超声加工技术的现状及发展趋势

1、超声加工技术的现状及发展趋势前言： 超声波加工是利用超声振动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，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振 动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声波加工 技术是一种涉及面广且更新快的机械加工技术。结合近年来超声加 工技术的发展状况，综述了超声振动系统的研究进展和超声加工技 术在深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、难加工材料的加 工、超声振动切削、超声复合加工等方面的最新应用，并阐述了超声加工技术的发展趋势。关键词超声波加工、超声振动、声复合加工、应用、发展、正文:1、超声振动系统的

2、研究进展及其应用超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。在传统应用中，超声振动系统大都采用一维纵向振动方式，并按“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实际应用的特殊需要，对振动系统的工作方 式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展。日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长 换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形， 上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器 （ 压电振子 ） ，其特点 是小型化，结构简单，刚性增强。日本还研制成一种新型“纵- 弯” 型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上

3、成功应用。该系 统压电换能器也采用半圆形压电陶瓷片产生“纵 - 弯”型复合振动。 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。东南大学研制了一种新型超声振动切削系统。该系统采用压电 换能器，由超声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、 支承调节机构及刀具等部分组成。当发生器输出超声电压时

4、，它将 使级联晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现超声振动。 该装置的特点是：能量传递环节少，能量泄漏减小，机电转换效率 高达90%左右，而且结构简单、体积小，便于操作。沈阳航空工业学 院建立了镗孔用超声扭转振动系统，采用磁致伸缩换能器，将超声 波发生器在扭转变幅杆的切向作纵向振动时在扭振变幅杆的小端就 输出沿圆周方向的扭转振动，镗刀与扭振变幅杆之间采用莫氏锥及 螺纹连接，输出功率小于500W频率为1623 KH z，具有频率自动 跟踪性能。西北工业大学设计了一种可在内圆磨床上加工硬脆材料 的超声振动磨削装置。该装置由超声振动系统、冷却循环系统、磨 床连接系统和超声波发生器等组成，其超声

5、换能器采用纵向复合式 换能器结构，冷却循环系统中使用磨削液作为冷却液；磨床连接系统由辅助支承、制动机构和内圆磨床连接杆等组成。该磨削装置工 具头旋转精度由内圆磨床主轴精度保证，结构比专用超声波磨床的 主轴系统要简单得多，因此成本低廉，适合于在生产中应用。另一种超声扭转振动系统已在“加工中心”用超声扭转振动装置上 应用。主要用作电火花加工后的模具异形 （ 如三角形、多边形 ） 孔和 槽底部尖角研磨抛光，以及非导电材料异形孔加工。该振动系统的 换能器采用按圆周方向极化的 8块扇形压电陶瓷片构成，产生扭转振 动。 2、 超声加工技术应用研究2.1 深 小 孔 加 工 众所周知，在相同的要求及加工条件

6、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直径，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，使排屑困 难，切削力增大等。其结果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值 增加，工具寿命短。采用超声加工则可有效解决上述问题。 前苏联在 20世纪 60年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。英国申 请了电火花超声复合穿孔的专利，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

7、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 超声振动磨削，进行了超声振动磨削和普通磨削陶瓷深孔的对比实 验。结果表明，超声振动磨削可明显提高陶瓷加工效率，能有效地 消除普通磨削产生的表面裂纹和凹坑，是陶瓷深孔精密高效加工的 新方法2.2 拉 丝 模 及 型 腔 模 具 研 磨 抛 聚晶金刚石拉丝模超声研磨抛光技术在国内外已获得广泛应用，新 的超声研磨抛光方法和设备已出现。北京市电加工研究所提出的 “超硬工具材料电火花超声波复合抛光方

8、法”，其特点是：采用超 声频信号调制高频电火花脉冲电源与超声加工复合进行聚晶金刚石 拉丝模研磨抛光。该技术已获得国家专利，并在生产中获得应用。哈尔滨工业大学针对目前模具光整加工难以实现高精度、高效率加 工的实际问题，将电解加工、机械研磨及超声加工相复合，提出了 一种新型的光整加工方法电化学超精密研磨技术，开发研制了 一种数控展成超精密光整加工的新工艺及设备。2.3 难 加 工 材 料 的 超 声 加 金属和非金属硬脆材料的使用越来越广泛，尤其是陶瓷材料，具有 高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、不易氧化、腐蚀等优 点。然而，由于工程陶瓷等难加工材料具有极高的硬度和脆性，其 成形加工十分困难，

