（机械制造及其自动化专业论文）旋转超声波铣削加工技术的实验研究.pdf

摘要 旋转超声波加工技术是加工工程陶瓷的有效方法之一，但是存在 ：具制作复杂、加工 时工具磨损严重等问题，严重限制了其在复杂型腔陶瓷零件加工中的应用。用简单工具像 铣刀一样进行旋转超声波成型加工是近年来解决超声波复杂型腔加工的可行方法。根据 快速原型制造中的分层制造方法，本课题在超声波三维型面加工中提出了利用简单工具 进行分层去除的数控加工方法。 为了深入了解旋转超声波铣削加工中的材料去除机理，本文采用局部析因设计方法 设计了一个五变量、二维的析因实验，一方面对超声波铣削加工过程中加工参数对材料 去除模式、材料去除率、加工压力以及表面粗糙度的影响展开研究，另一方面研究加工 参数之间的相互作用对输出变量的影响。并据此阐述了超声波铣削加工材料去除的机理 模型，从而指导超声波铣削加工的实际应用。 本文得出如下工艺结论：( 1 ) 当转速、切削深度和磨料粒度增加时，延性去除在旋 转超声波铣削加工材料去除中所占的比例增加，磨料粒度的影响最大。( 2 ) 仅当切削深 度、进给速度等参数值增加时，材料去除率增加；各参数变化独立对材料去除率产生影 响，参数之间没有相互的影响关系。( 3 ) 对切削压力影响最大的加工参数是磨料粒度。 在双重交互影响实验中经过分析得到，对于两因素交互作用而对输出参数( 切削压力) 产生的影响，振幅对切削压力的影响最大。( 4 ) 转速和磨料粒度对工件表面粗糙度影响 最大。工件的表面粗糙度随着转速和磨料粒度的增加而减小。延性去除模式主导的材料 去除在工件上可以得到比较小的表面粗糙度。 在论文的最后，通过总结工艺实验中的结论，对旋转超声波铣削加工机理模型进行 了探讨，分析了材料去除机理以及旋转超声波铣削加工的工具设计。 本文的研究成果对旋转超声波铣削加工的实际应用具有一定的指导意义，并为建立 旋转超声波铣削加工技术专家系统提供了实验依据；同时，对旋转超声波铣削加工的机 理模型作了有益的探索。 关键词：旋转超声波；n t工程陶瓷分层去除材料去除率延性去除模武 a b s t r a c t r o t a r yu l t r a s o n i cm a c h i n i n g ( r u m ) i so n eo ft h ea v a i l a b l em e t h o d st om a c h i n et h e e n g i n e e r i n gc e r a m i c s ，b a ti t i sd i f f i c u l tt om a n u f a c t u r et h et o o l ，a n dt h et o o lw a r ei ss e r i o u s t h e s ep r o b l e m sb a d l yl i m i ti t sa p p l i c a t i o n ，e s p e c i a l l yw h e n c o m p l e xs h a p e w i l lb em a c h i n e d a na l t e r n a t i v ea p p r o a c hi st ou s ea s i m p l e p e n c i l t o o la n dc o n t o u rm a c h i n et h ec o m p l e x s h a p e a c c o r d i n g t ot h er a p i dp r o t o c o lm a n u f a c t u r i n g ( r p m ) m e t h o d ，an e wc n c m a c h i n i n g m e t h o dc a l l e dr o t a r yu l t r a s o n i cl a y e r e dm i l l i n g ( r u l m ) i sb r o u g h tf o r w a r d i nt h em e t h o d ， s i m p l e t o o l sa r eu s e dt ol a y e r e dm a c h i n et h ew o r k p i e c el i k ef a c e m i l l i n g ， i nt h i si n v e s t i g a t i o n ，af i v e v a r i a b l et w o l e v e lf r a c t i o n a lf a c t o r i a ld e s i g ni su s e dt oc o n d u c t t h ee x p e r i m e n t s t h e p u r p o s eo f t h e s ee x p e r i m e n t si st or e v e a lt h em a i ne f f e c t sa sw e l la st h e i n t e r a c t i o ne f f e c t so f t h e p r o c e s sp a r a m e t e r so n t h e p r o c e s so u t p u t ss u c h a sm a t e r i a lr e m o v a l r a t e ( m a r ) ，c u t