先进磨削技术论文

1、东 北 大 学研 究 生 考 试 试 卷评分考试科目： 先进切削加工技术 课程编号： 阅 卷 人： 考试日期： 2012.12 姓 名： 赵娜 学 号： 1200525 注 意 事 项1考 前 研 究 生 将 上 述 项 目 填 写 清 楚2字 迹 要 清 楚，保 持 卷 面 清 洁3交 卷 时 请 将 本 试 卷 和 题 签 一 起 上 交东北大学研究生超声加工技术的研究超声磨削加工技术摘要本文结合近年来超声加工技术的发展状况，并着重对超声磨削加工技术的发展现状加以阐述，并对超声磨削加工技术在难加工材料（陶瓷）的应用进行了详细的分析，在文章最后指出了超声加工技术的发展前景。关键词：超声；磨削

2、；难加工；陶瓷；The research on the Ultrasonic processing technologyUltrasonic grinding processing technologyAbstractThis paper combined ultrasonic machining technology in recent years, and focused on the ultrasonic grinding processing technology development under present condition.And then the explanation

3、on the ultrasonic grinding technology in difficult-to-machine materials (ceramic) application are analyzed in detail. At the end, the paper pointed out that the ultrasonic machining technology development prospects.Key words: ultrasonic ; grinding; difficult-to-machine materials; ceramic.引言随着科学技术的进步

4、，金属间化合物、工程陶瓷、石英、光学玻璃等硬脆材料以及各种增韧、增强的新型复合材料因其高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、耐腐蚀等优点在航空航天、国防科技、生物工程、计算机工程等尖端领域中的应用日益广泛；但由于这些材料的脆硬特性，传统加工方法已不能满足对这些材料零件的精密加工要求，因此有关其精密超精密磨削加工技术便成为世界各国研究的热点。超声振动精密磨削技术便是顺应这一需要而发展起来的技术之一。超声加工不仅能加工脆硬金属材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体等不导电的非金属脆硬材料1，尤其是在难加工材料的领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。超声加工技术的经历了从传统超声波加工

5、到旋转超声波加工的发展阶段，旋转式超声加工是在传统超声加工的工具上叠加了一个旋转运动。这种加工用水带走被去除的材料并冷却工具，不需要传统超声加工中的磨料悬浮液，因此，这种方法被广泛的运用于超声振动磨削加工中。1.超声振动磨削加工技术的基本理论“超声波”用来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz以上的所有频率。超声波的上限频率范围主要是取决于发生器，实际用的最高频率的界限，是在5000MHz的范围之内。在不同介质中波长范围非常广阔，例如在固介质中传播频率为25kHz的波长约为200mm；而频率为500MHz的波长约为0.008mm。超声波发生器将工频交流电能转变为一

6、定功率输出的超声频电振荡，换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具振产生超声波振动，迫使磨料悬浮液高速的不断撞击、抛磨被加工表面使工件成型。因此超声加工是利用超声振动的工具，带动工件和工具间的磨料悬浮液，冲击和抛磨工件的被加工部位，使其局部材料被蚀除而成粉末，以进行穿孔、切割和研磨等，以及利用超声波振动使工件相互结合的加工方法（见图1）。超声振动磨削技术的基本原理为：由超声波发生器产生的高频电振荡信号（一般为1625KHz）经超声换能器转换成超声频机械振动，超声振动振幅由变幅杆放大后驱动工具砂轮产生相应频率的振动，使刀具与工件之间形成周期性的切削

7、。即工具砂轮在旋转磨削的同时做高频振动。图1超声加工原理图超声振动磨削技术是由超声波发生器产生的高频电振荡信号（一般为1625KHz）经超声换能器转换成超声频机械振动，超声振动振幅由变幅杆放大后驱动工具砂轮产生相应频率的振动，使刀具与工件之间形成周期性的切削。即工具砂轮在旋转磨削的同时做高频振动。2.超声振动磨削加工技术的研究现状2.1超声振动磨削技术的发展表1超声振动磨削技术的进展时间人物或国家技术进展1927 年R.W.Wood 和 A.L.Loomis首次提出“超声加工”概念1945 年L.Balamuth申请超声加工的专利20 世纪5060 年代日本学者隈部淳一郎提出振动切削理论并成功

