超声波特种加工

旋转超声波加工摘要：旋转超声加工中刀具以一定超声频振动的同时还作相对于工件的旋转。刀具通常用低碳钢作为基体，表面涂覆或者烧结一层金刚石磨粒。因此转超声加工是一种结合了传统超声加工去除材料机理和金刚石磨抛作用的一种复合加工方法。与超声加工相比，旋转超声加工能够提供高的多的材料去除率，能加工更深的孔，及得到更高的加工精度，因此也得到了更为广泛的运用。若与数控技术相结合就可以用于进行硬脆材料的的成型加工。实践证明它是一种加工硬脆材料，如陶瓷、玻璃和岩石的有效方法。超声加工装置由超声波发生器，换能器和变幅杆组成。而旋转超声加工装置则需要进一步考虑如何实现旋转。本文总结了旋转加工的原理、优势及应用。关键词：旋转超声波、原理、优势、应用Abstract:rotaryultrasonicmachiningtoolisacertainfrequencyultrasonicvibrationsalsoberotatedrelativetotheworkpiece.Thetoolistypicallyusedasasubstrateoflowcarbonsteel,thesurfacecoatingorlayerofsintereddiamondgrains.Soturnultrasonicmachiningisacombinationofaconventionalultrasonicmachiningmaterialremovalmechanismandtheroleofdiamondgrindingandpolishingofcompositeprocessingmethods.Comparedwithultrasonicmachining,rotaryultrasonicmachiningcanprovidemuchhighermaterialremovalrate,canprocessadeeperhole,andgethigherprecisionand,therefore,hasbeenmorewidelyused.IfcombiningwithCNCtechnologycanbeusedforformingahardandbrittlematerials.Practicehasprovedthatitisamachiningbrittlematerials,suchasaneffectivemethodofceramic,glassandrocks.Ultrasonicmachiningdeviceconsistsofanultrasonicgenerator,transducerandhorncomponents.Therotaryultrasonicmachiningdeviceyouneedtofurtherconsiderhowtoachieverotation.Thisarticlesummarizestheprincipleofrotationoftheprocessingadvantagesandapplications.Keywords:Rotatingultrasonicprinciple,advantages,application引言旋转超声加工是加工玻璃、陶瓷、石英、翡翠等硬脆材料的有效方法。传统超声加工虽然也可以加工以上硬脆材料,但其加工效率则明显不及旋转超声加工，而且加工复杂的图形或型腔需要借助模具的作用，所以其应用受到很大的限制。旋转超声加工可以直接加工复杂图形和三维型腔，具有良好的加工精度和表面质量，近年来其应用越来越广泛。原理固结式金刚石工具以一定的静压力压在工件上，除以一定振幅作轴向超声频振动外，还作相对于工件的高速旋转运动，冷却液不断被输送到工具和加工工件表面之间。优势旋转超声加工是集普通超声加工与磨粒磨削加工为一体的复合加工，是加工硬脆性材料的一种高效方法，相比其他特种加工方法，它具有其独特的优势：（1） 超声加工可以加工导电和非导电等各种硬脆性材料，如陶瓷、宝石、硅、金刚石和大理石等非金属材料；也适用于加工低塑性和硬度高于HRC40的金属材料，如淬火钢、硬质合金、钛合金等金属材料；（2） 由于工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削热就少，不会因产生变形及烧伤而改变工件表面的化学/电性质，故加工精度和加工表面质量都比较好。与其他材料去除过程相比，超声加工能达到更高的精度和表面光洁度，同时还能延长刀具寿命；（3） 旋转超声加工采用固结磨粒的刀具对加工工件进行高频、断续加工，是超声加工和切、磨削加工的复合加工方式，比单纯的超声加工和切磨削加工具有更突出的优势，可以有效地提高已加工表面的耐磨性和耐腐蚀性。同时，旋转超声加工的复合加工机理，更适宜于硬脆性材料的加工，其去除率可以达到普通切磨削的6〜10倍，是普通超声加工材料去除率的10倍。应用例如汽车工业、工具和模具制造、光学元件、半导体工业、医疗工业等领域。因此，国内外许多学者展开了对难加工材料超声加工方法的研究。1旋转超声钻削加工 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长度，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、产生积屑瘤等问题，进而使的排屑困难，切削力增大。其结果是加工效率和加工精度大大降低，表面粗糙度大为增加，工具寿命缩短。采用超声加工则可有效解决上述问题。 早在六十年代，超声加工设备的研制和加工工艺的应用己获得了一定发展，以苏联生产的带磨料的超声波钻孔机床为代表，采用磨料悬浮液的常规超声加工在硬脆材料及复合材料孔加工方面显示出一些独特的优点，在此之后相继出现了各种超声复合加工。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压力作用下减小的原因。 英国申请了电火花超声复合穿孔的专利［27］，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振动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。 美国内布拉斯加大学和内华达大学对A12O3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品粒的错位，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A12O3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。 美国堪萨斯州立大学提出一种旋转超声加工陶瓷材料去除率模型的计算方法，并将其应用到氧化错陶瓷的加工中，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。 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。 日本制成新型UMT7三坐标数控超声旋转加工机，机床功率450W，工作频率20KHz，可在玻璃上加工孔径1.6mm、深度150mm的小孔，其圆度可达0.005mm，第一章绪论-9-圆柱度为0.02mm。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①15pm的微孔。1998年又成功地加工出直径为①5pm的微孔。 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①<0.2mm、且深径比>15的深小孔。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。山东大学对工程陶瓷的超声振动钻削加工进行了深入的研究，探讨了超声振动钻削中各项工艺参数对加工效果的影响，并从理论上分析了超声振动钻削的材料去除机理。 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。 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。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［36］，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/SiC3种A12O3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。 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 [37]。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。2旋转超声雕刻、铣削加工工程陶瓷的应用日益广泛，但其成形加工十分困难。尤其是具有三维复杂型面的工程陶瓷零件至今尚无有效的加工手段，严重影响了工程陶瓷材料的推广应用。1999年由Z.J.Pei博士提出一种将旋转超声加工应用于平面铣的新途径。在这种方法中，切割表面是一个圆锥面，以保持与旋转超声加工相同的加工机理，并且可以加工大的工件平面。这种工艺技术已经被转化到工业上，并正在被进一步研究和发展。大连理工大学提出了基于分层去除技术的超声铣削加工方法， 研制了超声数控铣削机床，开辟了利用超声加工技术数控加工工程陶瓷零件的途径。基于分层去除思想的超声铣削加工技术，解决了传统超