t i n gf o r c e ，m a t e r i a lr e m o v a lm o d e a n ds u r f a c er o u g h n e s si na d d i t i o n ，t h e m e c h a n i s mm o d e lo ft h em a t e r i a lr e m o v a lr a t ei sa n a l y z e d t h ec o n c l u s i o n sa r es h o w e da sf o l l o w s ：( 1 ) d u c t i l er e m o v a lm o d e p e r c e n t a g e w i l li n c r e a s e a st h er o t a t i o ns p e e d ，i n d e n t i o nd e p t ha n da b r a s i v el e v e lr i s e ( 2 ) o n l yd e p t ho f c u ta n d f e d e r a t eh a v ee f f e c t so nm a t e r i a lr e m o v a lr a t e ( m r r ) ( 3 ) f o rm a i ne f f e c t s ，t o o ll e v e lh a s m o s ts i g n i f i c a n te f f e c t so nc u t t i n gf o r c ea n dm a t e r i a lr e m o v a lm o d e ，t o o ll e v e la n d s p e e d l e v e lh a v em o s t s i g n i f i c a n te f f e c t so n s u r f a c er o u g h n e s s ( 4 ) h i g h e r p e r c e n t a g e o fd u c t i l e m o d et e n d st op r o d u c eab e t t e rs u r f a c e ( 1 0 wv a l u eo f s u r f a c er o u g h n e s s ) i nt h el a s to f t h i sp a p e r ，t h et o o ld e s i g na n dw e a ra r ed i s c u s s e d ，a n dt h es l o p ea n g l eo f t h e t o o li sp o i n t e da sa 1 1i m p o r t a n tp a r a m e t e rt oc o n t r o lt h ew e a l r a t eo f t h et 0 0 1 t h e 2 d r a c t i c ea p p l i c a t i o no f t h er u m w i l lb eb e n e f i t e df r o mt h er e s e a r c ho f t h i sp a p e r i tn o t o n l yb r i n g st h ee x p e r i m e n td a t af o rt h ef o u n d a t i o no f t h ee x p e r ts y s t e m ，b u ta l s oe x p l o r e st h e m e c h a n i s mm o d e lo f 幽er i j m k e y w o r d s ：r o t a r yu l t r a s o n i cm a c h i n i n g ( r u m ) ，e n g i n e e r i n gc e r a m i c ，l a y e r e dm i l l i n g m a t e r i a lr e m o v a l r a t e ( m r r ) ，d u c t i l er e m o v a lm o d e i i 旋转超声波铣自d 加工技术的实验研究 1 绪论 1 1 论文的提出及其应用价值 1 1 1 课题所属研究领域 材料科学的发展日新月异，各种高性能的陶瓷材料不断涌现，它们在工程上具有良 好的应用前景。由于工程陶瓷具有硬度高、强度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、比重低 和自润滑等优良特性，所以在电子、冶金、化工、机械、能源、航空航天等众多领域得 到了广泛应用。 陶瓷是由共价键、离子键或两者混合的化学键结合的物质，呈现出与金属不同的性 质，在常温下对剪切应力的变形阻力很大，且硬度很高。由于陶瓷晶体是由阳离子和阴离 子或阴离子和阴离子之间的化学键结合而成的，化学键具有方向性，原子堆积密度低，原 子间距离大，使陶瓷显示出很大的脆性，而成为难加工材料。目前的机械加工方法如车 削、钻削、磨削、研磨和抛光等只能用于简单型面的加工，对于较复杂的型面，如有锐 角要求的槽型零件和非回转体表面，就无能为力了，而且机械加工难以保证加工精度和 加工质量的要求【2 】。 