数控雕刻机外文翻译(doc 40页)

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系统已在市面上有售，比如来自 ExtrudeHone Limited (法国）的 SoneX

300，来自 Erosonic AG (瑞士)的 he Erosonic US400/US800。

图 3 利用 USM 加工碳纤维复合材料的加速杆、孔和外轮廓

1.2 超声波加工陶瓷材料

高性能陶瓷越来越多地被用于航空航天，工业和汽车电子行业的应用。它们为汽车阀和气缸套提供了许多比金属的更优越的性能[14，15]，并且其良好的化学稳定性和高耐热性提高了燃气涡轮机应用中获得更大的热效率的可能性[30，53，54]。烧结氧化铝，碳化硅和氮化硅产品一般有大于 1500 HV 的硬度，因此通常金刚石磨削是唯一可行/经济的加工零件至最终成形的方法，虽然这在加工包括圆柱形元件，平板和弯曲表面零件时是理想可行且易于接受的，但是当被加工表面具有更复杂的形状或者其工作特性要求有特定的工件表面完整性时就会出现问题。

大多数工程陶瓷是电绝缘体，尽管这可能是其功能上的优点，但在加工部分零件如陶瓷或陶瓷涂层涡轮机叶片时就成了一个显著的缺点。相当多数量的金属依靠于大量使用非传统加工，例如电化学加工（ECM）和 EDM，前者被广泛用于生产翼型型材，后者则用于叶片冷却孔的加工。不幸的是，这两个加工过程都依赖于工件材料是导电的。在 EDM 中，工件需要具有小于 100 的Ωcm 的电阻率[16, 26, 33, 55]。

对于加工过程中高应力集中的安全规定部件如涡轮叶片，其工件表面完整性是一个关键的特性，因此这类零件会特别使用陶瓷或陶瓷涂层。加工过程中应尽可能减少最终成型表面/亚表面的损伤。所有传统的切削操作，如车削或磨削都或多或少的会导致某些类型的表面损伤[24, 48, 56]。非传统加工过程也是如此，例如 EDM 或激光加工（LBM）所依赖的热切削机制。举个例子，EDM 会导致热表面区域产生最高达 50μm 深的微裂纹[55]。与此相反，超声波加工（USM）是一种不依赖于导电工件并且适合于陶瓷材料加工的非热过程。该方法可产生很少甚至没有表面/亚表面损伤或施加特定的压力机制。尺寸精度可达±5μm[36]，最终表面的粗糙度 Ra 可实现 0.51-0.76μm[37]。对石墨，碳化硅和一系列陶瓷材料的 USM数据来由 Gilmore[6]，Kremer[33]总结于表 1 中。

2 超声加工刀具的基本原理

2.1 超声发生器 generator）和超声换能器（Transducers）

传统的发生器系统中，装配了变幅杆（horn）和刀具，通过机械调整其规模达到共振调谐，然而，最近共振发生器已实现其功能，它可自动调整输出高频率去匹配变幅杆/刀具组件的精确谐振频率[6]。它们可以也适应装配和刀具磨损的任何微小错误，给出最小声波能量损耗和非常小的发热性[33]。供给的功率取决于换能器的大小[35]。有些超声发生器的设计带有安全特性，如在变

