超声波加工技术

超声波加工技术1超声波加工技术|2014/3/8超声波加工技术绪论人耳能感受到的声波频率在20—20000HZ范围内，声波频率超过20000HZ被称为超声波。超声波加工（UltrasonicMachining简称USM）是近几十年来发展起来的一种加工方法，它是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工的方法，或利用超声振动的工具在有磨料的液体介质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来去除材料，又或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。它弥补了电火花加工的电化学加工的不足。电火花加工和电化学加工一般只能加工导电材料，不能加工不导电的非金属材料。而超声波加工不仅能加工硬脆金属材料，而且更适合于加工不导电的硬脆非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等。同时超声波还可用于清洗、焊接和探伤等。超声波加工的基本原理图1超声加工的原理图2超声波加工技术|2014/3/8超声波加工的原理如上图1所示，超声波发生器7产生的超声频电振荡通过换能器6产生20000Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆4把振幅放大到0．05～0．1mm左右，从而使工具1的端面作超声频振动。在工具1和工件2之间注入磨料悬浮液3，当工具端面迫使磨料悬浮液中的磨粒以很大的速度和加速度不断的撞击、抛磨被加工表面时，把被加工表面的材料粉碎成很细的微粒，从工件上剥落下来。虽然每次剥落下来的材料很少，但由于每秒钟撞击的次数多达20000次以上，所以仍有一定的加工速度。与此同时，当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工件液体内形成很多微空腔；当工具端面又以很大的加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，从而强化加工过程。此外正负交变的液压冲击也使悬浮磨料的工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨粒及时得到更新。由此可见，超声波加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声波空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。超声波加工的特点1）适合于加工各种硬脆材料。既然超声波加工是基于微观局部撞击作用，所以材料越是脆硬，受撞击作用所遭受的破坏越大，愈适应超声波加工。例如玻璃、陶瓷、石英、石墨、玛瑙、宝石等材料，比较适合超声波加工。相反，脆性和硬度不大却具有韧性的材料，由于具有缓冲作用而难以采用超声波加工。因此，选择工具材料时，应选择既能撞击磨粒，又不使自身受到很大破坏的材料，例如不淬火的45钢等。2）由于工具材料较软，易制成复杂的形状，工具和工件又无需做复杂的相对运动，因此普通的超声波加工设备机构简单。但若需要加工较大而复杂精密的三维机构，可以预见，仍需设计和制造三坐标数控超声波加工机床。3）由于去除加工材料是靠极小磨粒瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度aR值可达1.0—0.1m，加工精度可达0.01—0.02mm，并可加工细小结构和低刚度的工件。超声加工技术的应用3超声波加工技术|2014/3/8目前超声加工主要应用于：超声切削加工、超声磨削加工、超声光整加工、超声塑性加工、磨料冲击加工、超声焊接等，随着超声加工研究的不断深入，它的应用范围还将继续扩大。超声振动切削日本学者隈部淳一郎在20世纪50－60年代首先发表了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了研究，20世纪70年代中叶，到振动车削、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，并在生产中得到推广应用。日本学者采用低频率（3000－5000Hz）振动切削方法，并用于切削纤维型材料（如金属短纤维）。程雪利等人在对超声振动切削SiCp/Al复合材料的刀具磨损进行研究中，分别采用了超声切削和普通切削两种方式对SiCp/Al复合材料进行了车削试验，研究了切削参数对硬质合金YG6刀具磨损的影响规律，并在同等条件下与聚晶金刚石(PCD)刀具进行了对比。研究发现，超声切削的刀具磨损量要小于PCD刀具的磨普通切削的刀具磨损量；超声切削时，损量约为YG6刀具磨损量的1/10，这点和普通切削十分相似。丁黎光、李建光在超声振动切削夹片的应用研究中，利用振动切削机理，针对锚具夹片精加工存在的问题，研究将超声振动切削用于夹片加工。实验分析表明，该方法不仅保证了加工质量，还可提高加工效率、减轻劳动强度和降低产品成本等。马春翔、胡德金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。随着科学技术的发展和进步，超声波振动切削作为一种新技术正在逐步渗透到各个领域，对超声波振动切削的研究和开发也越来越受到人们的普遍重视。显然，加强对超声波振动切削技术的研究、推广和应用，对提高机械制造业的加工水平和加快新产品开发具有十分重要的意义。超声磨削加工超声磨削加工是一种复合特种加工过程，其利用工件的脆性，使电镀金刚石的工具磨头以超声频（20kHz左右）和一定的振幅（20μm或更大）振动，并加以高速旋转，4超声波加工技术|2014/3/8通过磨削液中的磨粒对工件进行高速撞击、超声空化、电镀金刚石砂轮磨粒的磨削，达到材料去除的目的。其优点是加工效率高，缺点是加工变质层较深。