特种加工综述

超声加工技术的综述

学校：南京工程学院 院系：工业中心 班级： 学号： 姓名：郭志松 D数加工103班 231100319

前言 .................................................................................................................................................. 3

超声波概述 ............................................................................................................................... 3

超声波具有如下几种主要性质： ................................................................................... 3

一、超声加工技术的发展 ............................................................................................................... 4 二、超声加工技术的现状评述 ....................................................................................................... 5 三、超声加工技术的发展前景预测 ............................................................................................... 5 1、超声振动切削技术..............................................................................................................5 2、超声复合加工技术..............................................................................................................6 3、微细超声加工技术..............................................................................................................6 总结....................................................................................................................................................7

前言

本文通过对超声加工的介绍，阐述了超声加工作为新生的特种加工方法对人类生产和生活的影响，得出了超声加工的不断发展将在未来的机械加工中占有一席之地、、、、、、

超声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。几十年来，超声加工技术的发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。

超声波概述

“超声波”这个名词术语，用来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz以上的所有频率。超声波的上限频率范围主要是取决于发生器，实际用的最高频率的界限，是在5000MHz的范围以内。在不同介质中的波长范围非常广阔，例如在固体介质中传播，频率为25kHz的波长约为200mm；而频率为500MHz的波长约为0.008mm。 超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播。由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振以及损耗等现象更显著。在不同的介质中，超声波传播的速度c亦不同，例如c空气=331m/s；c水=1430m/s；c铁=5850m/s。速度c与波长λ和频率f之间的关系可用下式表示： λ=c/f

超声波具有如下几种主要性质：

1、超声波能传递很强的能量； 2、超声波的空化作用；

3、超声波的反射、透射、折射； 4、超声波的衍射；

5、超声波的干涉和共振。

一、超声加工技术的发展

1927年，美国物理学家伍德和卢米斯最早作了超声加工试验，利用超声振动对玻璃板进 行雕刻和快速钻孔。但当时超声加工并未应用到工业上，直到大约1940年在文献上第一次出现超声加工（USM－Ultrasonic Machining）工艺技术描述以后，超声加工才吸引了大家的 注意，并且逐渐融入到其他的工业领域。1951年，科恩研制了第一台实用的超声加工机，为超声加工技术的发展奠定了基础。USM提供了比常规机械加工技术更多的优点。例如，导电和非导电材料它都可以加工，并且加工复杂的三维轮廓也可以像简单形状那样快速。此外，超声加工过程不会产生有害的热区域，同时也不会在工件表面带来化学电气变化，而且加工时在工件表面上所产生的有压缩力的残余应力可以增加被加工零件的高周期性疲劳强度。然而，在USM中必须供给磨料工作液，并且要保证加工过程中能有效清除刀具和工件 间隙中的切屑和磨损磨粒。因此，材料的去除速率相当慢，甚至于在切削深度较大时会停止 工作。而且，在磨粒及切屑混合液的流通过程中，对已加工表面或者孔壁会造成二次磨蚀， 导致工件加工精度的降低，尤其是小孔加工。此外，磨料工作液还会磨蚀刀具本身，它将引起刀具端面及径向的大量磨损，从而很难保证加工精度。为了克服这些问题，PLegge提出采用固结金刚石刀具，结合工件的旋转进行孔加工的方法，形成了最初的旋转超声加工。这种加工方法克服了普通超声加工中游离超硬磨料液在刀具和工件之间流通不畅，以及磨料对加工刀具和加工孔壁的磨蚀等问题，同时使加工精度和材料的去除率得到了显著提高。后来研制了一种具有旋转超声振动系统的超声加工机床，固结式金刚石刀具以一定的静压力作用到工件材料上，并以一定振幅作轴向超声频振动，同时还作相对于工件的高速旋转运动，并且冷却液不断地被输送到刀具和工件表面之间，这种方法已被证实是一种高效低成本的硬脆性材料加工方法。因此，旋转超声加工技术一直倍受各国研究学者的关注。英、美、苏、德、日和中等国家己对超声旋转加工设备的研制以及工艺方法作了一些研究。当前，旋转超声加工技术的应用范围，已由最初的旋转超声孔钻削加工，扩展到旋转超声磨削加工、旋转超声平面铣削加工等加工方式。通过对超声加工刀具与工件间运动学关系的分析以及对加工工件表面质量和刀具磨损等方面的研究，大家普遍认为旋转超声加工的机理主要包含以下几个相互作用的因素：刀具头上金刚石磨料在超高加速度下对工件材料表面的锤击作用，致使工件的局部应力远远超过材料的断裂极限，这种应力使材料表面产生压痕，导致微细裂纹的产生、扩展，最终形成微观局部破碎去除；同时，金刚石刀具相对于工件材料的高速旋转，使得嵌入工件表面的磨粒在工件表面上划擦、磨抛以及撕扯工件材料，这种磨抛作用大大加速了微裂纹的扩展，造成了材料的宏观破碎去除。A.I.Markov，D. Prabhakar 和Z.J . Pei等人先后推导出基于脆性断裂去除模式的旋转超声钻削中材料去除率理论模型。后来Z . J . Pei等人研究发现在旋转超声钻削先进陶瓷中，材料的去除机理包括脆性去除和塑性去除，于是在1998 年提出了基于塑性变形去除模式的旋转超声钻削中材料去除率理论模型。此外，超声加工中工作液受刀具端面超声振动作用而产生高频、交变的正负液压冲击波和空化作用，促使工作液进入被加工材料的微裂缝，加剧了机械破坏作用，加工过程得到加强。而且，超声空化爆破作用和刀具的旋转运动使碎屑始终处于运动状态，同时阻止了碎屑的沉积过程，促进了碎屑在工作液中流动，加速了碎屑的排出，推进了加工的进行。上述几个加工机理的相互促进和综合作用，大大地提高了材料的去除率。

二、超声加工技术的现状评述

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。 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，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16～23 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。

三、超声加工技术的发展前景预测

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。

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