超声波加工( u s m ) 是利用悬浮磨料对工件的撞击作用和工作液的空化作用去除工件 上多余的材料，适合于加工硬脆材料，而且不会损害工件表面，所以是加工陶瓷工件的 理想方法。然而，目前超声波加工技术处于十分落后的状态，传统的超声波成型加工方 法是利用形状拷贝原理，将工具的形状复制到工件上，仅靠配重来调节工具的加工压力 和进给参数，这正如最初电火花加工中利用配重调节放电间隙和进给速度一样，加工效 率很低，而且只能用于一维加工中。要得到一定三维形状的工件就需要制作与工件形状 凸凹相反的工具，这就使得工具制造周期长。工件的制造成本提高。而且在工具加工工 件过程中，存在以下很多问题： 加工工具的更换比较麻烦； 由于加工中工具质量变化和力的传导等因素使加工速度和加工质量受到影响： 加工工程陶瓷材料时，工具磨损严重，加工效率也比较低。国内超声波加工机床 功率小，工具输出振幅大都小于2 0um ，而国外超声波加工机床输出振幅可达8 0u 【l 。 当复杂型腔面积和深度大时，由于悬浮磨料在加工间隙内分布不均匀，导致加 工表面完整性不好。 针对以上情况，我们根据快速原型制造中的分层制造方法，在超声波三维型面加工 中提出了利用简单工具进行分层去除的数控加工方法。即在超声波三维型面加工中，与 快速成型加工相类似，首先采用分层切片软件对三维实体模型进行切片，得到一系列带 有不同高度层面的二维几何信息，对这些几何信息进行处理，生成具有刀补和刀具轨迹 规划的数据文件。设计一台两轴半数控机床，工具安装在z 轴，并由电机驱动旋转。在 x 、y 平面内工作台实现两轴联动，按照数据文件走刀，对每层进行铣削加工；z 轴方向 上由电机驱动实现简单的进给运动，在加工完一层后做进给，达到下一层加工的高度。 加工中，仿照传统的铣削加工方式，使用一根形状简单、旋转的圆柱型工具，利用工具 的底端进行铣削加工，采用类似快速成型加工的“分层去除技术”，根据c n c 程序逐层 生壁塑妻鎏堡型塑：三塾查箜墨矍笪塑 加工出复杂的三维型面【i 】。 1 1 2 课题的理论意义和应用价值 工程陶瓷具有强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、比重低和自润滑等优良 特性，已在电子、机械、能源、航空航天等众多领域显示出相当广泛的应用前景。然而， 工程陶瓷的加工十分困难，尤其是对于具有复杂型面的工程陶瓷零件至今尚无有效的加 工手段。目前工程陶瓷材料的加工技术已成为制造业研究的热点。 工程陶瓷材料的加工技术中，金刚石磨削方法只能加工简单型面的零件，而对于较 复杂的型面，如有锐角要求的槽形零件和非回转体表面，就无能为力了；激光束加工 ( l b m ) 技术虽然可用于陶瓷零件的加工，但会使加工表面产生达5 0 um 的微观裂纹， 很难适应航空航天重要零件的要求；此外，由于工程陶瓷电导率低且化学稳定性好的限 制，使得电火花( e d m ) 及电化学( e c m ) 加工方法不适于加工陶瓷零件。而超声波加工 ( u s i ) 不需工件导电，可加工任何超硬材料，且不属于热过程，对加工表面损害极小， 可稳定地加工出精度为5um ，表面粗糙度为r a 0 5 l 0 7 6um 的零件，已成为加工 工程陶瓷最具潜力的方法之一。 但是传统的超声波成型加工方法由于是利用形状拷贝原理，将工具的形状复制到工 件上，要得到一定的三维形状就需要制作与工件形状凹凸相反的工具，这不仅使工具制 造周期长，而且受超声波加工工具损耗大的限制，对于某些新型陶瓷材料，如韧性陶瓷 材料氮化硅等，根本无法进行成型加工。而简单工具三维数控超声波仿铣机床采用分层 制造的思想，仿照传统的铣削加工，采用形状简单的回转工具头，依靠机床的成型运动 来加工复杂的三维型面，将有效地解决超声波成型加工由于工具损耗严重、加工间隙中 悬浮磨料不均匀从而影响复杂型面的加工精度问题，发展出超声波加工的新技术，为工 程陶瓷的推广应用提供有力的技术支持 1 。 超声仿铣三维型腔加工对于复杂陶瓷型腔加工具有显著的工艺优势，通过理论分 析，可以深入认识超声波加工的工艺规律，建立超声波加工陶瓷材料的基本理论，解决 高性能陶瓷材料的加工难题，从而扩展陶瓷材料的应用范围。此外，也能带动相关学科 如：超声波电火花复合加工、超声波车削和超声波挤压等技术的发展。另外结合超声波 雕刻技术，其加工精度、效率会有质的提高。 1 2 国内外超声波加工和分层制造技术研究现状 1 2 1 超声波加工发展概述 有关超声旋转加工的报告最早出现在2 0 世纪5 0 年代。超声波加工技术的研究最早 可追溯到1 9 2 7 年r w w j r d 和a ，l l o o m s 的奠基性工作，并于1 9 5 4 年由l b a l a m u c h 研制出第一台超声波加工机床。 从5 0 年代以来，许多国家都对这一技术进行了研究。日本政府设立了专门的振动 切削研究所，许多大学和研究机构也都设有这个研究课题。原苏联在这方面的研究也较 早，在超声车削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取得了良 好的经济效果。6 0 年代初美国就开始了超声加工的研究，7 0 年代中期，美国在超声波 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 2 塑壁塑至鎏堕! ! 塑三茎查盟壅矍婴塑 孔、镗孔已处于试验性生产设备原型阶段；通用超声振动切削系统已供工业应用，目前 已形成部分标准。