超声加工及振动切削

1、3.3 超声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 超声加工（USM）又称为超声波加工。超声波是指频率超过人耳频率上限的一种振动波，通常频率在16kHz以上的振动声波就属于超声波。其特点是频率高、波长短、能量大，传播过程中有显著的反射、折射、共振、损耗等现象。超声加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤,3.3 超声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 3.3.1.1 超声加工的基本原理和加工装置 （1）超声加工的基本原理 超声加工是利用超声波作为动力，带动工具作超声振动，通过工具与工件之间加

2、入的磨料悬浮液（工作液与磨料的混合液）冲击工件表面而进行加工的一种成形方法,3.3 超声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 3.3.1.1 超声加工的基本原理和加工装置 （1）超声加工的基本原理 超声加工的原理如图3-17所示,1、15-工件 2、13-工具头 3-冷却水人口 4-换能器 5-励磁线圈 6-银钎料接缝 7-谐振支座 8-冷却水出口 9、12-变幅杆 10-磨料射流 11-磨料悬浮液14-磨料粒子 16-工件材料碎粒,3.3 超声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 3.3.1.1 超声加工的基本原理和加工装置 （2）超声加工装置 一般超声加工装置的基本组成都包括超声发生器、超

3、声振动系统、机床本体和磨料工作液循环系统等。除了有能将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频振荡、为加工提供能量的超声发生器以外，超声振动系统也是加工装置的关键部件。 超声振动系统一般由换能器、变幅杆及工具组成（如图3-17所示,3.3 超声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （1）超声加工的主要特点 1）适应范围广。超声加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料。 2）因脆性和硬度不大的材料对超声振动有缓冲作用，因此工具可用较软的材料做成较复杂的形状，使机床运动简化，机床结构,3.3 超

4、声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 3.3.1.2 超声加工的特点和应用 简单，操作维修方便。 3）超声加工时，工件表面宏观切削力较小，使得切削应力、切削热较小，不会引起变形和表面烧伤等质量问题，因此其加工精度和表面质量较高，如超声加工孔的尺寸精度可达 0.010.02mm，甚至更高，表面粗糙度值一般可达Ra1.60.1m。 4）超声加工生产效率一般较低,3.3 超声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 超声加工虽然生产率比电火花和电解加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比它们好，而且材料的加工范围广，因此应用也比较广泛，常常作为

5、电火花等加工后的抛光和光整加工。图3-18为超声加工的几种应用。图3-19为一种电解加工与超声磨削相结合的复合加工方法示意图 ，其加工速率比单独用超声加工快8倍之多。近年来，超声加工与其他加工方法相结合而进行的复合加工方法发展迅速，除超声电解加工外，还有超声电火花加工、超声调制激光打孔、超声振动切削加工（如图3-20所示）等，它们使加工精度、表面质量和生产率得到了综合提高,3.3 超声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 图3-18 超声加工的应用,3.3 超声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 3.3.1.2 超声加工的特点和应用

6、 （2）超声加工的应用 图3-19 超声电解复合加工,1-电解液槽 2-振动头,3.3 超声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 图3-20 超声振动切削,1-车刀 2-换能器 3-变幅杆 4-工件,3.3 超声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 1）采用刀具的超声振动孔加工 该加工方法的超声波振动方向有两种，即与进给方向一致的超声纵振（图a）和与切削方向一致的扭振（图b）。超声纵振孔加工又可分为刀具振动和工件振动两类。虽然振动体不同，但它们刀具与工件的相对振动都是轴向的，

7、因此加工效果基本一致。超声纵振孔加工的主要特点有： 生产率高，特别对于难加工材料， 生产率比普通钻削高23倍； 不需退刀排屑，易实现机械化； 加工精度和表面质量的很大提高， 表面粗糙度值可达Ra0.8m，而且不 出现毛刺； 可降低切削温度,3.3 超声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 超声扭振孔加工一般是将超声振动于刀具上，振动方向与切削方向一致。这种孔加工机构复杂，制造困难，但效果较好。超声扭振孔加工的主要特点是： 易实现机械化，不需退刀排屑，适应于加工细长深孔； 切削力小； 表面质量高,3.3 超声加工及振动切削,3.3.1

8、超声加工 3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 2）孔的超声光整强化 这是一种新型的孔加工方法，主要是对孔进行精加工，目前正处于研究之中,3.3 超声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 超声孔加工技术是一种先进的孔加工技术，但由于影响因素很多，在许多方面仍不完善，其应用受到限制。要全面推广超声孔加工技术，应注意下述问题： 完善带磨料孔加工设备，扩大其应用范围，并使其系列化、标准化,3.3 超声加工及振动切削,3.3.1 超声加工 3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 努力解决用刀具超声振动

9、孔加工时出现的崩刃及断刀问题，寻求合适的刀具材料、振动频率、振幅、进给量等工艺参数间的关系； 进一步探索超声一机械光整强化工艺参数，提高现场加工的稳定性； 深入研究超声一机械光整强化孔加工机理,3.3 超声加工及振动切削,3.3.2 振动切削,振动切削是在普通切削加工的基础上，人为地给刀具或工件施加一个有规律的振动，改变了刀具和工件之间的瞬时运动关系，使切削过程在动态下进行的一种复合加工方法。从频率方面把振动切削分为高频振动切削（超声波振动）和低频振动切削两种,3.3 超声加工及振动切削,3.3.2 振动切削 （1）振动切削原理 振动切削加工是在刀具或工件上附加一定可控的振动，使加工过程变为间

10、断、瞬间、往复的微观断续切削过程。振动切削方法首先由日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授于60年代提出的。目前，在日本、中国、俄罗斯、德国、韩国、印度、美国、奥地利、英国等开展了广泛的研究与生产应用,3.3 超声加工及振动切削,3.3.2 振动切削 （1）振动切削原理 振动切削理论是在切削过程中加入了超声振动。由工业金刚石颗粒制成的铣刀、钻头或砂轮，在加工过程中对零件表面进行20000次/秒的连续敲击，即使是高硬材料，在如此高频的振动敲击下，一个很小的切削力也可将其瓦解，如图3-22所示。当然，振动切削机床 的进给力还是很大的，因 此在振幅的最高点，附在 刀具上的金刚石颗粒以撞 击方式将零件表面材料

11、以 微小颗粒形式分离出来,3.3 超声加工及振动切削,3.3.2 振动切削 （1）振动切削原理 这种加工方式的效率要比传统方式提高5倍，零件表面光洁度Ra0.2m，可加工0.3mm的精密小孔，切削温升低。故可保护刀具及延长寿命。 振动切削的应用解决了我国飞机起落架、涡轮盘、薄壁件等国防关键制造难题，降低废品率带来上千万元的经济效益,3.3 超声加工及振动切削,3.3.2 振动切削 （2）振动切削现象及效果 因振动切削机理与普通切削不同，使其具有如下现象及效果。 1）切削抗力显著降低。 2）加工精度明显提高。 3）切削温度显著降低。 4）切削过程比较顺利。 5）加工表面质量可以得到改善,3.3 超声加工及振动切削,3.3.