现代特种加工技术的发展及超声波加工的应用

现代特种加工技术的发展及超声波加工的应用摘要：简述了现代特种加工技术的特点及发展趋势，并在本文中论述超声波加工的应用。

关键词：特种加工技术超声波加工超声复合加工0 引言自20世纪50年代以来，随着生产和科学技术迅速发展，很多工业部门，尤其是国防工业部门要求尖端科技产品向高精度、高速度、耐高温、耐高压、大功率、小型化等方向发展、对机械制造部门提出了需要解决各种难切削材料、各种特殊复杂表面和各种超精、光整或具有特殊要求零件的加工问题。

欲解决上述一系列工艺问题，仅仅依靠传统的切削方法很难实现，甚至根本无法实现。

工艺师们独辟蹊径，借助各种能量形式，探寻新的工艺途径，于是各种异于传统切割加工方法的新型特种加工应运而生。

目前，特种加工技术已成为先进制造技术中不可缺少的分支，在难切割、复杂型面、精细表面、优质表面、低刚度零件及模具加工等领域中已成为重要的工艺方法。

1 现代特种加工技术的特点现代特种加工(special machining，SM)技术是借助电能、热能、光能、声能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种能量或其复合以实现切除材料的加工方法。

与常规机械加工方法相比，它具有如下的特点。

●不受材料强硬度等限制。

特种加工技术主要不依靠机械力和机械能去除材料，而是主要用其他能量(如电、化学、光、声、热等)去除金属和非金属材料。

它们瞬时能量密度高，可以直接有效地利用各种能量，造成瞬时、局部熔化，以强力、高速爆炸、冲击去除材料。

其加工性能与工件材料以强硬度力学性能无关，故可以加工各种超强硬材料、高脆性及热敏材料以及特殊的金属和非金属材料。

●以柔克刚。

由于工具与工件不直接接触，加工时无明显的强大机械切削力，所以加工脆性材料和精密微细零件、薄壁零件、弹性元件时，工具硬度可低于被加工材料的硬度。

●向精密加工方向发展。

当前已出现了精密特种加工，许多特种加工方法同时又是精密加工方法、微细加工方法，如电子束加工、离子束加工、激光束加工等就是精密特种加工；精密电火花加工的加工精密可达微米级0.5一1μm，表面粗糙度可达镜面Ra0.02μm。

●可同时实现粗、精加工。

特种加工中的能量易于实现转换和控制，工件在一次装夹中可实现粗、精加工，有利于保证加工精度，提高生产率。

●用简单运动加工复杂形面。

特种加工技术只需简单的进给运动即可加工出三维复杂形面。

特种加工技术已成为复杂形面的主要加工手段。

●可以获得良好的表面质量。

由于在特种加工过程中，工件表面不会产生强烈的弹、塑性变形，故有些特种加工方法可获得良好的表面粗糙度。

热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区及毛刺等表面缺陷均比机械切割表面小。

●各种加工方法可以任意复合。

各种加工方法的任意复合可扬长避短，形成新的复合工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。

由于特种加工技术具有其他常规加工技术无法比拟的优点，在现代加工技术中，占有越来越重要的地位。

表面粗糙度Ra<0.01μm的超精密表面加工，非采用特种加工技术不可。

如今，特种加工技术的应用已遍及从民用到军用的各个加工领域。

2 超声波加工技术的发展历程超声加工起源于20世纪50年代初。

最早研究超声加工技术的国家是日本。

70年代中期，日本对振动切削与超声磨削方面的研究已相当深入且已应用于生产。

日本研究超声振切最有权威的代表人物主要有两位：一位是中央大学的岛川正憲，他出版的是《超音波工学——理论和实际》；另一位是宇都宫大学的隈部淳一郎教授，他在1956年提出了系统的振动切削理论，发表了大量的论文，出版了《精密加工、振动切削基础及应用》专著，首先把振动切削理论成功地应用于车、刨、铣、钻、镗、铰、拉、磨削、螺纹加工、齿轮加工、抛光、珩磨、拉伸与挤压等冷热加工领域，取得了意想不到的效果与显著的经济效益。

20世纪50年代末60年代初，原苏联对超声加工研究也发表过很有价值的论文。

其在超声车削、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效益。

1973年，前苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声加工的经济效果和实用价值，对这项新技术在全国的推广应用起到了积极的作用。

美国于20世纪60年代初开始对超声加工进行研究。

由于当时超声加工技术还不是很成熟，包括声振系统、换能器、发生器的设计制造和质量都较差，因此停止了其研究工作。

在20世纪70年代中期，其超声钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已处于生产应用阶段；超声车削、钻孔、镗孔已处于试验性生产设备原形阶段；通用超声振动切削系统已供工业应用，目前已形成部分标准。

我国超声加工的研究始于20世纪50年代末，由于当时超声波发生器、换能器、声振系统的不成熟，缺乏合理的组织和持续的研究工作，很快就冷了下来。

目前，吕正兵、徐家文对工程陶瓷超声加工进行了基础的实验研究，得出了工程陶瓷超声加工的一些规律，为今后工程陶瓷的应用提供了更为广阔的前景；王超群等人利用改装后的数控超声加工装置对Al2O3进行了工艺试验，其数控超声加工是对传统超声加工的技术创新，具有传统超声加工所无法比拟的特点，初步掌握了对Al2O3的加工工艺规律。

梁晶晶等人用超声加工技术对陶瓷进行的加工中，介绍了超声加工的原理和特点，综述了国内外超声加工在陶瓷材料加工方面的应用研究，并对二维超声振动磨削加工技术在陶瓷加工中的可行性进行了分析，为拓展超声加工应用领域与技术发展提供借鉴。

郑建新等人通过数学物理模型分析超声加工声学系统的动力学规律，探讨工具杆的局部共振现象，得出当工具杆发生局部共振时，变幅杆和工具杆连接处为位移节点，且此时系统处于谐振状态的结论；并推导了超声波发生器的可调频率范围与刀具杆的磨损率关系。

随着超声加工设备的不断完善和理论研究的不断深入，它将在我国技术进步和社会主义现代化建设中起到重要的作用。

3 超声加工技术的应用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。

3.1 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，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，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普通切削的刀具磨损量；超声切削时，PCD刀具的磨损量约为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。

3.2 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，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工件。

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。

3.3 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、铝、钛合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。