德国和英国也对超声加工的机理和工业应用进行了大量的研究工作， 并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用 2 3 】。 英国h a r w e l l 国家原子能权威机构是此理论的早期探索者之一，他们的研究需要在 耐火材料成形的特殊陶瓷上钻一些1 0 1 6 2 5 4 m m 的孔，传统机械加工的局限性激发了 他们探索新技术的兴趣。美国从1 9 6 9 年开始使用金刚石工具的超声旋转加工技术。 经过近4 0 年的时间，各国的研究者们进行了许多实验，研究出控制参数( 如超声波振 幅、静压力、转速、金刚石类型、磨粒尺寸及连接类型等) 与加工结果( 如材料去除率、 工具磨损等) 之间的关系。建立了有关材料去除的塑性去除、脆性去除等多种材料去除 模型，并进行了实验验证。 1 9 7 0 年，t y r e i l 用金刚石空心钻在玻璃片边上加工出两个1 o m m 的孔，孔深6 3 5 m m ， 相距仅0 5 m m ，每个孔的平均加工时间为1 4 分钟。他还使用金刚石空心钻在厚8 8 9 m m 的氧化铍上加工出1 o m m 的孔，加工结束后，在钻芯抽出完整的0 4 m m 的工件材料。 1 9 9 2 年，p r a b h a k e r t a l d 和h a s e l k o n m 在大量超声旋转加工材料去除率试验研究的 基础上，给出预测材料去除率的经验模型，并对各种加工因素及其交互作用对材料去除 率的影响进行了分析和讨论。 对超声旋转加工中材料去除机理的研究，m a r k o v 等认为，脆性材料的破裂是大量的 微观裂纹及裂纹扩展到一定深度的结果。m a r k o v 和u s t i n o v 认为，超声旋转加工中存在 一个被加工材料的脆性断裂特别强烈的过程，它是被加工表面的微小裂纹交织成网和表 面撕扯的结果。k u b o t a 等报道超声旋转加工中材料以“贝壳”状的碎片形式去除。 z j p e i ，p m f e r r i r a 和m h a s e l k o r n 通过实验证明，除了脆性断裂，塑性流动是超声旋 转加工中材料去除的另一种主要方式 2 0 l 。 工程陶瓷不同加工工艺的研究表明，超声旋转加工在较低的加工压力和较轻的表面 损伤情况下，有较高的材料去除率，是有潜力的加工方法。t y r e l l 也报道：使用超声振动， 需要的加工压力小于无超声加工时的压力。 最近，国外又出现了超声旋转面铣削技术，由于r u m 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。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就可以加工具有复杂三维型面的工程陶 瓷，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。本论文提出的研制超声 波分层铣削数控系统就是在做这方面的工作。 我国超声波加工技术的研究始于5 0 年代末。6 0 年代末，哈尔滨工业大学应用超声 车削，加工了一批飞机上的铝制细长轴。之后这项技术的研究中断了十多年。1 9 7 6 年以 后，我国再次开展超声加工的试验研究和理论探讨工作。吉林工业大学、广西大学以及 甘肃光学仪器厂等单位率先进行了超声波车削设备及实验研究。1 9 8 2 年，上海钢管厂、 中科院声学研究所和上海超声波仪器厂研制成功超声拉管设备。1 9 8 5 年以来，超声波旋 转加工机、超声珩磨装置和变截面细长杆超声车削装置相继研制成功。到1 9 9 3 年，我 国已发表了3 0 0 多篇有关超声加工等的科学研究论文。 塑茎塑妻堕堡型型三篓查塑壅鉴塑基 半个多世纪以来，经过各国学者的不懈努力，超声波加工技术已有了长足的进步。 主要体现在：实验出加工参数( 振幅、频率、静压力、磨料材料及粒度、悬浮工作液的 浓度和工作液循环方式等) 对加工效率的影响规律；总结出静压力、工件材料硬度、加 工工具材料硬度是影响工具损耗的主要因素；总结出磨料粒度及悬浮工作液的均匀性对 工件表面质量有影响规律；利用有限元的方法使变幅杆的设计更合理；机械增益q 值高 的材料用于制作变幅杆、性能优良的p c d 用于制作工具头，使加工效率大大提高；工 具头回转的超声波加工使加工效率提高3 至4 倍；采用性能优良的压电陶瓷换能器使加 工机床的体积大大减小，能量利用率大大提高；9 0 年代s u z u k i k 研制的工程陶瓷无旋 转超声波磨削新技术明显提高了加工效率，也可以用来加工较复杂的型面。 现在，该技术应用的可行性已经成为一个研究的热点，并在一些国家包括英国、法 国、瑞士、日本等国家得到了研究。现在有些控制旋转超声波加工系统的c n c 可以通 过购买而使用，例如：e x t u r d eh o n el i m i t e d ( 法国) 的s o n e x 3 0 0 ，e r o s o n i ca gf 瑞士) 的e r o s o n i cu s 4 0 0 a j s 8 0 0 1 4 1 。 1 2 2 分层制造技术发展概述 分层去除制造技术( l a y e r e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 是本课题提出的新的加工方 法，它来源于快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p em a n u f a c t u r e ，简称r p m ) 。