8、实现振动磨削加工1960 年英国 Hawell原子能研究中心发表了许多对振动切削进行系统研究的论文1986 年日本学者石川健一首次提出了“椭圆振动切削方法”20 世纪 90 年代初日本神户大学社本英二等人解决了金刚石不能加工黑色金属的难题，使这项技术达到了实用化阶段20世纪50年代中国对超声振动磨削机理进行了探索研究1976年我国再次开展超声加工的试验研究和理论探索1983年机械工艺师杂志社召开了中国首次“振动与切削专题讨论会”1985 年机械电子工业部第 11 研究所研制成功超声旋转加工机1987年北京市电加工研究所成功研发超硬材料超声电火花复合抛光技术80年代后期天津大学李天基等提出了高效

9、的超声磨削复合加工方法90年代后成为科研机构和大学院校的研究热点2.2超声振动磨削技术在国内外的研究现状2.2.1国外研究现状1993年，美国堪萨斯州立大学D.Prabhakar等人提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率的理论模型，并试验证明了与普通磨削相同的条件下旋转超声加工工具具有低的切削力和相对高的材料去除率。1996年东京大学的增泽隆久等人用超声激振方式在结构陶瓷材料上加工出了直径为5µm的微孔。1998年德国工业大学E.Uhlman、G.Spur等人在48届CIPR年会上提出在加工表面的法向施加超声振动，材料的去除率大大提高，并试验证明了在提高材料去除率的同时，并不会对表层造

10、成损伤。1999年，德国Kaiserslautern大学的GWarnecke指出，在磨削新型陶瓷和硬金属等硬脆材料时，磨削过程及结果与材料去除机理紧密相关。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

11、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。日本的吴勇波等人建立了超声振动辅助磨削的实验装置并研究了磨削不锈钢内孔时超声振动对表面粗糙度和切削力的影响，研究发现，当施加 19.2KHz 超声振动后，表面粗糙度可以减少 20；法向力减少 65，切向力减少 70。2.2.2国内研究现状国内众多知名院校均对超声振动加工方面进行了研究，超声振动磨削机理的研究在这一时期取得了一系列的理论成果。哈尔滨工业大学的吴永孝、张广玉等人研制的超声波振动小孔内圆磨削系统在小孔磨削提高磨削效率和加工精度等方面取得了一定的成效，但其使用的磁致伸缩换

12、能器发热大，需要加装制冷装置致使其结构复杂，且超声电能的供应采用的是碳刷集流环的传统供电方式。河北工学院的李健中等人对超声振动磨削的材料去除机理、表面创成机理、表面粗糙度等进行了一系列的研究。利用自行研制的超声振动磨削装置使砂轮磨削的同时作轴向超声振动，通过试验得知，由于高频振动，砂轮不易堵塞，保持磨粒锋利性，提高了磨削效率；磨削表面形成网状结构，加工表面质量较好。1998 年前后兵器工业第五二研究所杨继先、张永宏等人通过对外圆磨床的改造进行了超声振动内圆磨削试验研究，验证了超声振动内圆磨削可明显地提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削产生的表面裂纹和崩坑的效果，提高磨削圆度。1999年上海交

13、通大学赵波等利用自行研制的超声振动珩磨机床对工程陶瓷发动机缸套类零件进行了超声振动磨削试验研究加工表面微裂纹大幅度减少，加工效率和加工表面质量均得纠很大提高，加工工具耐用度比普通磨削提高至少3倍 2。2000 年前后，天津大学于思远、刘殿通、李天基等人对各种先进陶瓷小孔加工进行了系统研究，采用无冷压电陶瓷换能器制开发了一台陶瓷小孔超声波磨削加工机床，在工程陶瓷小孔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，表面质量也有大幅度提高。南京航空航天大学对硬脆金属材料的超声电解复合加工工艺进行了实验研究3。结果表明，该复合加工方法使加工速度、精度及表面

14、质量较单一加工工艺有显著改善东北大学庞楠研究了新型陶瓷材料的超声波复合磨削加工中砂轮堵塞及自锐性分析，砂轮修整方法及最佳砂轮修整程度的分析，提出超声振动磨削的最佳工艺参数4。上海交通大学吴雁在陶瓷材料的超声加工方面进行了深入研究，研究了二维超声振动磨削陶瓷材料的脆-塑性转变机理、塑性去除机理、高效去除机理等相关的超声磨削机理，提出了微-纳米复合陶瓷二维超声振动表面变质层结构模型以及精密磨削复合陶瓷材料是塑性变形为主的去除方式,并且还进行了纳米复相陶瓷超声振动表面微观特性的研究，提出了在特定的磨削条件下，陶瓷材料纳米增韧改性和二维超声振动磨削技术相结合，可实现以非弹性变形为主要去除机理的超精密磨

