lm 2 0um ； r c 脉冲电源；o 0 1 m m 、中0 1 3 m m 、0 1 7 m m 的钨丝电极；去离子水工作液；1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢工件。用2 0 0 v 的电源电压进行超声电火花复合加工微小孔实验，他们指出：采用 超声r c 非独立式脉冲电源比单纯采用的r c 非独立式脉冲电源其最大加工速度提高4 倍 左右。贺庆华等人认为加工效率提高的主要原因是由于超声空化作用使电火花加工中的电 蚀产物从放电间隙中细化并抛出，从而提高了脉冲电源的利用率。 哈尔滨工业大学的杜松岩在导师刘晋春教授的指导下进行了方波电源超声电火花复 合加工研究。他指出：窄脉宽精微加工时，超声振动不仅起到促进排屑作用，而且使电蚀 产物在电极间分布均匀，使击穿沿时缩短，最主要的是大幅度提高了脉冲电源的利用率， 从而显著地提高了加工速度；在大面积、长脉冲、大峰值电流的粗规准加工时，超声振动 不能提高速度。超声复合电火花加工的工艺效果与加工面积、电极形状有关，加工面积较 小时效果显著，特别适用于微小孔、窄缝的加工。 哈尔滨工业大学的郭永丰在国内首次提出了超声电火花同步复合加工小孔技术，使超 声复合电火花加工速度提高了2 0 5 0 ，并提出了放电概率间隙的概念。他指出：若使电 极端面的超声振动与电火花脉冲放电同步起来，电极端面的超声振动引起间隙随超声振动 周期性地减小和增大，每经过一次超声振动，间隙变化一次，在间隙减小到最小间隙之前， 产生一次电火花瞬时击穿放电，理论上间隙每周期性地变化一次，就能引起一次电火花放 电的超声和电火花复合加工。 1 6 本论文课题的来源、选题依据和研究内容 8扬州大学硕士学位论文 1 6 1 课题来源 本课题得到国家自然科学基金( 5 0 1 7 5 3 5 5 ) ) 5 2 j 0 2 苏省自然科学基金项目( b k 2 0 0 9 1 9 4 ) 资助。 1 6 2 选题依据 由于微细超声加工和微细电火花加工技术有一定的技术缺点，比如说，超声加工中的工 具头易磨损；电火花加工中的加工效率低，为了克