超声振动辅助磨削技术研究进展

1、 超声振动辅助磨削技术研究进展超声振动辅助磨削技术研究进展汇报人：张玉周汇报人：张玉周导导 师：徐西鹏师：徐西鹏 教授教授内容内容前言前言1研究现状研究现状23发展趋势发展趋势4发展回顾发展回顾前言前言 不足不足 概念概念 优势优势前言前言p航空、电子、光学及通信工业的新技术迅猛发展，航空、电子、光学及通信工业的新技术迅猛发展，对硬脆性材料、难加工材料和新型先进材料的需求对硬脆性材料、难加工材料和新型先进材料的需求日益增多，对关键零件的加工效率、加工质量和加日益增多，对关键零件的加工效率、加工质量和加工精度提出了更高的要求。工精度提出了更高的要求。前言前言p传统传统加工方法是超精密磨削加工方法

2、是超精密磨削和单点金刚石切削；和单点金刚石切削；p产生较大的磨削力以及磨削热，引起工件表面产生较大的磨削力以及磨削热，引起工件表面、亚表面损伤以及砂轮寿命低亚表面损伤以及砂轮寿命低；p严重制约着零件加工精度及加工效严重制约着零件加工精度及加工效率。率。前言前言pUVAG是一种间歇式的加工方法；是一种间歇式的加工方法；p小幅的振动以超声频率附加在工具或工件上，使小幅的振动以超声频率附加在工具或工件上，使得加工工具的运动学发生改变；得加工工具的运动学发生改变；p结合了金刚石磨削加工材料去除机理和超声加工结合了金刚石磨削加工材料去除机理和超声加工特点的复合磨削加工技术。特点的复合磨削加工技术。前言前

3、言可产生加工力减小和切屑减薄的效果可产生加工力减小和切屑减薄的效果改善工件表面精度和形状精度改善工件表面精度和形状精度前言前言UVAM提高脆性与研性域发生转变的临界切提高脆性与研性域发生转变的临界切削深度，实现脆性材料的延性域加削深度，实现脆性材料的延性域加工，使复杂光学元件表面超精密加工工，使复杂光学元件表面超精密加工可以不须采用磨削和抛光的方法完成可以不须采用磨削和抛光的方法完成加工。加工。提高材料去除率，延长工具的寿命提高材料去除率，延长工具的寿命p首先是应用在材料的切削加工首先是应用在材料的切削加工p1927年年，R.W.Wood和和A.L.Loomis发表了有发表了有关超声波加工的论

4、文关超声波加工的论文，超声加工首次提出超声加工首次提出。p1945年年，L.Balamuth申请了关于超声加工的申请了关于超声加工的专利。专利。超声振动磨削技术发展回顾超声振动磨削技术发展回顾发展回顾发展回顾p20世纪世纪5060年代日本学者隈部淳一郎对振年代日本学者隈部淳一郎对振动切削进行系统研究动切削进行系统研究，提出了振动切削理论提出了振动切削理论，并成功实现了振动磨削加工并成功实现了振动磨削加工 。p20世纪世纪60年代年代，英国英国Hawell原子能研究中心原子能研究中心的科学家发明了新的超声磨削复合加工方法的科学家发明了新的超声磨削复合加工方法。超声振动磨削加工在难加工材料和高精度

5、零件超声振动磨削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的加工方面显示了很大的优越性。超声振动磨削技术发展回顾超声振动磨削技术发展回顾发展回顾发展回顾p1986年日本学者石川健一受超声电机椭圆振年日本学者石川健一受超声电机椭圆振动特性启发动特性启发，首次提出了首次提出了“椭圆振动切削方椭圆振动切削方法法”（elliptical vibration cutting）。）。超声振动磨削技术发展回顾超声振动磨削技术发展回顾发展回顾发展回顾p20世纪世纪90年代初年代初，日本神户大学社本英二等日本神户大学社本英二等人对超声椭圆振动切削技术进行了深入研究人对超声椭圆振动切削技术进行了深入