幅杆断裂，变幅杆/刀具接头故障等[17，31，33]情况的自动开关。

换能器的振动在纵向或压缩模式。在工业中的应用，不论磁致伸缩 [12, 26, 40, 57]或是压电装置 [35, 39]都会使用，是因为它的低 Q 值（Q 是一个能量峰值锐度的度量），磁致伸缩换能器允许振动通过很宽的频率传输带传输（例如，20KHz 的发生器为 17-23KHz）[58].它也允许变幅杆有更大的设计灵活性并且可以适应刀具磨损。此外，变幅杆还可重复设计/加工几次而不会有临界振幅损失[4, 30, 46]。磁致伸缩换能器主要的缺点是其高电力损失（例如电涡流损失）和低能量效率（约等于 55%）[40]，这些损失以热的形式出现，换能器必须空冷/水冷而且换能器的体积庞大笨重，而且，相比于压电型，该换能器不适于产生高强度振动 [59, 60]，典型的压电换能器 [26, 42, 53, 61]由两盘锆钛酸铅或其他合成陶瓷组成[62]，其厚度通常不到超声波换能器总长的 10%[63]。压电传感器有更高的能量效率（约等于90~96%），因此不需要任何冷却[18,28, 59]。它不易产生热损伤，并且更容易适应旋转操作[61]并且更容易安装。

2.2 超声变幅杆和刀具组件

变幅杆被称为声耦合器，速率/机械转换器，刀架，集中器，桩模块或超声波发生器，见图 4。换能器表面的振幅过小（0.001-0.01μm）而无法达到合适的切削率，因此，变幅杆可作为放大设备。对每种变幅杆材料 [65]来说，其最佳调谐都是不同的，因此需要控制高机械 Q 值、良好的焊接和钎焊性、良好的声传输特性、在高工作振幅下的高抗疲劳特性，并且也应耐腐蚀和有足够高的强度来附加螺纹附件，蒙乃尔铜镍合金，钛 6-4(IMI 318)，AISI304 不锈钢，铝和铝青铜合金是常用的材料[1, 4, 20, 40, 64–67]。

该刀具的设计应该能提供在给定频率的波腹内的最大振幅[61]，所使用的材料应具有高耐磨性、电阻性，较好的弹性，抗疲劳强度并且有该应用下最佳的强度和硬度 [16, 27, 64]。碳化钨，银器钢铁，蒙泰尔铜镍合金，是较常用

的刀具材料。多晶金刚石（PCD）近来被用于加工非常坚硬的工件材料，例如热等静压氮化硅[68]。

刀具可以通过敢接或钎焊，螺纹/锥度配合连接到变幅杆，另外，实际刀具的结构可以被加工在变幅杆的末端[14, 27, 35, 66, 70, 71]，螺纹接头由于换刀的快速和易用被照例使用，然而，还是存在些问题，例如自松动，声功率损耗，疲劳失效等[72]。但使用开孔刀具进行深孔钻时，通过变幅杆和刀具的中心进给磨料的能力是一个很大的优势，可以因此减少侧向摩擦力[27]。

2.3 刀具进给的推进机制和磨料供给系统

刀具通常经由配重/静态重量，弹簧，气/液或电磁进给系统施加静态负载使之置于工件之上[16, 26,27, 40, 73]，为获得最佳效果，加工时系统应保持相同的工作力方向，并且保持对切削方向阻力的足够的敏感性[16, 40]。施加的力必须仔细选择，因为若设置太低就无法达到最大的切削速度，若设置太高则会导致刀具和磨料之间的干扰[3, 70]。比较有代表性的静负载值约为0.1-30N，钻直径小于 0.5mm 的小孔时的力要特别注意，在太高的负载下有可能导致刀具弯曲。

图 4.各类带/不带刀具头的变幅杆[69]

悬浮液通常是在刀具表面由泵喷射出，吸出，或二者相结合，正如图 5 中所示[13, 16, 28,40, 74]。它是变幅杆、刀具，工件的冷却剂，为切割区域提供新的磨料，从切割区域清除碎屑 [2, 25, 27, 28]，悬浮液同时也提供了刀具、磨料和工具间的声结合，允许高效的能源转换，横向进给的管道是与变幅杆的波节面相连接（相邻），以此来避免阻尼的影响[16,27]。最普通的磨料材料常用氧化铝，碳化硅，碳化硼，等等[4, 12, 24, 27, 37, 75–78]，磨料输送媒介应控制低粘度并且接近磨料密度，良好的湿润性，较好和较高的热导率，高效的高温冷却性，亲水性，尽量满足这些要求[3, 26, 28]。