超声加工技术的现状及发展趋势

.超声波加工技术现状及发展趋势前言：超声波加工是指超声波振动工具在有研磨材料的液体介质中或干燥的研磨材料中利用研磨材料的冲击、研磨、液压冲击和由此产生的空化作用去除材料，对工具或工件在一定方向上施加超声波振动进行振动加工，利用超声波振动使工件结合的加工方法。 超声波加工技术涉及面广、更新快的机械加工技术。 结合近年来超声波加工技术的发展情况，综述了超声波振动系统在研究进展和超声波加工技术深孔加工、拉丝和腔模研磨、难加工材料加工、超声波振动切削、超声波复合加工等方面的最新应用，阐述了超声波加工技术的发展趋势。关键词：超声波加工、超声波振动、声复合加工、应用、发展、正文：1 .超声波振动系统的研究进展及其应用超声波振动系统由换能器、喇叭、工具等部分组成，是超声波设备的核心部分。 在传统应用中，超声波振动系统多采用一维纵向振动方式，以“全调谐”方式工作。 但近年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域的实用化特殊需求，振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究取得了新进展。日本研究成功的半波长弯曲振动系统，其特征在于，切削工具安装在半波长转换能量振动系统的细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形、上下各两片，构成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，小型化、结构简单、刚性增强日本开发了新型的“纵-弯”型振动系统，在手持式超声波复合振动磨机上取得了成功。 该方式的压电换能器也使用半圆形的压电陶瓷片产生“纵-弯曲”型的复合振动。 日本金泽工业学院的研究人员开发了加工硬脆性材料的超声波低频振动组合钻头系统。 将金刚石中心钻头的超声波振动与工件的低频振动相结合，制造出能够测量钻头力变化、钻头精度和孔表面质量的复合振动钻头设备，并利用该复合设备在不同振动条件下进行了一系列实验。 实验结果表明，金刚石中心钻头超声波振动与工件低频振动相结合是加工硬脆性材料的有效方法。另一种超声扭振系统应用于“加工中心”用超声扭振装置。 主要用于放电加工后的模具异形(三角形、多边形等)的孔和槽底部的倒角研磨，以及非导电材料的异形孔加工。 该振动系统的换能器由沿圆周方向极化的8片扇形压电陶瓷片构成，产生了扭转振动。2 .超声波加工技术的应用研究2.1深孔加工众所周知，在相同的要求和加工条件下，加工孔比加工轴复杂得多。 一般来说，孔加工刀具的长度比孔的直径长，易受切削力的影响而变形，因此会影响加工质量和加工效率。 特别是难加工材料的深基坑开挖存在很多问题。 例如，切削液难以进入切削区域，切削温度高，刀刃磨损快，产生切屑，切屑排出困难，切削力增大。 结果加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具寿命短。 采用超声波加工，可以有效地解决上述问题。兵器工业五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效加工的新方法超声波振动磨削，进行了超声波振动磨削与普通磨削陶瓷深孔的比较实验。 结果表明，超声波振动磨削能显着提高陶瓷的加工效率，有效消除普通磨削中产生的表面裂纹和凹陷，是陶瓷深孔精密高效加工的新方法。2.2拉伸型及型腔型研磨研磨多晶金刚石模的超声抛光技术在国内外得到广泛应用，出现了新的超声抛光方法和设备。 北京市市电加工研究所提出的“硬质合金刀具材料放电超声波复合研磨方法”的特点是利用超声波频率信号将高频放电脉冲电源与超声波加工复合，进行晶体金刚石的拉丝研磨。 该技术已取得国家专利，应用于生产。2.3难加工材料的超声波加工金属和非金属硬脆性材料的使用越来越广泛，特别是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨、耐高温、化学稳定性好、难氧化、腐蚀等优点。 但是，由于工程陶瓷等难加工材料具有极高的硬度和脆性，其成形加工非常困难，尤其是成形孔的加工特别困难，显着阻碍了应用的推进。 因此，国内外很多学者开展了关于难加工材料加工方法的研究，其中常用超声波加工。2.4超声波振动切削超声波振动切削作为一种新的特殊加工技术，受到国内外专家学者的广泛关注和关注。 最初用比较系统研究振动切削，可以说振动切削理论和应用技术的创始人是日本的学者隈部淳一郎。 他在20世纪5060年代发表了关于振动切削的论文，系统地提出了振动切削理论，实现了振动车削、振动磨、振动镗削、振动磨削、振动磨削等。 此后，美国也对振动切削进行了研究，直到1970年代中期，振动车削、振动钻头、振动磨削、光整加工等都达到了实用阶段，超声波加工在难加工材料和高精度零件的加工方面显示出了很大的优势，取得了一系列的研究成果，并推广到生产中。我国振动切削的研究有些滞后。 研究内容从振动切削实验到实际技术应用，从振动切削实验系统的设计到振动切削机理，范围广、内容深。2.5超声波复合加工超声波加工与其他加工技术相结合的加工模式叫做超声波复合加工。 