6、研究，利用金刚石刀具采用双激励双弯曲合成椭圆振利用金刚石刀具采用双激励双弯曲合成椭圆振动的方式对黑色金属动的方式对黑色金属、淬火不锈钢进行精密车淬火不锈钢进行精密车削削，最小表面粗糙度可以达到最小表面粗糙度可以达到Ra0.0106um，不不但解决了金刚石不能加工黑色金属的难题，而但解决了金刚石不能加工黑色金属的难题，而且使这项技术达到了实用化阶段且使这项技术达到了实用化阶段。超声振动磨削技术发展回顾超声振动磨削技术发展回顾发展回顾发展回顾p20世纪世纪50年代年代，我国我国开始开始进行了振动加工的进行了振动加工的初步应用研究工作，对超声振动磨削机理进行初步应用研究工作，对超声振动磨削机理进行了

7、探索研究。了探索研究。p1985年前后机械电子工业部第年前后机械电子工业部第11研究所研制研究所研制成功超声旋转加工机成功超声旋转加工机，在玻璃在玻璃、陶瓷等硬脆材陶瓷等硬脆材料的内外圆磨削加工中取得了优异的工艺效料的内外圆磨削加工中取得了优异的工艺效果果。超声振动磨削技术发展回顾超声振动磨削技术发展回顾发展回顾发展回顾p1987年北京市电加工研究所研究成功了超硬年北京市电加工研究所研究成功了超硬材料超声电火花复合抛光技术材料超声电火花复合抛光技术。这项技术是世这项技术是世界上首次提出并实现采用超声频调制电火花与界上首次提出并实现采用超声频调制电火花与超声波复合的研磨超声波复合的研磨、抛光加工

8、技术抛光加工技术。与纯超声与纯超声波研磨波研磨、抛光相比抛光相比，效率提高效率提高5倍以上倍以上，并节约并节约了大量的金刚石磨料。了大量的金刚石磨料。超声振动磨削技术发展回顾超声振动磨削技术发展回顾发展回顾发展回顾p20世纪世纪80年代后期年代后期，天津大学李天基等人在天津大学李天基等人在高速磨削的同时对磨头施以超声振动高速磨削的同时对磨头施以超声振动，提出了提出了高效的超声磨削复合加工方法高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的效率比传统的超声加工提高了超声加工提高了6倍以上倍以上，表面质量也有了大幅表面质量也有了大幅提高提高。p20世纪世纪90年代后年代后，超声振动超声振动辅助加工成辅助加

9、工成为了为了研究热点研究热点。超声振动磨削技术发展回顾超声振动磨削技术发展回顾发展回顾发展回顾发展回顾发展回顾p目前目前的研究集中在参数的研究集中在参数( (砂轮转速、振动幅度砂轮转速、振动幅度与频率、金刚石类型、磨粒尺寸、结合剂类型与频率、金刚石类型、磨粒尺寸、结合剂类型、冷却液和压力等、冷却液和压力等) )对加工性能对加工性能( (MRR、切削力和、切削力和表面粗糙度表面粗糙度) )的影响。的影响。超声振动磨削技术发展回顾超声振动磨削技术发展回顾研究现状研究现状 内容内容技术类型技术类型一维径向一维径向一维切向一维切向二维二维一维轴向一维轴向研究现状研究现状技术类型技术类型研究现状研究现状

10、轴向超声振动被应用到工件或者砂轮上，能够同轴向超声振动被应用到工件或者砂轮上，能够同时减小平行与垂直方向的粗糙度，从而有效提高时减小平行与垂直方向的粗糙度，从而有效提高表面质量。表面质量。一维轴向超声振动磨削技术一维轴向超声振动磨削技术Wang等证实工作台进给速度与砂轮转速对垂直等证实工作台进给速度与砂轮转速对垂直于磨削方向的粗糙度影响较小于磨削方向的粗糙度影响较小，并且表面粗糙度并且表面粗糙度主要由垂直方向粗糙度决定主要由垂直方向粗糙度决定，通过改变加工参数通过改变加工参数方法很难显著降低表面粗糙度方法很难显著降低表面粗糙度。研究现状研究现状一维轴向超声振动磨削技术一维轴向超声振动磨削技术D