15、削表面5。河南理工大学闫艳燕等进行了陶瓷材料的超声磨削机理和试验研究，分析了陶瓷材料二维超声振动研磨、磨削的去除机理和磨削表面创成机理以及硬脆材料的表面形成和破碎状况，并建立了相关的数学模型，得出了陶瓷材料脆塑性转化的临界公式，以及超声磨削提高陶瓷材料表面质量的相关结论6。山东大学张洪丽、张建华等研究了工件沿砂轮轴向、径向、切向三种超声振动条件下的磨削特性，分析了三种情况下的运动学、磨削力、材料去除机理及表面加工质量，建立了三种加工方式下的表面粗糙度的计算模型，并进行了实验研究7。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P

16、CD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8。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。3.超声磨削加工技术的实例分析金属和非金属硬脆性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，其形成加工十分困难，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，以下以超声加工技术在陶瓷加工的应用来详细阐述。3.1难加工材料概述随着航空航天工业、核工业、兵器工业、化学工业、电子工业以及

17、现代化机械工业的发展，对产品零部件材料的性能有着各种各样的高水平要求。有的在高温、高应力状态下工作，有的要耐腐蚀、耐磨损，有的要能绝缘，有的则需有高导电率。现代的新工程材料形形色色，多种多样，不断涌现，犹如雨后春笋。不仅使用一般的碳素结构钢，而且使用了高强度钢、超高强度合金结构钢、高猛钢和不锈钢；不仅使用一般的灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁，而且使用了合金耐磨铸铁和冷硬铸铁；不仅使用黑色金属，而且使用了钛合金、铜合金、铝合金及其它有色金属；不仅使用一般的铁碳合金，而且使用了多元合金如高温合金等；不仅使用以珠光体、铁素体为主的普通钢材，而且使用了以索氏体、托氏体为主的中硬钢和马氏体淬硬钢；不仅使用冶

18、炼方法制成的金属材料，而且使用了粉末冶金和热喷涂等方法制成的金属零件；不仅大量使用金属材料，而且大量使用了各种非金属材料，如石材、陶瓷、工程塑料、纤维和颗粒增强的复合材料等。在上述各种新工程材料中，有不少是属于难切削的，即所谓“难加工材料”，主要是指“切削加工性差”的材料，不一定简单地从力学性能上来区分。例如难加工材料，有硬度高的，也有硬度低的。其难加工的原因一般是以下几个方面：高硬度；高强度；高塑性和高韧性；低塑性和高脆性；低导热性；有微观的硬质点或硬夹杂物；化学性质活泼。新工程材料的这些特性一般都能使切削过程中的切削力加大，切削温度升高，刀具耐用度下降；有时还将使已加工表面质量恶化，切屑难

19、以控制；最终则使加工效率和加工质量降低。3.2超声旋转加工在陶瓷加工中的应用3.2.1超声旋转加工的基本原理超声旋转加工方法按其加工工艺特征,大致可分为两类:一类是采用磨料(包括散粒磨料和固着磨料) 的超声旋转磨料加工;另一类主要是采用切削工具(如车刀) 、冲头、压头之类工具,或利用超声高频振动特性,与其他机械加工方法相结合的超声旋转加工,也可称为超声复合加工。本文所介绍的主要是指第一类带磨料的超声旋转加工。下面以金刚石空心钻工具为例,说明超声旋转加工的基本原理,下为其加工示意图(如图2)。图2 超声旋转加工示意图此工艺中,金刚石空心钻作旋转运动(转速范围05300r/ min) ,同时在超声

20、换能器作用下作高频( =20kHz) 振动。工件以恒定的压力(而不是以一定的速度) 向工具作进给运动,冷却液从钻芯由泵抽入,流过加工区,冲走碎屑并冷却工具。3.2.2材料的去除机理从图2的加工示意图可看出,超声旋转加工实质上是将超声振动工具的锤击运动和工具旋转运动的磨削作用结合在一起。材料的去除机理是传统超声加工和金刚石磨削材料去除机理的复合,包括锤击，即在超声振动冲击下产生压痕和碎裂、磨蚀(切削工具的旋转运动可以模型化为磨削过程)和抛磨(或撕扯)作用(由超声振动和工具旋转运动的同时作用产生的)。示意过程（如图35）所示。图3锤击 图4磨损图5 超声旋转加工中材料去除机理三种材料去除机理的组合