快速成型技 术在8 0 年代后期源于美国，是近二十年来制造技术领域的一次重大突破。快速成型技 术不同于传统的在型腔内成型毛坯切削加工后获得零件的方法，而是在计算机控制下， 基于离散堆积原理采用不同方法堆积材料最终完成零件的成型与制造的技术。 7 0 年代末，8 0 年代初，美国3 m 公司，日本的名古屋工业研究所和美国的u v p 公司 分别提出了r p m 技术的概念，即有选择地逐层固化光敏聚合物来制造三维物体，u v p 公 司抢先开发了立体光照印刷造型系统( s l a ) ，并于1 9 8 6 年申请了专利，随后，组建了 3 d s y s t e m 公司，很快就开发了基于s l a 的商用机。 r p m 的加工思想方法与传统的“去除”加工完全不同，它是用材料逐层或逐点堆积 出零件的形状，所以也称作“增加”加工法，下面就简述它的原理。 从成型的角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加而成，从c a d 三维模型中离散 得到点、面的几何信息，再与成型工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到 面，由面到体地堆积零件。从制造角度看，它根据c a d 造型生成零件三维几何信息， 控制多维系统，通过激光术束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件，因而无需 费时、费工的专用模具的设计、加工与制造，极大地提高了生产效率和制造柔性，大大 降低生产成本，特别是极大地缩短生产周期，被誉为制造业中的一次革命，它在新产品 开发和工程模具制造中均具有广泛的应用，目前已开发出多种多样的相关技术。 任何一个零件可视为一个空间实体，它是由若干非几何意义的点或面迭加而成，用 三维c a d 软件可设计出该零件的三维c a d 电子模型，然后根据具体工艺要求，按照一定 的规则，象积分划分微元一样，将该模离散为一系列有序的几何单元，一般是沿高度( 即 z 方向) 离散为一系列的二维层面( 称为分层或切片) ，得到一系列的二维几何信息，将 这些信息与数控( c n c ) 成型技术相结合，生成c n c 代码。成型机则在c n c 代码的控制 下控制材料微量地、有规律地、精确的迭加起来( 堆积) ，从而构成个与电子模型对 应的三维实体模型。通过离散才能获得堆积的顺序、路径、限制和方式；通过堆积才能 旋转超声波铣削加工技术的实验研究 将材料构成一个三维实体。r p m 这种加工思想方法的突出优点在于取消一切专用工具 是零件成型具有最大的柔性。其加工原理图如图卜1 所示。 图1 1r p m 技术成型原理图 f i g 1 一ip r i n c i p l ef i g u r eo fr p mt e c h n o l o g ym o l d i n g 分层去除制造技术与快速原型制造技术向类似，采用与之“逆向”的成型加工方法， 它首先利用c a d 设计出三维电子模型，然后，通过一定的算法将模型离散，得到一系列 的切片。c a d c a m 软件分析每个切片以确定每层去除加工的最佳路径，并进行刀具补偿， 得到一个分层切片加工数据文件，c n c 利用这个数据文件进行加工，实现分层去除制造。 分层去除制造技术反用快速原型制造的思想，以离散去除为指导；在控制上以计算机 数控技术为基础，实现c a d c a m c n c 体化，极大地提高了加工的柔性和应用领域。目 前关于分层制造领域的分层去除技术研究的较少，而针对超声波加工中的分层去除技术 的研究尚属新兴技术。 与快速成型技术相类似，分层去除技术同样是利用从c a d 模型中离散得到的点、 面的几何信息，而采用与之“逆向”的技术思想，通过分层“去除”而得到零件的加工 技术。分层去除技术是计算机技术、数控技术、所用去除技术等的综合集成。在成型概 念上，它反用快速成型的思想，以离散去除为指导；在控制上以计算机和数控技术为 基础，实现了c a d c a m 一体化，既保留了传统去除加工技术的工艺特点，又极大地提 高了加工的柔性和应用领域【l 】。 1 9 8 6 年，c h a r l e sh u l l 开发了世界上第一套快速成型装置，第二年第一代商业化快 速成型制造系统在3 ds y s t e m s 公司问世。此后的l o 多年间，快速成型制造技术的研究 和开发工作开展得如火如荼。目前，美国、日本及欧洲发达国家已将快速成型技术应用 于航空、宇航、汽车、通讯、医疗、电子、军事装备、工业造型、建筑模型和机械行业 等。国内的研究起步在1 9 9 1 年左右，北京隆源快速成型公司、清华大学、西安交通大 蓬堑塑至鎏生型垫三垄查堕塞望竺窒 学、南京航空航天大学、华中理工大学、上海交通大学等单位在成型理论、工艺、设备、 材料、软件开发等方面做了大量的研究工作。目前关于分层制造领域的分层去除技术研 究得较少，而针对超声波加工中的分层去除技术的研究尚属新兴技术。 1 3 课题的研究内容 本课题是国家自然科学基金项目“面向快速制造的特种加工技术基础研究”中数 控超声波成型加工三维型面陶瓷工件的基础研究的子课题的一部分。论文对旋转超声 波铣削加工的机理进行了研究，用对比与联系的方法，对超声波铣削加工的加工机理及 加工工艺特性等内容进行了深入研究。