11、enkena研究发现在轴向振动磨削过程中研究发现在轴向振动磨削过程中，砂轮砂轮轴向分布的不同磨粒对工件起重复研磨作用轴向分布的不同磨粒对工件起重复研磨作用，从从而能获得高质量加工表面而能获得高质量加工表面。还指出使用普通粒径还指出使用普通粒径大小的砂轮大小的砂轮磨粒磨粒进行超声波磨削时，超声波辅助进行超声波磨削时，超声波辅助作用对表面质量不会有积极影响。作用对表面质量不会有积极影响。研究现状研究现状Tawakoli开发了一种干式轴向超声振动磨削开发了一种干式轴向超声振动磨削42CrMo4技术技术，试验证实表面粗糙度提高试验证实表面粗糙度提高，法向法向磨削力和热损伤显著降低磨削力和热损伤显著降低

12、。一维轴向超声振动磨削技术一维轴向超声振动磨削技术研究现状研究现状机理：机理：超声振动促使磨粒产生断续切削作用，而超声振动促使磨粒产生断续切削作用，而冲击载荷促使工件材料更容易卷积，在切削区生冲击载荷促使工件材料更容易卷积，在切削区生成较多的微观裂纹扩展，促使磨削力以及摩擦系成较多的微观裂纹扩展，促使磨削力以及摩擦系数减小数减小. .一维轴向超声振动磨削技术一维轴向超声振动磨削技术机理：机理：材料的塑性变形主要发生在材料的塑性变形主要发生在滑滑擦和犁削作擦和犁削作用阶段用阶段，由于垂直于切削方向的超声振动促使由于垂直于切削方向的超声振动促使滑滑擦和犁削比例相对减小擦和犁削比例相对减小，从而比磨

13、削能减小从而比磨削能减小，表表面热损伤也显著降低面热损伤也显著降低。研究现状研究现状径向超声振动磨削在提高加工效率以及改善砂轮径向超声振动磨削在提高加工效率以及改善砂轮使用性能等方面具有显著优势。使用性能等方面具有显著优势。一维径向超声振动磨削技术一维径向超声振动磨削技术Mult等对烧结氮化硅以及氧化铝陶瓷进行径向超等对烧结氮化硅以及氧化铝陶瓷进行径向超声磨削试验，发现磨削力大幅度减小以及材料去声磨削试验，发现磨削力大幅度减小以及材料去除率显著增加，同时伴随着粗糙度的轻除率显著增加，同时伴随着粗糙度的轻微微增加以增加以及砂轮磨损加剧及砂轮磨损加剧。研究现状研究现状法向磨削力减小的主要原因归结为

14、超声振动的工法向磨削力减小的主要原因归结为超声振动的工件与磨粒切削刃发生断续接触件与磨粒切削刃发生断续接触，减少了实际接触减少了实际接触时间时间，有效降低了摩擦系数有效降低了摩擦系数。一维径向超声振动磨削技术一维径向超声振动磨削技术砂轮磨损的增加是由于较低的摩擦力以及热载荷砂轮磨损的增加是由于较低的摩擦力以及热载荷作用作用，磨粒整体脱落数量减少而单颗磨粒的微观磨粒整体脱落数量减少而单颗磨粒的微观脆性断裂增加脆性断裂增加。研究现状研究现状粗糙度的轻微增加可能是由于同时发生切削作用粗糙度的轻微增加可能是由于同时发生切削作用的有效磨粒切削刃数量增加以及工件表面塑性变的有效磨粒切削刃数量增加以及工件表

