旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

徐超亮，湯曉華

（北京工商大學(xué) 材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048)

0 引言

旋轉(zhuǎn)超聲加工是集傳統(tǒng)金剛石磨削加工和超聲加工于一體的復(fù)合加工技術(shù)，是加工硬脆材料的一種有效加工方式[1]，刀具隨主軸做高速旋轉(zhuǎn)的同時沿著軸向做超聲頻振動。材料的去除主要依靠傳統(tǒng)超聲加工和磨削加工的復(fù)合，具有加工精度高、切削力小以及加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，是加工硬脆材料比較理想的方法。

1 旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的發(fā)展歷程

旋轉(zhuǎn)超聲加工原理如圖1所示[2]，1927年，美國物理學(xué)家伍德（R W.Wood）和盧米斯（A.E Loomis）做了超聲加工試驗(yàn)，利用超聲振動對玻璃板進(jìn)行雕刻和快速鉆孔。1951年，美國的科恩（Koln）制成第一臺實(shí)用的超聲加工機(jī)[3]。1964年，英國人Legge 提出使用燒結(jié)或電鍍金剛石刀具的旋轉(zhuǎn)超聲加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時加工速度低和精度差的缺點(diǎn)。在70年代中期，美國在超聲鉆中心孔、聲光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已處于生產(chǎn)應(yīng)用階段。超聲車削、鉆孔、鏜孔、已處于試驗(yàn)性生產(chǎn)設(shè)備原形階段；通過超聲振動切削系統(tǒng)已供工業(yè)應(yīng)用，目前已形成部分標(biāo)準(zhǔn)[4]。

我國超聲加工的研究始于20 世紀(jì)50年代末。20 世紀(jì)60年代，中國成功研制了超聲振動加工深小孔的機(jī)床，1973年，上海超聲波電子儀器廠研制了CNM-2 型超聲研磨機(jī)。1984年，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所成功研制了超聲旋轉(zhuǎn)加工樣機(jī)，該樣機(jī)功率為400W，工作頻率為7～22kHz，加工精度為：圓柱度0.03mm，圓度＜0.005mm[5]。清華大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出了完全數(shù)控化的旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床，其數(shù)控系統(tǒng)由Z軸進(jìn)給控制、旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制、自動頻率跟蹤控制等功能模塊組成[6]。天津大學(xué)也在旋轉(zhuǎn)超聲加工方面做出了很多研究[7]，對機(jī)床進(jìn)行了模塊化設(shè)計研究。河南理工大學(xué)研究設(shè)計了旋轉(zhuǎn)超聲銑頭裝置，該裝置作為立式數(shù)控銑床的一種附件，可安裝在立式數(shù)控銑床上，方便裝卸[8]。

圖1 旋轉(zhuǎn)超聲加工原理圖Fig.1 Principle of rotary ultrasonic machining graph

2 旋轉(zhuǎn)超聲加工的研究現(xiàn)狀

（1）美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)對氧化鋁陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術(shù)進(jìn)行了研究[9]。研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊力會引起陶瓷材料的結(jié)構(gòu)變化和晶粒錯位，而高沖擊力會導(dǎo)致產(chǎn)生中心裂紋和凹痕。

（2）美國堪薩斯州立大學(xué)提出一種旋轉(zhuǎn)超聲加工陶瓷材料去除率模型的計算方法[10]，確定了材料去除率和加工參數(shù)之間的關(guān)系。該研究大大推動了陶瓷材料旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的發(fā)展。

（3）巴西的研究人員對石英晶體的超聲研磨技術(shù)進(jìn)行了研究[11]，發(fā)現(xiàn)石英晶體的材料去除率取決于晶體的晶向，研磨晶粒的尺寸影響材料去除率和表面粗糙度。