具体研究内容如下： ( 1 ) 利用实验手段，观测并记录超声波铣削加工中转速、振幅、静压力等加工参数 变化对材料去除率的影响，为建立超声波铣削加工的材料去除模型提供实验依据。 ( 2 ) 针对旋转超声波加工中存在的两种材料去除模式进行对比分析，在实验中观测 材料的去除速度并利用加工工件表面的s e m 照片分析材料的去除机理，找出旋转超声 波加工中延性去除模式和脆性去除模式的存在范围以及加工参数对材料去除率的影响。 ( 3 ) 分析并总结从工艺实验中得出的结论，结合旋转超声波加工的理论，对超声波 铣削加工过程中材料去除模式、加工参数变化对工具磨损的影响及工具补偿规律、加工 参数变化对材料去除率的影响展开研究。并据此阐述了超声波铣削加工材料去除的机理 模型，从而指导超声波铣削加工的实际应用。 旋转超声波铣削加工技术的实验研究 2 超声波加工技术的概述 2 1 超声波加工 超声波加工( u l t r a s o n i cm a c h i n i n g ) 是一种材料去除率比较低的特种加工方法，主 要利用超声振动的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。由于其应用范围不受工件材料的电或者化学 方面特性的限制，因此通常被用来加工导电或者非金属材料，特别是那些具有低延展性 或者硬度超过4 0 h r c 的材料，例如无机玻璃、氮化硅、镍钛合金等，币用超声振动使 工件相互结合的加工方法，它也可以加工直径小到7 5um 的孔，不过深度与直径的比值 要三3 ：l 。 传统的易碎材料加工方法十分麻烦，因为有许多耗时的步骤必须进行，成本也特高， 因为刀具和材料的磨损都十分可观。而超声波加工可以直接达到指标，在工艺上还有以 下令人信服的优越性。比传统方法生产效率提高5 倍；表面粗糙度r a o 2um ；因为有 智能控制算法a d r 和a c c ，即使是达0 3 m m 直径的精密钻孑l 也能保证过程安全；工件和 刀具均得到保护，因为接触力和热应力都小；钻石刀具会自我锐化，保证了在低接触力 之下的高切削率；机械使用寿命长。 超声波加工的历史要追溯到1 9 2 7 年由r w w o o d 和a l l o o m i s 发表的论文，第一 项专利由l b a l a m u t h 在1 9 4 5 年获得。超声波加工曾经被称作超声波钻孔、超声波几何 参数加工、超声波磨料加工以及乳化液钻孔等，但是从五十年代以来最普遍的称法还是 超声波加工或者超声波冲击研磨。 在超声波加工过程中，高频电能通过换能器转化为机械振动，然后通过变幅杆传递 到工具头上。工具沿着自身径向轴线做高频( 至2 0 k h z ) 振动，振幅在5 5 0p - m 之间。典 型的功率大概在5 0 3 0 0 0 w 变动，在有的机器上能够达到4 k w 。在工具上加有可调整的 恒定载荷，通过喷嘴将磨料悬浮液( 磨料如碳化硅、碳化硼与水或油混合而成) 喷在加工 区域。工具振动导致磨料在工具和工件之间产生运动，依靠磨料冲击工件表面形成的微 裂纹去除材料。图2 1 展示了超声加工装置的主要元件，使用磁致伸缩或者压电换能器， 装备铜焊以及螺纹连接的工具头【7 】。 其他基本加工组合包括： ( 1 ) 旋转超声波加工( r o t a r yu l t r a s o n i cm a c h i n i n g ) 工具被励磁电机驱动旋转以减 少工件的圆度误差到传统超声加工的1 3 。通常旋转速度约3 0 0 r p m ，如果使用镶金刚石 的工具头，则可以达到5 0 0 0 r p m 。 ( 2 ) 超声波加工通常与电火花加工( e l e c t r o n i c sd i s c h a r g em a c h i n i n g ) 作复合加工。 ( 3 ) 超声与传统特种加工方式的组合相对于其他传统旋转加工来说，超声旋转复 合加工可以减少加工时间、工件残余应力和应力刚化效应，并且能增加工件表面质量， 延长工件寿命。 ( 4 ) 另外还有其他非加工方面的应用，如超声清洗、塑料金属焊接、化工方面的应 用和镀层、金属成型等。 旋转超声波铣削加工技术的实验研究 图2 - i 超声波加工装置基本元件 f i g 2 1b a s i ce l e m e n t so f u l t r a s o n i cm a c h i n i n gh e a d 早期的超声波加工主要依靠工具作超声频振动，使悬浮液中的磨料获得冲击能量， 从而去除工件材料达到加工目的。但加工效率低，并随着加工深度的增加而显著降低。 后来，随着新型加工设备及系统的发展和超声加工工艺的不断完善，人们采用从中空工 具内部向外抽吸式向内压人磨料悬浮液的超声加工方式，不仅大幅度地提高了生产率， 而且扩大了超声加工孔的直径及孔深的范围。 近2 0 多年来，国外采用烧结或镀金刚石的先迸工具，既作超声频振动，同时又绕 本身轴线以1 0 0 0 5 0 0 0 r m i n 的高速旋转的超声旋转加工，比般超声波加工具有更高 的生产效率和孔加工的深度，同时直线性好、尺寸精度高、工具磨损小，除可加工硬脆 材料外，还可加工碳钢、二氧化钢、二氧化铁和硼环氧复合材料，以及不锈钢与钛合金 叠层的材料等。目前，己用于航空、原子能工业，效果良好。图2 2 ，2 - 3 是超声波加 工的些元件。图2 - 4 是超声波加工工件的s e m 照片0 3 1 。 