旋转超声加工技术简介

1旋转超声加工技术简介
随着科学技术的发展，硬质合金、钛合金、耐热钢、淬硬钢、金刚石、石英以及钨、硅等各种金属和非金属硬脆材料在现代工业中的应用范围越来越广，尤其是在航空航天、兵器装备、汽车制造等领域，硬脆性材料的出现为产品向高速度、耐高温、高压等方向的发展提供了广阔的空间。

例如，近年来陶瓷常被用于制作叶轮、义齿、人造髋关节球、切削刀具和燃料腔体；硬质合金和淬硬钢被广泛用于工模具的制造；玻璃陶瓷可用于制造车用反光镜；碳纤维可用于制作汽车上的刹车片等等。

然而，由于硬脆材料本身的硬度高、脆性大，因此对它们的加工一直非常困难，尤其是当工件形状复杂，精度、表面粗超度要求较高时，传统加工方法很难实现预期的效果，甚至某些工件的加工费用可达到总成本的90％。

直到上世纪六十年代，旋转超声加工(Rotary Ultrasonic
Machining，RUM)技术才产生并逐渐应用到硬脆材料加工。

作为传统磨削加工和超声加工(Ultrasonic Machining，
USM)的结合体，旋转超声磨削集成了二者的优点。

在随机床主轴旋转的同时，刀具还参与了沿主轴轴向的高速振动，这使得刀具中的磨粒(一般为金刚石颗粒)在静载荷、超声振动和主轴旋转的共同作用下不断冲击、滑擦被加工表面，从而将被加工材料粉碎成很多微小的颗粒，促进了加工的进展。

多年来，人们一直致力于改进和完善超声加工技术与设备。

通过不懈的努力，加工效率已经得到了明显提高，适用的加工领域也在不断扩大，但是它仍存在着许多缺陷需要改进。

2 旋转超声加工国内外发展现状
到目前为止，英、美、苏、法、日、中等国家己对旋转超声加工方法作了一些研究，包括设备研制和工艺研究[1-4]。

英国Kerry
超声公司研制生产了“Sonicmill”落地式旋转超声加工机。

前苏联莫斯科航空
工艺研究所在20 世纪60 年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。

法国Extrude Hone 公司生产销售SoneX 型旋转超声加工机。

瑞士Erosonic AG
公司生产销售Erosonic US400/US800 型旋转超声加工机。

日本超声波工业公司开发了体积小、重量轻、刚度大、可安装在金属切削机床的USSP 系列超声波主轴系统。

日本超音波工业株式会社于1994
年研制新型UMT-7
三坐标数控超声旋转加工机，机床功率450W，工作频率20KHz，可在玻璃上加工孔径1.6mm、深150mm 的深小孔，其圆度可达0.005mm，圆柱度为0.02mm。

日本金泽工业学院的研究人员研制了加工硬脆材料的超声低频振动组合钻孔系统[5]。

将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合，制造了一台组合振动钻孔设备，该设备能检测钻孔力的变化以及钻孔精度和孔的表面质量，并用该组合设备在不同的振动条件下进行了一系列实验。

实验结果表明，将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合是加工硬脆材料的一种有效方法。

在美国，利用工具旋转同时作轴向振动进行孔加工已取得了较好的效果。

美国Branson 声能公司先后制成UMT-3 和UMT-5 两种超声旋转加工机。

UMT
ϕ
的主轴旋转精度0.001~0002 英寸，转速为0~5000 转/分，工具的最大尺寸为38 毫米，在玻璃板上已加工出直径1.6 毫米深达305 毫米和直径1 毫米深300
毫米的孔。

美国堪萨斯州立大学提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率模型的计算方法，并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中，确定了材料去除率和加工参数之间的关系，该研究大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的发展。

国内机电部第十一研究所范国良等人研制的用于加工YGA
激光晶体棒的T3030-3/ZV 超声旋转加工实验样机，已成功用于YAG
激光晶体棒的成行加工。

该机工作频率7-22KHz，功率400W，加工晶体棒直径ϕ3~ϕ10mm
，加工精度：圆度<0.0005mm，圆柱度一般为0.03mm。

此外，国内众多高校及研究所，如天津大学、太原理工大学、四川大学、哈尔滨工业大学等也开展了旋转超声加工装置及加工过程的研究[6-9]。

3旋转超声加工特点
超声加工可以加工导电性以及非导电性的各种硬脆性材料，如硅、金刚石、陶瓷、宝石、大理石等非金属材料，也可以加工低塑性和硬度高于40HRC的金属材料，如硬质合金、淬火钢等。

旋转超声加工加工精度高。

由于去除工件材料靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，可达Ra0.63～0.08mm，尺寸精度可达0.03mm。