（4）德馬吉的超聲波加工設(shè)備是目前最先進(jìn)的加工設(shè)備之一，最近提供了適應(yīng)各種工件尺寸和加工任務(wù)的高速切削技術(shù)以及五軸聯(lián)動高速超聲加工中心，其中包括：①HSC20linear 緊湊型高速加工中心，其特點(diǎn)是緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計，輪廓精度和準(zhǔn)確性高，表面質(zhì)量可達(dá)＜0.2μm；自動換刀；②HSC20linear 高速精密加工中心，其特點(diǎn)是：所有軸全部采用高動態(tài)性能和高精度直線驅(qū)動技術(shù)，標(biāo)配28000r/min 高速切削主軸HSK-A63，切削性能高，刀具使用壽命長，成本低，表面質(zhì)量高[12]。

（5）大連理工大學(xué)提出了基于分層去除技術(shù)的超聲銑削加工方法[13]，研制了超聲數(shù)控銑削機(jī)床，開辟了利用超聲加工技術(shù)數(shù)控加工工程陶瓷零件的途徑。基于分層去除思想的超聲銑削加工技術(shù)，解決了傳統(tǒng)超聲加工中工具損耗嚴(yán)重且不能在線補(bǔ)償?shù)碾y題。

（6）河南理工大學(xué)對納米復(fù)相陶瓷二維超聲磨削進(jìn)行了加工表面粗糙度的特征性研究，二維超聲振動磨削大大擴(kuò)展了復(fù)相陶瓷磨削的塑性加工區(qū)域[14]。

3 旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的發(fā)展趨勢

旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)正在向高精度、微細(xì)化方向發(fā)展，有望成為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的有力補(bǔ)充[15]。旋轉(zhuǎn)超聲加工的研究日益深入主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)理的探討[16]。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，概括為：①超聲振動的錘擊作用；②金剛石刀具的磨拋?zhàn)饔茫虎鄢暱栈饔茫坏沁@些都只是在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上做出的定性研究[17]，能夠給出定量分析和具體數(shù)值計算的結(jié)論并不多見，通過計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，對加工材料去除量和表面應(yīng)力分布進(jìn)行計算，從定量方面研究分析超聲機(jī)理，將是今后的一個重要研究方向。

（2）超聲機(jī)頭振動系統(tǒng)的研究[18]。旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)頭是旋轉(zhuǎn)超聲加工的核心和關(guān)鍵部件，超聲加工要求工具端面具有比較高的振動頻率或位移振幅，在機(jī)頭設(shè)計中，換能器與變幅桿之間、變幅桿與工具桿之間存在分界面，需要進(jìn)行連接，各桿之間一定要緊密連接，消除間隙，否則會影響超聲振動系統(tǒng)能量的定向傳遞，造成能量損失。所以對超聲機(jī)頭振動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，是旋轉(zhuǎn)超聲加工研究中至關(guān)重要的工作。

（3）研制和采用新的刀具材料[19]。為了更好地發(fā)揮刀具的效能，除了選擇合適的刀具幾何參數(shù)外，在振動切削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)向刀具材料的開發(fā)與應(yīng)用上，其中金剛石和超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應(yīng)用為主要方向。

（4）旋轉(zhuǎn)超聲加工表面質(zhì)量研究。相對于傳統(tǒng)超聲加工，旋轉(zhuǎn)超聲加工能夠獲得更好的工件表面質(zhì)量，主要表現(xiàn)在表面粗糙度更低，表面光整度更好。但不同的加工工藝參數(shù)對旋轉(zhuǎn)超聲加工表面質(zhì)量又有著不同的影響，如轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度、磨料粒度、超聲功率等。如何從各組不同的工藝參數(shù)中得到一組最優(yōu)解，也是今后的一個研究熱點(diǎn)。

4 結(jié)束語

旋轉(zhuǎn)超聲加工作為加工硬脆材料的新型復(fù)合加工方式，將是今后一個重要的研究方向。隨著高新科技的發(fā)展，一些新型復(fù)合材料的出現(xiàn)以及加工需要必將推動和促進(jìn)旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的發(fā)展，特別是上述研究熱點(diǎn)問題的解決，將促進(jìn)旋轉(zhuǎn)超聲加工在國防、航空、醫(yī)療、汽車電子等領(lǐng)域的應(yīng)用。展望未來，旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景是可觀的。

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