15、面塑性变形减小所致形减小所致。一维径向超声振动磨削技术一维径向超声振动磨削技术在磨粒一次切削周期内在磨粒一次切削周期内，磨粒切削刃比普通磨削磨粒切削刃比普通磨削更早的切入以及更晚地脱离工件表面，这增长了更早的切入以及更晚地脱离工件表面，这增长了脉冲作用周期脉冲作用周期，增加了接触压力，由此产生了更增加了接触压力，由此产生了更多材料微观断裂多材料微观断裂，促使材料去除率增加促使材料去除率增加。研究现状研究现状Uhlmann通过单颗磨粒划擦试验通过单颗磨粒划擦试验，分析了先进陶分析了先进陶瓷径向振动磨削的表面形成机制瓷径向振动磨削的表面形成机制。试验表明。试验表明超声超声辅助改变了磨粒加工运动轨迹

16、，导致磨粒与工件辅助改变了磨粒加工运动轨迹，导致磨粒与工件的断续接触的断续接触，得到断续切削沟槽得到断续切削沟槽。一维径向超声振动磨削技术一维径向超声振动磨削技术研究现状研究现状Qu指出径向振动磨削的最大未变形切屑厚度远指出径向振动磨削的最大未变形切屑厚度远大于普通磨削的切屑厚度大于普通磨削的切屑厚度，从而比磨削能会大幅从而比磨削能会大幅度降低度降低。Qu等还证实当磨削速度与振动频率的等还证实当磨削速度与振动频率的比值较小时比值较小时，超声振动对表面裂纹扩展的阻碍作超声振动对表面裂纹扩展的阻碍作用显著用显著。一维径向超声振动磨削技术一维径向超声振动磨削技术研究现状研究现状局限性局限性：一般仅适

17、合在较大的振动振幅以及较小一般仅适合在较大的振动振幅以及较小的砂轮速度的条件下应用的砂轮速度的条件下应用。原因原因：材料的去除是利用切削刃与工件材料的周材料的去除是利用切削刃与工件材料的周期分离作用期分离作用，而在较高的砂轮速度下而在较高的砂轮速度下，工件振动工件振动的最大速度小于砂轮线速度则不会发生切削刃与的最大速度小于砂轮线速度则不会发生切削刃与工件的分离工件的分离，此时超声振动对加工作用的影响将此时超声振动对加工作用的影响将不显著不显著。一维切向超声振动磨削技术一维切向超声振动磨削技术研究现状研究现状田中行雄等研究了砂轮切田中行雄等研究了砂轮切向向超声振动对不锈钢工超声振动对不锈钢工件材

18、料去除率件材料去除率及表面形貌及表面形貌的影响，的影响，结果表明：结果表明：材材料去除率的增加不显著料去除率的增加不显著；由于；由于砂轮旋转一周时单砂轮旋转一周时单颗磨粒对工件上同一点的重复切削次数增加，导颗磨粒对工件上同一点的重复切削次数增加，导致表面粗糙度的增加。致表面粗糙度的增加。一维切向超声振动磨削技术一维切向超声振动磨削技术研究现状研究现状张洪丽从几何运动学角度建立了单颗磨粒的切削张洪丽从几何运动学角度建立了单颗磨粒的切削模型模型，证实切向超声振动辅助磨削可以得到更短证实切向超声振动辅助磨削可以得到更短 的切屑的切屑，更长的切削路径更长的切削路径。一维切向超声振动磨削技术一维切向超声

19、振动磨削技术研究现状研究现状任升峰等对任升峰等对Nd-Fe-B永磁材料进行研究永磁材料进行研究，结果，结果表表明切向超声振动磨削使法向磨削力有所降低明切向超声振动磨削使法向磨削力有所降低，表表面质量较高面质量较高，但会使切向磨削力急剧升高但会使切向磨削力急剧升高，导致导致磨削力比达到了磨削加工塑性金属材料的程度磨削力比达到了磨削加工塑性金属材料的程度。一维切向超声振动磨削技术一维切向超声振动磨削技术研究现状研究现状一维轴向超声振动磨削一维轴向超声振动磨削优点优点在于加工表在于加工表面质量的显著提高面质量的显著提高；一维径向超声辅助一维径向超声辅助磨削磨削优优点在于加工效率的大幅度提高点在于加工

