超声发展历程及其典型装置

超声发展历程及其典型装置
刘义付;刘传绍;郑建新
【摘要】本文通过对超声加工这种特种加工方法发展历程的回顾,总结了超声加工一些独有的特点及其具体分类,并在此基础上对一维超声的典型加工结构进行了实例分析,对其加工原理进行了简明的阐述.而后,对二维谐振超声和二维非谐振超声的常用发生装置进行了详细的说明,对这两种加工方法的显微过程和理论依据进行了概述,最后分析了影响加工速度的一些因素.
【期刊名称】《精密制造与自动化》
【年(卷),期】2010(000)001
【总页数】4页(P51-54)
【关键词】超声加工;椭圆振动;加工系统
【作者】刘义付;刘传绍;郑建新
【作者单位】河南理工大学机械与动力工程学院,454000;河南理工大学机械与动力工程学院,454000;河南理工大学机械与动力工程学院,454000
【正文语种】中文
超声辅助加工做为一种特种加工方法，起始于19世纪60年代，其使用的主要目的是为了切削普通的微细金属，而后人们在加工一些非普通的材料，例如玻璃等脆性材料时发现，超声加工可以大大的延长刀具的寿命，从而对超声产生了浓厚的兴趣[1]。

由于超声加工是通过产生超频振动进行工作的，因此这种加工方法具有良
好的加工特性，这也是该加工方法在加工硬脆材料上得到了广泛应用的原因。

日本是开始把超声运用到实际生产中最早的国家，同时也是应用超声振动加工最好的国家。

其中隈部淳一朗是最具代表性的人物，他写的专著《振动切削基础与应用》是超声加工方面的经典著作[2]。

在随后的一段时间里，美国、德国等西方一些发达
国家也对超声应用进行了富有成效的探索，主要集中在超声钻削、超声清洗、超声磨削等。

我国的超声加工起步相对比较晚，主要是在前苏联的影响下才开始这方面的研究。

主要集中在一些高等院校，比如吉林工业大学、北京航空航天大学等，取得了一些可喜的成果。

随着难加工材料精度要求的提高，一维超声加工已经明显满足不了生产的需要。

这时，二维超声加工应运而生。

在1986年日本学者石川建一首先提出了超声椭圆加工，现在国际上研究的前沿是对超声加工的作用机理给于科学的解释。

二维超声加工与一维超声加工相比有很多自己的特点，比如[3-6]可以
获得更长的刀具使用寿命，可以提高加工精度，可以有效地减低吃刀抗力等。

在最近的几十年里，二维超声加工获得了很快的发展。

主要是因为随着现代化发展的需要，人们对一些特殊材料有了更高的加工要求，但是常规加工方法很难达到加工要求，一些特种加工在这方面有了一定的优势，但是这些方法通常是代价较高，一定程度上限制了这些方法在大范围内推广使用[3]。

但是超声辅助加工作为一种低投入，高效率的特种加工有着其他加工方法无可比拟的优点[4]：
1）作用力大幅度降低如用碳化硼刀具切削铝的时候，一维超声加工的平均主切削力为普通切削的20%，而二维超声加工的平均主切削力可以降低到普通切削的2%左右[1]；
2）可以很大程度上延长刀具的使用寿命例如用金刚石刀具加工脆性材料有明显延长使用寿命的效果；
3）低投入可以在普通机床上进行改造，故成本比较小易于推广；
4）可以得到比普通加工更大的塑性切削深度主要是因为超声加工可以有效地减少
刀具的主切削力和降低待加工材料的抗力。

1 超声加工的分类
超声加工的分类方法有好多种，按照不同的分类方式可以有很多不同的类别。

例如按加工的方式不同可分为超声切削、超声钻削、超声磨削等；按超声发生器加工的维数可分为一维超声加工、二维超声加工以及三维超声加工[1]；按照激励的数目
可分为单激励和双激励；按照振动模态的不同可分为纵向振动模态、弯曲振动模态、扭转振动模态以及纵扭、纵弯[2]等；按超声发生器的谐振方式可以分为一维谐振、二维谐振以及二维非谐振。

其中二维超声加工，研究的方向主要集中在椭圆加工。

按照椭圆振动系统的振动频率的不同，二维超声加工可以分为二维谐振振动和二维非谐振振动。

所谓谐振振动是指系统的受迫振动频率等于系统自身的固有频率，在外部激振力作用下产生共振，通常称之为谐振振动。

而非谐振振动是指系统的受迫振动频率与系统自身共振固有频率相差较远，称之为非谐振振动。

另外，非谐振振动一般通过某些机械结构来把直线运动转化为椭圆运动。

2 一维超声加工系统装置简介
一维超声加工在超声加工中是最常用的形式，由于本方法设计简单，调整相对容易，发展时间比较长，理论成熟，几乎占了超声应用的80%，得到了广泛的应用。