21、,导致了超声旋转加工中材料去除率要高于超声加工和传统金刚石磨削,通过抽出工具超声振动和旋转运动的产物,可进一步提高材料的去除率。在此加工方式中,工件表面层在高频超声振动下产生疲劳,从而容易被磨削运动去除,且加工压力较小,加工陶瓷比较理想。最近,国外又出现了超声旋转面铣削技术9 ,10 ，由于RUM 钻深小孔时,其加工面及碎片很难观察,为了克服这个困难,采用面铣削方法加工陶瓷,用扫描电镜观察加工面和碎片。研究表明,陶瓷加工中,材料的去除机理包括塑性去除及脆性去除。在一些加工条件下,塑性去除占主要地位,在另一些加工条件下,脆性去除占主要地位;通过调整不同的加工参数,可以调整塑性去除及脆性去除的比例

22、。由于超声旋转加工只能加工原形孔和型腔,因此配以适当的数控系统,借鉴数控铣削的方法,国外许多学者正在开展三维轮廓微细旋转超声加工的研究。随着陶瓷材料在工业中应用日益广泛，迫切要求人们尽快解决陶瓷材料的加工问题，超声旋转加工是加工硬脆材料的一种有效的加工方法，可以很好地提高加工效率，减少工具磨损，提高加工质量，将是陶瓷加工发展的新方向 11。4. 超声加工技术的前景分析随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动磨削技术的应用日益广泛，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围越来越大，对机械零件加工质量的要

23、求越来越高。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，人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与研究上，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。(2) 高效稳定超声振动系统研究现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高，因此，期待实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0.010.06 mm。 (3) 超声椭圆振动切削的研究与推广 

24、0;   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大学以及国内的北京航空航天大学和上海交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和Towa公司等已开始这方面的实用化研究。但是，超声波椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部位和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步研究。 (4） 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

25、业的一个重要研究课题。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，既不依赖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三维形状，这决定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。随着东京大学生产技术研究所增泽研究室对微细工具的成功制作及微细工具装夹、工具回转精度等问题的合理解决，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5m的微孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能。超声加工技术在不断完善之中，正向着高精度、微细化发展，微细超声加

26、工技术有望成为微电子机械系统(MEMS)技术的有力补充。 超声加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。展望未来，超声加工技术的发展前景是美好的。综观国内外旋转超声加工技术的研究现状国外部分国家相继开发了性能优良的数控旋转超声加工机床其应用也日趋工业化。但即使是市场化的性能优良的旋转超声加工机床满额超声功率都在以下长时间工作下只推荐使用几十甚至是十几的超声功率。这相比大功率的非旋转超声加工机床来说旋转超声加工机床超声功率有待于进一步的提升研究重点集中在如何实现超声加工机床的高旋转和超声能量的有效传递与耦合。国内的旋转超声加工技术的发展较为缓慢与先进国家相比存在较大的差距特别是先进超声

27、加工机床的研制十分落后至今还找不到市场化的数控旋转超声加工机床。但关于超声加工机床中超声电源的智能化、频率跟踪功能的实现以及功率的自动调节等方面以及超声振动系统中大功率超声换能器、多频率工作点的换能器以及纵扭和纵弯等复合换能器等功能模块的研究取得了较大的发展。如何转化这些研究成果推动旋转超声加工机床的研制完善机床性能仍需努力 12。在旋转超声加工中如何实现工具与超声振动系统之间的有效连接平稳传递超声能量也是伴随超声加工机床研究的热点问题。在工具的设计与制造方面与传统超硬磨料工具在磨削和抛光加工中所引起的广泛注意相比目前关注得还比较少。而工具作为材料去除的关键因素其工作端面的几何参数、超硬磨料的

28、种类和粒度、浓度、制作的工艺等方面都关系到工具自身的寿命以及加工表面质量的优劣。特别是钎焊工具以其高磨粒出露高度、大的容屑空间和磨粒、工具基体材料与钎焊剂三者间强的化学冶金结合强度在磨削加工中的优势得到普遍认同13。作者通过具体的实验研究也发现钎焊工具完全胜任大功率的超声频冲击加工磨料在磨损形式上较少出现脱落、破碎如何利用这些优势发挥超声加工以及钎焊工具的优异性能促进脆硬性材料的高效加工值得研究。另外_ 目前还没有相关的研究工作_ 将加工过程中力和扭矩的大小与加工过程中能量分配等联系起来。超声加工区域的温度较低_ 如何准确测温以及加工区域温度场的理论研究和分析都值得深入研究。这些问题的解决_ 将更好地解释旋转超声加工在切削力和切削热上要明显优越