超声复合加工加强了原始加工过程，显着提高了加工速度，在一定程度上改善了加工质量，达到了低消耗效率的目标。电极的超声波振动能够改善加工过程的主要原因是电极表面的高频振动加速了工作液的循环，使间隙充分电离间隙之间的大的压力变化引起更有效的放电，从而从弧坑中去除熔化的金属，减少热影响层，降低热残馀应力，减少微裂纹三、超声波加工技术的发展趋势及前景展望1 .超声波振动切削技术随着传统加工技术和高新技术的发展，超声波振动切削技术的应用日益广泛，振动切削研究日益深入，主要体现在以下几个方面。(一)新型工具材料的开发和采用；在现代制造业，钛合金、纯钨、镍基高温合金等难加工材料的应用范围越来越广泛，对机械零件加工质量的要求越来越高。 为了更好地发挥刀具的性能，除了选择合适的刀具几何参数外，在振动切削中，更加注意刀具材料的开发和研究，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒硬质合金材料的研究和应用成为主要方向。(2)高效振动切削系统的开发与采用目前的实验和实用振动切削加工系统输出功率小，能耗高，有望推出实用大功率振动切削系统。 迄今为止，开发并生产了输出能量为4 kW的振动切削系统。 在日本，超声波振动切削装置通常输出功率为1 kW，切削深度为0.010.06 mm。(3)对振动切削机构进行深入研究目前和今后时期的振动切削机理研究主要着眼于振动切削状态下工件材料如何与工件分离形成碎屑。 振动切削中刀具与工件相互作用的力学分析。 振动切削机理的微观研究与数学描述。(4)超声波椭圆振动切削的研究与推进超声波椭圆振动切削受到国际学界和企业界的重视。 美国、英国、德国、新加波等国家的大学和国内的北京航空宇宙大学和上海交通大学已经开始了这方面的研究。 日本企业界如日立、多贺公司等已经开始了这方面的实用化研究。 但超声波椭圆振动切削在理论和应用中有很多工作。 特别是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部和微细模具的超精密切削加工等还需要进一步研究。(5)超声波铣削加工技术工程陶瓷的应用日益广泛，但其成型加工非常困难。 特别是具有三维复杂面的工程陶瓷部件，迄今尚无有效的加工手段，严重影响着工程陶瓷材料的普及。 大连理工大学提出了基于分层去除技术的超声波铣削加工方法，开发了超声波数控铣削机床，开发了基于超声波加工技术的数控加工工序陶瓷部件。 基于分层去除思想的超声波铣削加工技术解决了传统超声波加工中刀具损耗严重、无法在线补偿的问题，使加工具有尖角和锐边的三维复杂型面工程陶瓷零件成为可能，为工程陶瓷的广泛应用提供了强有力的技术支持。2 .超声波复合加工技术目前超声、电火花、机械三元复合加工技术研究进展迅速。 哈尔滨工业大学利用超声波、放电、磨料复合加工技术加工不锈钢，解决了放电小孔加工中生产率与表面质量不能兼顾的矛盾，具有良好的应用前景。在现代工业生产中，模具的应用越来越广泛，对模具精度和表面质量的要求也越来越高。 在模具制造过程中，光整加工工艺对模具的质量有很大影响，但目前该工艺仍然是手工完成，严重制约和解决模具加工技术发展的重要技术问题。 超声电解磨粒复合加工技术是一种新型的复合加工技术，常用于复杂形状的模具腔光整加工. 但是，很多方面的内容还需要进一步探讨，特别是各主要加工要素对加工表面粗糙度的影响和表面金属的去除机理等。微三维型面加工中，利用简单形状的电极，基于分层制造原理的微细电火花加工技术受到重视，但由于该工艺的加工效率低，同时其加工精度主要依赖于电极损耗的轴向补偿，因此电极损耗的轴向补偿量直接依赖于电极损耗率，提高微细电火花加工的加工效率和稳定性是一个重要课题。 哈尔滨工业大学提出了利用超声波辅助层的微细放电加工技术，电极轴向的小超声波振动在极间状态的活化、极间隙的扩大、切屑排出能力的增加、有效脉冲利用率和放电稳定性的提高等方面起着重要作用，因此该技术能够改善微细放电加工时的放电状态，提高加工效率。3 .微细超声波加工技术以微机为代表的精细制造是现代制造技术的重要组成部分，晶硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆性材料广泛应用于微机，硬脆性材料的高精度三维精细加工技术成为世界各国制造业的重要研究课题。 目前适用于硬脆性材料加工的手段主要是光刻加工、电火花加工、激光加工、超声波加工等特殊加工技术。 超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，不依赖于材料的导电性和热物理作用，能够加工出比光刻加工更高长宽比的三维形状，决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆性材料的加工中具有独特的优势。 东京大学生产技术研究所增泽研究室合理解决了微细工具的制作成功和微细工具的卡盘、工具的旋转精度等问题，使超声波加工成为微细加工技术成为可能。前景：近几十年来，超声波加工技术发展迅速，在超声波振动系统、深孔加工、拉丝和型腔研磨、超声波复合加工领域有着广泛的研究和应用，特别是在难加工材料领域解决了许多重要技术问题，取得了良好的效果。 此外，超声波加工技术在迅速发展的汽车工业中应用非常广泛，目前主要用于