日本学者对传统无心磨削进行改进，提出一种超声辅助磨削的加工方法——超声制动无心磨削。该方法是利用带超声振动的制动块端部产生椭圆形轨迹对工件旋转速度进行控制和支撑，能加工出直径小于100μm和大长径比的圆柱形件。于思远等人做了超声磨削加工工程陶瓷小孔的实验研究，李瑜等人在对纳米ZrO2陶瓷二维超声磨削温度影响因素分析中，采用了人工热电偶法，通过普通磨削和二维超声振动磨削的对比实验，回归分析了磨削深度、砂轮速度、工作台速度等磨削参数对纳米ZrO2陶瓷磨削温度的影响。另外，对纳米ZrO2陶瓷这种非线性材料的磨削加工进行有限元仿真，比较实验测量数据与仿真结果，确定了仿真分析对实际情况的指导作用。目前，许多学者在对工程陶瓷加工技术进行研究，而以超声磨削技术研究为最多。超声磨削技术加工能有效抑制砂轮堵塞，因此可使用普通的金属结合剂砂轮，这可减少金刚石砂轮的消耗，降低成本。超声振动磨削最显著的特点是加工效率比普通磨削高一倍以上：一是可采用较大磨削用量；二是明显减少了砂轮修整时间。因而利用超声振动磨削技术加工工程陶瓷具有广阔的研究和应用前景。超声光整加工超声光整加工的应用目前包括超声珩磨、超声珩齿、超声抛光、超声研磨、电火花超声复合加工、超声强化等等。已有研究证明：将电解加工、机械研磨及超声加工相复合形成一种新型的光整加工技术——电化学超精密研磨，选取适当的工艺参数进行光整加工，可以获得表面粗糙度Ra0.025μm，效率较普通研磨提高10倍以上。祝锡晶、王爱玲等人采用超声珩磨在发动机缸套光整加工中的应用研究中发现，由于普通珩磨导致油石堵塞，加工效率低，尤其是在珩磨铜、钛合铝、金等韧性材料管件时，油石极易堵塞，从而导致油石寿命的过早结束，零件加工表面质量差，加工效率很低。而采用的新型特种加工方法——超声珩磨技术，相对普通珩磨具有珩磨力小、珩磨温度低、精度高、表面质量高及油石磨损小、效率高等特点。丁金福等人在对超声振动的挤滚压光整加工变幅特性分析及应用中得出，利用超声振动挤滚压装置以车削式加工方法代替磨削及抛光两道加工工序，极大地提高了生产效率，降低了生产成5超声波加工技术|2014/3/8本，并在一定程度上达到了表面强化的效果，对提高工件表面强度、耐磨性及耐蚀性起到了积极的作用。鉴于超声光整加工应用在解决韧性材料、硬脆材料加工问题上开辟了一条新的途径，具有广阔的应用前景。特别是超声珩磨加工工艺，能高效地加工出高精度、高表面质量、高耐磨性的缸套（尤其是薄壁缸套）对我国提升汽车、，拖拉机、摩托车等行业的加工水平大有益处。超声塑性加工超声塑性加工的独特优点，人们已在许多工艺中进行了超声应用研究，如管料拉拔、棒料拉丝、板材成形与深拉深、挤压成形、粉末成形、冲裁、镦铆等。其优点有：降低成型力、降低流动应力、减少磨具与工件间的摩擦、能获得较好的制品表面质量和高的尺寸精度。何勍、闻邦椿在研究超声塑性加工系统的非线性动力学模型中，分析了振动传输系统的动力学建模问题，建立了超声塑性加工非线性定解问题的数学模型。温彤、陈霞利用振动塑性加工及其在轻合金成形中的应用中得出，振动塑性加工是一项具有特色的材料成形技术。较之普通的塑性成形方法，它能够有效降低材料塑性变形所需的成形力、提高材料塑性变形极限并改善产品加工的质量。由于超声塑性加工能大幅度降低加工过程中的变形抗力并附带其他对产品有利的影响，其技术的经济意义是不言而喻的，超声塑性加工不但有利于普通金属材料的塑性加工，还有利于难加工材料的成形，如用于钛、镍等金属的拉拔。随着金属的特种塑性加工工艺的发展，超声塑性加工的理论及应用也在进行着自身的完善与演变。其他应用（1）磨料冲击加工磨料冲击加工是在工具和工件之间充满含有磨料的切削液，工具作超声频振动，使磨料反复加压和冲击加工表面，进行切削、压碎和研磨的加工。磨料冲击加工可用于硬脆材料的浅孔加工和切断，一般适用于对小面积（＜1000mm2）的加工，其应用范围有：①对半导体材料（锗和石英）的成形元件的切断和切槽，与普通加工方法相比，具有切除率高、精度高、裂纹少等优点；②对钕铁硼NdFeB材料（系合金永磁材料）6超声波加工技术|2014/3/8的切断；③在玻璃、淬硬钢和硬质合金上雕刻；④用陶瓷、金属和矿石等材料制造的喷丝头喷嘴的加工；⑤对宝石材料的切割和加工。（2）超声焊接超声焊接包括超声金属焊接和超声塑料焊接。超声金属焊接是在外接静压力作用下，在两个相互紧压在一起的金属表面分界面上，引入超声振动，经过一段时间，就能把它们焊接起来。其特点有：可进行点焊、连续焊、焊接速度快；超声焊接焊点强度高；金属超声焊接不需使用焊条，焊接区不通电，不直接对被焊金属加热；由于超声波发生器是功率电子线路，易于实现电气控制，能很好地和计算机配合进行焊接控制从而达到高精度的焊接，并且易于实现焊接的信息化与自动化。超声塑料焊接是将超声能转化为热能，使塑料局部熔化粘接在一起的一种焊接方法。其特点有：焊接时间短；无表面损坏；熔接部分以外的区域不发热；焊接前不需要任何前处理；焊接后能保证密封性；无需另行加工，能保证产品的一致性；操作简单，既能手工操作也能自动操作；省电，工作场所基本无异味，对环境基本无污染。目前超声焊接应用到医药、汽车、手机、建筑和包装等行业，除此之外，还研究超声焊接进行铆接、埋植、切割、成型、封口等。超声波加工的发展趋势和未来展望超声加工技术已经涉及到许多领域，在各行各业发挥了突出的作用，但有关工艺与设备的相关技术有待于进一步研究开发。（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，振动切削研究日益深入，主要表现在以下几个方面。a.研制和采用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。7超声波加工技术|2014/3/8b.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。c.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