图2 - 2 超声波加工的硅晶厅 f i g 2 - 2s i l i c o nc r y s t a lw o r k p i e c eu s i n gu l t r a s o n i cm a c h i n i n g 旋转超声波铣削加工技术的实验研究 图2 - 3 超声波加工的氮化硅汽轮机叶片凸模 f i g2 - 3s i l i c o nn i t r i d et u r b i n eb l a d ec o u n t e r - s u n ku s i n gu s m 图24 超声波加工工件s e m 照片 f i g 2 - 4s e mp h o t oo f t h ew o r k p i e c eu s i n gu s m 2 1 1 陶瓷材料的超声波加工 高级陶瓷材料正在越来越多的被应用到飞行器、汽车以及工业电子元件中。在制作 阀门和缸套类零件时，它们提供了一系列比金属优越的材料性能。它们良好的化学稳定 性以及耐高温能力使得在燃气轮机应用中有较好的热效率。烧结氧化铝、碳化硅、氮化 硅通常硬度大于1 5 0 0 h v ，因此在产品的最终形加工过程里金刚石研磨通常是唯一可行 的方法。不过对于那些包含有圆柱面、平面、曲面的元件来说这是可以接受的抑或相当 现实的，因为当表面外形非常复杂或是使用环境要求特殊表面集成的工件外形，问题会 非常复杂。 大多数工程陶瓷是绝缘的，虽然这可以看作是它们功能上的优点，但是对于陶瓷或 陶瓷表层的叶片加工来说，这是非常大的缺陷。同类的金属制品很大程度上依赖于非传 统加工方法，例如电化学加工、电火花加工。前者广泛用来加工翼剖面而后者通常3 n - t 叶片冷却孔。遗憾的是这两种方法都需要工件材料是导电的。电火花加工还要求工件电 阻小于1 0 0 f 2 2 2 1 。 对于稳定性要求极为严格工件比如汽轮机叶片，由于在压力非常大的环境下工作， 工件表面完整是关键，所以通常是由陶瓷或是表面镀上陶瓷材料。运用的加工过程要求 对工件表面的损伤越小越好。所有的传统加工方法如车削或是磨削都会有不同程度上的 竺堡塑主垫竺型塑三垫查堕塞丝竺垄 损害，同样对特种加工如电火花或激光束加工也有损伤，因为它们的热去除机理。例如， 电火花加工能够在加工表面由微裂隙而导致高达5 0 u m 深的热变形区。相反，超声波加 工是一种不依赖传导性材料的非热能加工方式，适合陶瓷加工。加工产生极少的表面损 伤甚至无损，也不会导致特殊的应力状态。尺寸精度可以达n ：l 5ui l l ，表面粗糙度可达 r a 0 5 1 - r a 0 7 6um 。图2 5 是超声波加工的新型陶瓷功能件。 图2 - 5 超声波加工的新型陶瓷功能件 f i g 2 - 5n e wf u n c t i o n a lc e r a m i cw o r k p i e c eu s i n gu s m 2 2 超声波加工的基本原理和特点 2 2 1 超声波的特性 声波是人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为1 6 - - 1 6 0 0 0 h z 。当声波的频率低于 1 6 h z 时就叫做次声波，高于1 6 0 0 0 h z 则称为超声波。具有如下特性 8 】： ( 1 ) 超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质密 度等有关，可用公式表示： c = l f ( 公式2 - 1 ) 式中c - - 超声波传播速度( m s ) ； 一波长( m ) ； f - - 频率( h z ) 。 ( 2 ) 超声波在各种介质中传播，其运动轨迹都按余弦函数规律变化，其位移为 x = ac o s ( o ) t + 、l ，) ( 公式2 2 ) 式中x - - 质点运动的位移( m ) ； a 一振幅( m ) ； 一圆频率( r a d s 1 ； t - - 时i 司f s ) ； v 一振动的相位角( r a d ) 。 ( 3 ) 超声波可传递很强的能量，其能量强度可用垂直于波的传播方向单位面积的能 量来表示，超声加工中的能量强度很高，且9 0 作用于工件表面。 ( 4 ) 超声波会产生反射、干涉和共振现象。出现波的叠加作用，使弹性杆中某处质 l o 堡整塑昱垫塾塑塑三垫垄塑壅笙盟塞 点始终不动，而某处质点的振幅则大大增加，从而获得更大的超声加工能量。 ( 5 、超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，强化了 加工过程的进行。因超声波通过悬浮磨粒的液体介质时，会使液体介质连续地产生压缩 和稀疏区域，由于压力差而形成气体的空腔，并随着稀疏区的扩展而增大，内部压力下 降，与此同时，受周围液体压力及磨粒传递的冲击力作用，又使气体空腔压缩而提高压 力，于是，转人压缩区状态时，迫使其破裂产生冲击波。由于进行的时间极短，因此， 会产生更大的冲击力作用于工件表面，从而加速磨粒的切蚀过程。 2 2 2 超声加工的基本原理 超声加工时，高频电源联接超声换能器，由此将电振荡转换为同一频率、垂直于工 件表面的超声机械振动，其振福仅0 0 0 5 - 0 0 l 蕊，再经变幅杆放大至o 0 5 - 0 i l m ，以 驱动工具端面作超声振动。