20、效率的大幅度提高；一维一维切切向超声辅助磨削向超声辅助磨削在应用上有局限在应用上有局限性。性。一维超声振动磨削技术一维超声振动磨削技术研究现状研究现状铃木清等开发了一种超声波椭圆振动磨削技术铃木清等开发了一种超声波椭圆振动磨削技术，将金刚石磨粒电镀在椭圆振动超声波马达的定子将金刚石磨粒电镀在椭圆振动超声波马达的定子表面制成椭圆振动砂轮表面制成椭圆振动砂轮，磨削加工时砂轮作旋转磨削加工时砂轮作旋转运动以及垂直进给运动运动以及垂直进给运动，工件在工作台水平面作工件在工作台水平面作平移运动平移运动，此加工方法在本质上是砂轮切向振动此加工方法在本质上是砂轮切向振动 与径向振动复合的磨削方法与径向振动复

21、合的磨削方法。二维超声振动磨削技术二维超声振动磨削技术研究现状研究现状利用此技术利用此技术对单晶硅材料进行磨削试验对单晶硅材料进行磨削试验，研究结研究结果表明果表明：椭圆振动磨削的磨削力大幅度降低椭圆振动磨削的磨削力大幅度降低；材材料去除率显著增加料去除率显著增加，并且随着砂轮转速的降低而并且随着砂轮转速的降低而增加增加；与普通磨削相比与普通磨削相比，粗糙度没有明显改变粗糙度没有明显改变，加工表面龟裂较少加工表面龟裂较少，形成比较均一的微观断裂表形成比较均一的微观断裂表面面。二维超声振动磨削技术二维超声振动磨削技术研究现状研究现状赵波等开发了能显著提高加工表面质量的二维超赵波等开发了能显著提高

22、加工表面质量的二维超声振动辅助磨削技术。该技术利用声振动辅助磨削技术。该技术利用2个互相垂直个互相垂直放置的压电陶瓷换能器，对工件同时施加砂轮切放置的压电陶瓷换能器，对工件同时施加砂轮切向及轴向的超声振动向及轴向的超声振动，磨粒相对于工件的运动轨磨粒相对于工件的运动轨迹为椭圆回转形状迹为椭圆回转形状。二维超声振动磨削技术二维超声振动磨削技术研究现状研究现状对纳米氧化锆陶瓷的磨削试验结果证对纳米氧化锆陶瓷的磨削试验结果证实实超声振动超声振动磨削的表面质量明显提高磨削的表面质量明显提高，粗糙度可减小粗糙度可减小30%40%，磨削力减小磨削力减小20%30%，砂轮的使用寿命砂轮的使用寿命提高提高，材

23、料去除率提高材料去除率提高并且能够并且能够增加延性域切削增加延性域切削深度深度，实现实现陶瓷材料的精密加工陶瓷材料的精密加工。 二维超声振动磨削技术二维超声振动磨削技术研究现状研究现状上述上述二维振动磨削技术充分利用了一维振动磨削二维振动磨削技术充分利用了一维振动磨削的特点的特点，具有优越的综合加工性能具有优越的综合加工性能，但也，但也存在一存在一定的应用局限和使用要求定的应用局限和使用要求。平行于砂轮端面的二平行于砂轮端面的二维振动磨削维振动磨削，材料加工效率显著提高但表面粗糙材料加工效率显著提高但表面粗糙度没有明显变化度没有明显变化，加工过程中使用磨削速度较加工过程中使用磨削速度较低低，这

24、在一定程度上限制了该技术的广泛应用这在一定程度上限制了该技术的广泛应用。二维超声振动磨削技术二维超声振动磨削技术研究现状研究现状平行于工件平面的二维超声辅助磨削技术平行于工件平面的二维超声辅助磨削技术，在加在加工效率以及加工质量等诸多方面表现了优异的性工效率以及加工质量等诸多方面表现了优异的性能能，但是该技术要求满足一定的条件才能充分发但是该技术要求满足一定的条件才能充分发挥超声波振动磨削的优点挥超声波振动磨削的优点，即需综合调整加工参即需综合调整加工参数使磨粒一个振动周期所用的时间小于磨粒切入数使磨粒一个振动周期所用的时间小于磨粒切入切出工件所用的时间切出工件所用的时间，从而保证磨粒在磨削过