图
1所示是一维超声加工的典型系统。

图1 一维超声加工典型系统
一维超声辅助加工的工作原理[7]：超声波发生器（3）将220 V的交流电源转换
成超声频电信号，经过换能器的转换变成超声频机械振动。

通常这种机械振动的振幅是很小的，难以被人们直接利用，所以必须经过变幅杆的放大。

经过放大后的振动迫使刀具产生直线运动，把待加工的工件加工成需要的形状。

由此可知，一维超声加工时，刀具进给的方向为直线运动（如图1所示）。

对于一个给定的振动频
率存在着一个临界的进给速度，如果小于这个速度，刀具的前刀面可以和待加工的
表面发生周期性的接触和分离，这也是超声加工能够降低切削力的一个重要原因。

一维超声加工（如图2所示）的具体过程是：在t1时刻，刀具和待加工的表面向着相反的方向运动，在t1时刻末，刀具的前刀面刚刚和待加工的表面接触，加工
马上就要进行。

t2的时刻刀具和普通加工方法一样，以一定的速度切削待加工工件，t2时刻末，刀具的速度为 0，马上就要和切屑发生分离。

t3时刻，刀具和工
件以相同的运动方向运动，由于刀具的速度要比工件的速度快，所以刀具和切屑发生了分离。

此时刻，刀具又和工件发生接触，恢复到t1时刻的情况，重复上面的
三个步骤，这样超声加工反复地进行，达到连续切削工件的目的。

图2所示可知，本加工方法在加工的过程中，刀具的前刀面和待加工的工件有周期性的接触与分离，这估计就是超声加工方法能延长刀具的使用寿命和改善表面质量的根本原因。

图2 一维超声加工
一维超声加工虽然具有比普通加工方法精度高等优点，但是随着加工要求的逐渐提高，已经越来越不能适应各种加工的要求了。

于是在19世纪末，很多学者开始研究二维超声加工。

3 二维超声加工及其典型装置
二维超声加工由于其在很多方面要比一维超声加工的更具优势。

例如：可以更有效地减低切削力，提高加工精度。

现代对超声的研究主要集中在超声二维加工方面[8]，二维超声加工是在一维超声加工水平振动的基础上，在垂直方向上施加另外
一个振动，这就导致工具的运动轨迹是一个圆或椭圆，这个二维图形是水平和垂直方向上两个运动在工件进给方向上的叠加。

图3所示是超声二维抛光加工的示意图。

图3 二维超声抛光示意图
3.1 二维超声谐振加工
由上面的分类可知，二维超声加工总体上可分为：二维谐振振动和二维非谐振振动
[9]。

其主要的区别就在于系统的受迫振动频率和自身的固有频率是否一致。

图4所示是二维谐振振动的一个典型加工发生装置。

图4 二维超声谐振椭圆加工结构原理图
在成90°角的两个面上分别贴在厚度方向上极化的压电陶瓷片。

加工时，在厚度方向上施加交流电压时，压电陶瓷片在长度方向上产生伸缩变形，引起换能器的弯曲振动。

因为陶瓷片有一定相位差（本例中差90°），所以弯曲振动经过复合产生椭圆振动。

为保证换能器能产生较大的振幅，可以在换能器的另外两个面上贴上另外一组压电陶瓷片，在同一个交变信号驱动下，一组压电陶瓷片伸长，同时另一组收缩，使换能器产生较大振幅的弯曲振动。

贴片双弯曲模态合成的椭圆振动换能器具有设计简单，体积小，安装方便等优点，而且可以实现较大功率和振幅的输出。

这种合成椭圆振动的原理，在超声领域中是应用最为广泛的一种振动形式，最主要特点是可以实现较大振幅的椭圆振动，同时由于两个弯曲模态之间的谐振频率可以非常的接近，基本不存在频率兼并问题，在设计制造过程中比较简单。

3.2 二维超声非谐振振动[2]
由于此方法系统的固有频率要远远地低于受迫频率，所以一般要利用机械装置把压电陶瓷的直线运动转换为工具二维的椭圆运动。

图5 二维超声非谐振椭圆加工结构原理图
二维超声非谐振椭圆加工（如图5所示）其基本原理是：两组压电陶瓷片的相位存在90°的相位差，通过类似于一个“T”型杠杆的结构，使两组PZT的直线运动转换为刀具的椭圆运动。

当角位移是45°的时候，刀具的位置在椭圆的最上面，当角位移是135°、225°、315°的时候，刀具的位置分别在椭圆的最右面、最下面、最左边。

再用模拟软件对它的运动方程进行模拟的结果与上面的结论相吻合。

可以看出经过杠杆的转换，两组PZT的直线运动转化为了刀具的椭圆运动。

对影响切削速度因素的分析可以得出，T型杆的两个长度之比决定了椭圆运动的长短轴的比
值，当前者增大的时候椭圆就会变得更扁，即长短轴之比变大，这样加工的速度相对比较快。

另外，压电陶瓷片的振幅也可以对椭圆运动产生影响。

4 结语
近年来，超声加工凭借它在硬脆材料方面独特的加工特性，越来越被广大的学者青睐，从最早得到应用的微细金属的加工到大功率超声焊接、清洗、抛光等[10-13]，在实际生产中的应用日益广泛。

虽然超声加工发展到现在，已近有一段时间了，但是它的历史还很短，其加工的作用机理还有待进一步的研究。

我们相信在不久的将来，在超声加工的科学依据方面会有很大的进展，到那时候超声应用的范围将更广。

参考文献
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