此时，磨料悬浮液( 磨料、水或煤油) 等在工具的超声振动 和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形， 直至击碎成微粒和粉末【1 4 】。同时，由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件 表面，又由于超声振动产生的空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工 件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的 作用，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不断 地循环。磨粒的不断更新。加工产物的不断排除，实现了超声加工的目的。 总之，超声加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综 合切蚀作用的结果。其中，以磨粒不断冲击为主。由此可见。脆硬的材料，受冲击作用 愈剧烈容易被破坏，故尤其适于超声加工。原理图示如图2 6 所示： 图2 _ 6 超声加工原理示意图 f i g 2 - 6s k e t c ho ft h ep r i n c i p l eo nu s m 2 2 3 超声加工的特点 ( 1 ) 适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不 导电的非金属材料。也可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的 金属材料，但加工效率较低。 ( 2 ) 由于去除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 塑整望主鲨笙! ! 型三鏊查i ! 塞墼塑鍪 很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，可达 r a 0 6 3 一o 0 8 1 tm ，尺寸精度可达正负o 0 3 r a m ，也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。 ( 3 ) 2 1 2 具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复杂的相 对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。一般，超声加工机床的结构比较简单，操作、 维修也比较方便。 ( 4 ) 超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产率较低。 2 3 超声加工设备及其组成 超声加工设备的功率和结构有所不同，但其基本组成相同。一般包括超声发生器、 超声振动系统、磨料悬浮液循环系统和机床。其主要组成如图2 7 所示 2 7 1 。 2 3 1 超声波发生器 超声波发生器( 又叫超声频发生器或超声波电源) 的作用是将工频交流电转换为功 率为2 0 4 0 0 0 w 的超声频振荡，以供给工具端面往复振动和去除工件材料的能量。 超声波发生器的电路由振荡级、电压放大级、功率放大级及电源组成( 参见图2 - 8 ) ， 其可以是他激式，也可以是自动跟踪式。后者是一种自激振荡推动多级放大的功率发生 器。 图2 7 超声加工设备的主要组成 f i g 2 - 7p r i m a r yc o m p o n e n t so fu s me q u i p m e n t 自激频率取决于超声波振动系统的共振频率。当出于某种原因，如更换工具或工具 头磨损、部件受热或压力变化等，会引起超声波振动系统共振频率的变化，可通过“声 反馈”或“电反馈”使超声波发生器的工作频率能自动跟踪变化，保证超声波振动系统始 终处于良好的谐振状态。为此，一般要求超声波发生器应满足如下条件 3 5 1 ： ( 1 ) 输出阻抗与相应的超声波振动系统输入阻抗匹配； ( 2 ) 频率调节范围应与超声波振动系统频率变化范围相适应，并连续可凋； ( 3 ) 输出功率尽可能具有较大的连续可调范围，以适应不同工件的加工； ( 4 ) 结构简单、工作可靠、效率高，便于操作和维修。 旋转超声波铣削加工技术的实验研究 图2 - 8 超声波发生器组成框图 f i g ，2 - 8c o n s t i t u t ef r 8 m e o ft h eu l t r a s o n i cg e n e r a t o r 2 3 2 超声波振动系统 超声波振动系统主要包括换能器、变幅杆、工具。其作用是将由超声波发生器输出 的高频电信号转变为机械振动能，并通过变幅杆使工具端面作小振幅的高频振动，以进 行超声加工。 ( 1 ) 换能器 换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动。目前，根据其转换原理的不同，有 磁致伸缩式和压电式两种。换能器在纵向或压缩模式下工作。工业应用中通常使用的有 磁致伸缩或压电装置的。因为磁致伸缩式的q 值( q 是对能量峰值尖锐程度的测量) 很 低，所以允许振动或转换在比较宽的频率范围内( 例如1 7 2 3 k h z ，对于2 0 k h z 的发生器 来说) 。彦还允许变幅杼更大的设计挠度，能够适应工具磨损。另外，变幅杆可以被多 次改进设计而不会有太大的振幅损失