先进制造——超声研磨技术

超声研磨加工技术摘要：本文介绍了一种基于新加工原理的先进超精密研磨技术——超声研磨。

首先简要介绍了磨削技术的发展现状并通过加工模型简述了其加工原理；然后从加工工艺及加工设备等方面阐述了其加工特点；最后以其在模具行业的应用为例，从加工设备、工艺分析等方面进行了简要分析。

关键词：超声加工；超声研磨；超精密加工；先进制造技术0、引言随着汽车、航空航天等行业的发展，陶瓷、玻璃、硬质合金等材料应用日益广泛。

这些材料硬度高、零件形状复杂、加工精度高，传统的磨削方式难以满足要求[1]。

超声研磨不仅能加工脆硬金属材料，而且能加工玻璃、陶瓷、半导体等不导电的非金属脆硬材料，特别适合电火花加工或铣削加工表面的研磨，对电火花线切割加工表面的软化层和电火花成型加工表面的硬化层均能快速研磨，改善其表面质量。

1、研磨技术现状相对于传统的研磨技术而言，目前，一些基于机械作用、机械—化学作用的超精密研磨技术以及液面研磨抛光技术的研究应用[2]，在超精密磨削方面取得了不错的效果。

其中基于机械作用的弹性发射加工（EEM）兼有研磨和抛光的优点具有光明的发展前景。

然而，这些加工方法存在对加工设备及条件有特殊的要求；难以控制加工精度、表面质量等问题，如基于机械作用的弹性发射加工，需要高速高精度回转轴等，所以在实际应用中受到限制，达不到高的技术经济效果。

超声波研磨是功率超声在材料加工方面的一种重要运用，是一种非接触超精密研磨方法，具有加工表面质量高、精度高、切屑易处理、能很好地解决难加工材料、非金属材料、表面质量要求高的零件加工问题等一系列优点，如今已成为一种新型的先进制造加工技术。

2、超声研磨原理2.1超声研磨理论模型分析超声研磨是超声加工技术的一种特殊应用[3]，其基于传统研磨加工原理，在研磨工具上附加以超声振动，工具与工件间的磨料在结合传统研磨加工运动和超声高频振动共同作用下，不断滑擦、磨削加工表面，以实现材料去除的目的，图1为超声研磨原理模型。

图1 超声研磨原理模型研磨工具的端面和工件表面保持一固定的间隙，在其间充以微细磨料工作液，当超声振动工具以一定的频率振动时，带动微细磨料冲击工件表面，从而对工件表面进行研磨。

当工作台作平面运动或曲面运动，即可对整个工件表面进行加工[4][5]。

超声研磨时，大量的磨料以与超声振动相同的频率、脉动式的冲击被加工表面，除去或改造工件表面原有的损伤层，并在其下面构成新的损伤层(即表面加工层)。

如果工艺参数(如超声发生器的功率，磨料的硬度、粒度，磨液浓度，间隙等)选择恰当，则可使新生成的损伤层更薄、更均匀，从而获得较佳的表面质量，实现超精密加工，理想的状况是获得接近无损伤的表面。

2.2超声研磨系统的关键超声研磨加工技术在加工质量、加工精度、加工效率等方面都较传统研磨加工有很大优势，其关键在于超声研磨振动系统的作用。

图2 超声研磨振动系统超声研磨振动系统如图2所示，主要由超声波电源、超声波换能器、超声变幅杆以及研磨工具四部分组成。

工作时，超声波电源发出高频振荡电信号，通过超声换能器将电信号转换成机械振动，再通过超声变幅杆将机械振动振幅放大，从而带动连接在超声变幅杆上的工具进行高频振动。

在超声研磨加工中，超声波在传播时主要以纵向振动为主，这样除了工具与工件之间的传统研磨运动外，还有一个高频纵向振动，这个高频振动是改善加工表面质量、提高加工效率的关键。