9、特别是成形孔的加工尤为困难，严重阻碍了应 用推广。因此，国内外许多学者展开了对难加工材料加工方法的研 究，其中以超声加工较多。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态力作用下减小的 原因。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晶粒的错 位，而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕。巴西的研究人员对石英晶 体的超声研磨技术进行了研究，发现石英晶体的材料去除率取决于

10、晶体的晶向，研磨晶粒的尺寸影响材料去除率和表面粗糙度。研究 指出，加工过程中材料产生微裂纹是材料去除的主要原因。美国堪 萨斯州立大学提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率模型的计算 方法，并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中，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。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，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 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

11、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。天津理工学院对大理石超声精密雕刻 技术进行了研究，开发了大理石超声精雕系统。该系统解决了大理 石雕刻中微小异形表面高效精加工的难题，使大理石精雕质量和水 平跨上了新台阶。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。研究指出，研磨轨迹的增长和超 声振动脉冲力的作用是提高研磨效率的根本原因。淮海工学院对烧 结永磁体

12、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。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。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。2.4 超 声 振 动 切 削 超声振动切削作为新兴的特种加工技术，引起了国内外专家学者的 广泛兴趣和极大关注。最早对振动切削进行比较系统的研究、可以 称为振动切削理论与应用技术奠基人的是日本学者隈部淳一郎。他 在20世纪5060年代发表了

13、许多振动切削方面的论文，系统地提出 了振动切削理论，并成功地实现了振动车削、振动铣削、振动镗削、振动刨削、振动磨削等。随后美国也对振动切削进行研究，到20世纪70年代中叶，振动车削、振动钻孔、振动磨削、光整加工等 均已达到实用阶段，超声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，取得了一系列研究成果，并在生产中得到 推广应用。俄罗斯科学院和英国拉伯运大学对超声振动切削的非线性过程进行 了深入研究，利用流变模型对超声振动切削实验结果进行了理论解 释。通过对超声切削的动力学研究，得到了振动工具的非线性振幅 特性曲线，并讨论了超声振动切削的优越性及其应用领域。我国对振动切削的研究起步

14、稍晚。研究内容从振动切削实验到实际 工艺应用，从振动切削实验系统设计到对振动切削机理，范围较广 泛，内容较深入。东南大学在研究超声振动切削的刀具振动规律时得出：刀具与切削 的分离作用是振动切削最根本的特点，正是这一特点才使得刀尖每 次能以极大的加速度冲击工件进行切割。上海交通大学对超声椭圆振动切削技术进行了研究，阐述了超声波 椭圆振动切削原理和刀具椭圆振动系统，分析了超声波椭圆振动切 削运动特性，介绍了超声波椭圆振动切削的实际切削效果。 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 声振动钻削时的材料去除机理。兵

15、器工业五二研究所进行了超声振动车削与普通车削、磨削加工陶 瓷材料的对比实验研究。研究结果表明，振动车削可明显地提高陶 瓷加工表面的质量，有效地消除普通车削、磨削中形成的表面微裂 纹，因此是陶瓷精密加工的一种新方法。长春汽车工业高等专科学校采用超声振动切削方法对一汽变速箱厂 生产的一直齿齿轮的滚齿加工进行了工艺实验，通过生产现场各种 工艺参数实验及小批量试生产，收到了令人满意的效果，具有较好 的发展前景。2.5 超 声 复 合 加 工将超声加工与其他加工工艺组合起来的加工模式，称为超声复合加 工。超声复合加工，强化了原加工过程，使加工的速度明显提高， 加工质量也得到不同程度的改善，实现了低耗高效