25、程从而保证磨粒在磨削过程中与工件材料发生分离中与工件材料发生分离。二维超声振动磨削技术二维超声振动磨削技术研究现状研究现状为进一步发挥超声振动磨削技术的优势为进一步发挥超声振动磨削技术的优势，梁志强，梁志强等等开发了一种垂直型椭圆振动磨削技术开发了一种垂直型椭圆振动磨削技术，即砂轮即砂轮径向与砂轮轴向超声振动复合磨削加工技术径向与砂轮轴向超声振动复合磨削加工技术。其其显著特点为磨削过程中单颗磨粒相对工件的加工显著特点为磨削过程中单颗磨粒相对工件的加工运动轨迹为空间螺旋线。运动轨迹为空间螺旋线。二维超声振动磨削技术二维超声振动磨削技术研究现状研究现状径向径向振动振动使磨粒的切削深度呈周期性改变使

26、磨粒的切削深度呈周期性改变，磨粒磨粒的最大磨削深度增加的最大磨削深度增加，并且伴随发生磨粒与工件并且伴随发生磨粒与工件的周期分离现象的周期分离现象，磨削刃作用时间变短磨削刃作用时间变短，摩擦系摩擦系数大幅度降低数大幅度降低，从而促使磨削力大幅度减小，材从而促使磨削力大幅度减小，材料去除率显著增大料去除率显著增大。二维超声振动磨削技术二维超声振动磨削技术研究现状研究现状轴向振动轴向振动使使不同磨削刃的切削轨迹互相干涉而产不同磨削刃的切削轨迹互相干涉而产生重复研磨作用生重复研磨作用，使磨削沟槽的尺寸变宽变浅使磨削沟槽的尺寸变宽变浅，同时由于磨粒巨大的加速度冲击作用同时由于磨粒巨大的加速度冲击作用，

27、减少了材减少了材料的加工塑性变形料的加工塑性变形，比磨削能降低比磨削能降低，表面热损伤表面热损伤以及变质层厚度减小以及变质层厚度减小，从而能够显著提高表面质从而能够显著提高表面质量量。二维超声振动磨削技术二维超声振动磨削技术研究现状研究现状分别用单晶硅以及蓝宝石晶体作为加工工件分别用单晶硅以及蓝宝石晶体作为加工工件，进行磨削试验进行磨削试验，结果证实磨削力降低可达结果证实磨削力降低可达30%，表面粗糙度降低达到表面粗糙度降低达到20%，并且加工表并且加工表面较为光滑面较为光滑，表面光洁度显著提高。这表明椭表面光洁度显著提高。这表明椭圆振动磨削技术在提高加工效率和表面质量方圆振动磨削技术在提高加

28、工效率和表面质量方面具有面具有更好更好的综合加工性能。的综合加工性能。二维超声振动磨削技术二维超声振动磨削技术发展趋势发展趋势p超声振动辅助磨削技术是一个新的研究领超声振动辅助磨削技术是一个新的研究领域，其加工机理、加工方法及加工装置的研究域，其加工机理、加工方法及加工装置的研究还有待于深入和完善。还有待于深入和完善。 发展趋势发展趋势发展趋势发展趋势p高效稳定超声振动系统研究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现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率小、能耗高小、能耗高，因此因此，期待实用的大功率振动系期待实用的大功率振动系统到目前为止统到目前为止，输出能量为输出能量为4kW的振动系统已的振动系统已研制出来并投产使用研制出来并投产使用。在日本在日本，超声振动切削超声振动切削装置通常可输出功率装置通常可输出功率1kW，切削深度为切削深度为0.010.06mm。发展趋势发展趋势发展趋势发展趋势p超声椭圆振动超声椭圆振动加工技术加工技术的研究的研