2.3去除材料机理超声研磨脆性材料和塑性材料的机理有所不同的[4]。

脆性材料的加工主要是依赖于表面层微裂纹扩展、生成，而使材料脆裂、脱落。

超声研磨时，在大量磨粒脉冲式冲击下，更有利于实现上述加工过程。

磨粒的冲击具有随机性，但对微观表面上凸起处冲击到的机率应高于凹下处，再因磨粒量大、粒小，对表面的加工是均匀而柔和的。

因而可以获得残余应力低、裂纹更微细更浅的高质量的加工表面。

塑性材料的加工则主要依赖于表面层的塑性变形，即通过材料的挤压和撕裂将金属从表面扯下来，其残余应力为拉应力。

超声研磨时，磨粒对工件表面主要起捣实的作用，类似于轻微的表面强化加工。

它可以消除工件表面前工序的加工痕迹，将表面残余应力由拉应力转变为压应力，这对大多数零件的使用性能是有利的。

3、超声研磨的特点声研磨是超声振功和机械研磨的复合加工工艺，相较于传统研磨方式而言，在工艺性能与加工设备方面都有自己的特点[6][7]。

3.1工艺性能特点1）能有效地提高研磨效率，特别是对淬硬的工件和电火花成型加工表面的研磨，其效果更为明显。

2）超声振动的作用降低了研磨阻抗，减轻了手工劳动强度，提高了工作效率，同时更能适应狭缝、窄槽的研磨。

在许多场合，如在玻璃上钻小孔或加工超薄工件时，超声研磨是一种值得选择的工艺或是唯一能够选择的工艺。

3）超声振动能防止烧结刚玉、电镀金刚石等磨具气孔堵塞，使其具有自刃性，而当使用游离的磨料时，能使磨料有效地搅拌，起到排屑的作用，从而提高了磨料的切削性能。

4）超声能量调节方便，调节超声能量就能调节工具的振幅，与磨具、磨料的选择相配合就能完成从粗研、精研直至抛光的整个研磨过程，可作为工件的最终处理工序，使工件获得较高的尺寸精度和微观几何形状精度，选取合适的超声研磨工艺参数，可以获得高精度的加工表面。

例如，研磨淬硬合金钢工件时，其最终表面粗糙度可达Ra0.1。

5）除了可以研磨碳素钢、合金钢等黑色金属之外，也可以研磨铜、硬质合金等有色或硬质材料，还可以研磨玻璃、水晶、玉石、大理石和陶瓷等非金属材料。

因此，不仅可应用于模具的加工，也可以用于工件的研磨、抛光和去毛刺。

6）工具头的形状并不是直接复印到工件表面，其它影响因素(如间隙、磨料粒度、浓度、进给速度等等)也较易控制，因而可获得精确的加工表面。

3.2加工设备特点1）设备结构简单，重量轻，体积小，耗能低，便于携带和维修，可获得较高的技术经济效益。

2）使用方便，因为操作方法类同于手工机械研磨，所以一般钳工经过短期训练就可操作。

3）工具来源广泛。

一般设备都配有电镀金刚石、刚玉油石、软金属片、木片和竹片等研具，除了电镀金刚石价格较贵之外，其它材料均比较容易得到。

特别是精研和抛光用的研具，操作者还可以自制。

4）应用广泛，可以加工各种脆性材料，也可以加工淬硬钢。

由于设备是手工澡作，更换工具就能完成不同型面的研磨和抛光，所以更能适应模具的异形型面的加工。

3.3超声研磨的不足1）由于受超声换能器和工具材质的限制，设备的功率不可能很大，因此，工具工作部分的截面也不能很大，所以只能解决模具抛光工序中的部分型面，如窄缝、筋槽等，不适宜用于大面积的研磨抛光。