16、的目标。电极的超声振动能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，使间隙充分消电离；间隙间很大的压力变化导致更有效的放电，这样就能从弧坑中去除更多融化的金 属 ， 使 热 影 响 层 减 小， 热 残 余 应 力 降 低 ， 微裂 纹 减 小 。山东大学机械工程学院对超声频间隙脉冲放电技术进行了研究， 并对工程陶瓷进行了加工实验，分析了该技术放电特性和加工特 性。结果表明，超声频间隙脉冲放电加工的加工效率高于普通电火 花加工的效率，而其加工表面粗糙度和加工形状精度接近于普通电 火花加工。南京航空航天大学进行了工件激振式超声复合电火花微细孔加工的 研究，它跟以往的超声电火花

17、复合加工的不同之处在于，通过工件 的微幅激振改善微细电火花加工工作液的循环，进而提高微细电火 花加工的脉冲利用率和微细孔加工的深径比。研究结果表明，工件 越薄，排屑越有利，加工速度提高的越快。研究者认为，这主要由 于工件激励后加工间隙内工作液中压力波剧变的冲击和扰动作用， 有助于改善电火花微细加工的排屑条件，提高放电脉冲的利用率， 使加工速度及微细孔电火花加工的深径比得到提高。 三、超声加工技术的发展趋势和未来展望 1 、 超 声 振 动 切 削 技 术 随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动切削技术的应用日 益广泛，振动切削研究日趋深入，主要表现在以下几个方面。(1) 研 制 和 采 用

18、 新 的 刀 具 材 料 在现代制造业中，钛合金、纯钨、镍基高温合金等难加工材料所使 用的范围越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高。为了更 好地发挥刀具的效能，除了选用合适的刀具几何参数外，在振动切 削中，人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与研究上，其中 天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用 为主要方向。(2) 研 制 和 采 用 高 效 的 振 动 切 削 系 统 现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高，因 此，期待实用的大功率振动切削系统早日问世。到目前为止，输出 能量为4 kW 的振动切削系统已研制出来并投产使用。在日本，超声 振动切削装置通

19、常可输出功率1 kW,切削深度为0.010.06 mm。对 振 动 切 削 机 理 深 入 研 究 当前和今后一个时期对振动切削机理的研究将主要集中以下几个方 面： 在振动切削状态下工件材料是如何与工件分离并形成屑的。 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 及 数 学 描 述。 超声椭圆振动切削的研究与推广 超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英 国、德国和新加波等国的大学以及国内的北京航空航天大学和上海 交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺公司 等已开始这方面的实用化研究。但是，超声波椭圆振动切削在理论 和应用方面还

20、有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削 加工、微细部位和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步 研究。(5)超 声 铣 削 加 工 技 术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。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，解决了传统超声加工中工具损耗严重且不能在线补 偿的难题，使加工带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

21、供了有力的技术支持。声复合加技术目前，超声波、电火花、机械三元复合加工技术的研究较快的发 展。哈尔滨工业大学利用超声波、电火花、磨料复合加工技术对不 锈钢进行加工，解决了电火花小孔加工中生产率和表面质量不能兼 顾的矛盾，具有较好的应用前景 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，光整加工工序对模具质 量影响很大，但目前该工序在很大程度上仍依赖手工完成，严重制 约了模具加工技术的发展，是一个亟待解决的关键技术问题。超声 电解磨粒复合加工技术是一项新的复合加工技术，能较好地适用于 形状复杂的模具型腔光整加工。但尚有许多方面的内容有待进一步 研究，特别是各主要加工因素对加工表面粗糙度的影响以及表面金 属的去除机理等在微小三维型面的加工中，利用简单形状电极、基于分层制造原理 的微细电火花铣削技术正在受到重视，但该工艺加工效率偏低，同 时由于其加工精度主要依赖于电极损耗的轴向补偿，而电极损耗的 轴向补偿量则直接取决于电极损耗率，提高微细电火花铣削的加工 效率和稳定性是一个重要的课题。哈尔滨工业大学提出了超声辅助 分层去除微细电火花加工技术，电极轴向的小幅超声振动对活化极 间状态、拉大极间间隙、增加排屑能力、提高有效脉冲利用率和放 电稳定性等起到了极为重要的作用，因此该技术能改善微细电火花 铣削