2）由加工原理可知，超声研磨抛光效率同工具超声振动方向与加工表面的夹角有关，当两者相互垂直时，研磨效率很低，故在抛光型腔模底部时，还不能有效地发挥作用。

3）超声频率虽然超出了人耳可感觉的范围，但是在操作中工具与工件碰撞时会产生人耳可闻的噪声，这种噪声是不利于操作者和操作环境的，必须有防护的措施。

4）对变幅杆和工具的设计有严格的要求，在研磨过程中需适当修整工具的形状和长度。

4、超声研磨应用4.1模具的超声研磨抛光超声研磨最早应用于拉丝模模孔的精加工。

如今，随着精密、异形、低粗糙的模具日益增多，模具的研磨工序成为模具制造至关重要的环节之一。

为了提高工序和质量，一系列新的工艺应运而生。

超声研磨从简单的圆孔研磨发展到各种异形模具的研磨，如今已有多种型号、不同规格手持式超声研磨设备，在模具制造中广泛应用[8]。

4.1.1模具超声研磨设备超声波模具研磨抛光机，是一种常用于模具、玉石、高档工艺品、硬质合金件上的抛光小设备。

适用于窄小部位，如工艺品的复杂形状、模具的复杂型腔、窄槽狭缝、盲孔等其它抛光工具无法到达或无法高效工作的部位。

1、设备种类我国超声研磨抛光设备的开发速度较快，许多设备已经广泛应用，在模具加工中发挥着重要作用。

目市场的超声波抛光机，分为单一功能抛光机和复合功能抛光机两大类。

单一功能抛光机是指只具有超声波振动功能的抛光机，该类机器操作界面简单、价格较低，比较适适合单一需求的客户，如玉石抛光类、工艺品抛光类、极少量模具精抛类客户。

复合功能抛光机是指将超声波抛光与其它常见的模具处理工艺结合起来，即为复合式的超声波模具抛光机，是模具表面处理从业人员的必备便捷工具。

与火花工艺复合，则具有火花整形功能；与花纹工艺复合，则具有花纹功能；与强化工艺复合，则具有强化功能。

1—超声波发生器2—超声换能器3，4—变幅杆5—工具6—研磨悬浮液7—工件图3 YJCS超声波研磨抛光设备及原理图2、设备简介以目前运用较多的YJCS系列研磨抛光机为例介绍其主要结构，如图3所示YJCS超声波研磨机主要由超声波发生器、换能器和机械振动系统组成。

1）超声波发生器将50Hz的交流电转变成为具有一定功率输出的超声波电振荡。

2）换能器1—工具头2—内六角螺丝3—变幅杆4—换能器外壳5—连接插座6—连接线护套7—连接导线图4 超声研磨机换能器换能器结构如图4所示，它将电振荡变成机械振动，其工作情况的好坏，直接影响抛光效率。

有压电效应式和磁致伸缩效应式两种。

3）机械振荡系统主要有变幅杆和振动工具，变幅杆又叫振荡扩大器，将换能器出来的0.005~0.01mm振幅提高到0.01~0.1mm。

变幅杆的形式有：圆锥形、指数形和阶梯形等。

工具和变幅杆之间采用机械连接或胶合方式连接，工具沿轴向振动。

4）工具头工具头有研磨用工具头和放电用工具头之分。

研磨用工具头又有固定磨料式和游离磨料式两种。

图5 工具头振动方向与应用示意图固定式：金刚石油石、电镀金刚石锉刀、刚玉油石等。

主要用于粗抛光。

游离式：常采用硬木、竹片等材料，在研磨表面涂上研磨粉和工作液的混合剂，研磨粉一般为氧化铝或碳化硅等，工作液一般式煤油或水等，通过超声振动使磨料产生高速运动达到撞击零件表面的作用。

4.1.2抛光工艺分析1）抛光余量电火花加工后的模具型腔，进行超声波抛光的余量一般为0.02~0.04mm，特殊情况下抛光余量应小于0.15mm。

2）抛光速度抛光速度与抛光部位和使用工具头有关，用铜条放电7mm2/min；纤维油石研磨从Ra2.5~Ra0.5大于4cm2/min；铜条加研磨膏从Ra1~Ra0.2大于3cm2/min；竹片抛光从Ra0.3~Ra0.05大于2cm2/min；木片精抛从Ra0.05~Ra0.012大于2cm2/min。

3）抛光精度抛光精度不仅与操作者的熟练程度有关，还与工件原始表面粗糙度有关，所以对尺寸要求较高的工件，原始表面应有较低的粗糙度。

4）抛光方式模具研磨抛光一般经过粗研、细研、精研三个阶段。

粗抛：采用固定式磨料或180号左右的磨料进行；细抛：采用游离式磨料，粒度在W40左右；精抛：采用W5-W3.5粒度的磨料进行干抛，不加工作液。