并适合加工薄壁、窄缝、低刚度零件。

旋转超声加工可加工出复杂型腔和型面。

其原因是工具可用较软材料制作，故易于制出复杂形状之工具。

故超声波加工机床结构简单，易于维护。

由于超声加工过程中主要依靠的是磨粒的瞬时冲击作用，所以工件表面所承受的宏观切削力很小，切削热也较少，不易因变形和烧伤而改变工件表面的电/化学特性。

同时也使得其可使用较软的材料制作各种复杂形状的刀具，用于型腔、型面的加工。

但是在普通超声加工中，需要不断地将磨料浆注入到刀具与工件的间隙里，并且将加工过程中残留在间隙处的旧磨料浆及时排出，结果导致整个过程的材料去除率较低，且当加工深度较大时，甚至会导致加工的停止。

而磨料浆流经工件表面时，对已加工表面也会产生磨抛作用，大大影响了加工精度。

此外，磨料对刀具的磨损作用，将导致刀具磨损加剧，进而难以保证加工精度。

而旋转超声加工采用固结磨料刀具，不再需要游离磨料悬浮液作为加工介质，工作液更容易在刀具及被加工表面之间流动，从而促进超声空化作用的产生，此外工作液还能更好地对加工区域冷却，及时带走碎屑，因而较普通超声加工可以大大提高型面的加工精度。

4旋转超声加工技术切削原理
旋转式超声加工是加工玻璃、陶瓷等硬脆材料的有效方法，具有精度高、去除率高、切削力小、耗能少等优点，其在机械加工领域应用越来越广泛。

国内外学者对超声波加工进行了大量的研究，但其加工机理并不完全清楚。

文献
们通过实验分析得到超声加工中材料去除的主要形式是大片剥落，而大片剥落是磨粒对工件锤击造成的。

有文献认为硬脆材料的断裂是微观和宏观裂纹产生并扩展到一定深度的结果，在工件表面相互交织的裂纹形成一个弱化层，这个弱化层在磨料颗粒的反复锤击作用下，特别容易发生断裂。

旋转式超声加工受振幅、静压力、转速、磨粒形状等因素综合影响，加工过程非常复杂，且可控性比较差，利用目前的观测技术很难得到单颗磨粒与工件的相互作用过程和被加工工件裂纹形成与扩展情况，从而很难进行定量分析和数值计算。

旋转超声加工原理如图1-
1所示，固结式金刚石工具以一定的静压力压在工件上，以一定振幅作轴向超声频振动，还作相对于工件的高速旋转运动，冷却液不断被输送到工具和加工工件表面之间。

图1-1 旋转超声加工原理图
在旋转超声加工中，工具对工件有四种作用：
1.超声振动的冲击作用
超声波在传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了介质间压力的变化，这种压力的变化将引起物质间机械效应。

超声引起的介质质点运动，虽然位移和速度不大，但与超声频率的平方成正比的质点加速度却很大。

a=(2πf)2A
金刚石工具头超声振动下瞬时加速度为，取工具头的振动频率f 为
μm
20KHz，工具头的振幅 A为15，则瞬时加速度a
F0
≈2.4×105m/s2，假设此时加工的静压力为15N，所以锤击冲击力相当于为3. 6×105N，该力通过固结在工具头中的金刚石颗粒的刃部作用到工件上，将引起工件的局部应力远远超过材料的断裂极限，导致材料表面的微细裂纹的产生、发展，以致材料的局部破碎去除。

而且研究发现，旋转超声加工硬脆性材料断裂所需的静压力较常规方法要小[1]。

2.金刚石工具的磨抛作用
在超声振动引起加工工件表面产生大量裂纹的基础上，由于金刚石工具的高速旋转，使得嵌入工件表面的磨粒在工件一定接触表面上划擦、磨抛、撕扯工件材料，从而加速微观裂纹的发展，造成材料的宏观破碎去除。

3.超声空化作用
通过流体动力学，我们知道，当超声波传播到液体介质的时候，存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称为声空化。

在超声加工过程中，工作液受工具端面超声振动作用而产生高频、交变的正负液压冲击波和空化作用，促使工作液进入被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用，强化了加工过程。

同时，空化爆破作用也促进了碎屑的排出，从而促进加工的进行。

4.液压冲击和旋转运动
工具往复冲击形成的液压冲击和旋转运动使碎屑始终处于运动状态，阻止了碎屑的沉积过程，促进了碎屑在工作液中流动，当工具接近工件时，旧的工作液带着碎屑离开加工区，工具离开工件时，新的磨削液进入加工区，这样就达到加工区磨削液的动态平衡，保证了加工的进行。

试验结果表明，在加工过程中，单纯的工具旋转或超声振动对材料的去除效果都比较差，而将二者组合之后，情况有很大改观，因此可以认为旋转超声加工是上述各机理相互促进、综合作用的结果，如图1所示。

图1 旋转超声加工机理
5 旋转超声加工机床的主要组成设备
旋转超声加工机床的组成示意图如图2所示。

旋转超声加工机床除了需要具备数控铣床或加工中心的机床主体外，还需具有超声加工所需要的超声波发生器、和由非接触供电设备、超声波换能器、超声波变幅杆、加工工具组成的旋转超声加工刀柄。

旋转超声加工非接触供电设备是实现旋转超声加工机床的高速旋转和超声能量的有效传递与耦合的设备。

旋转超声加工换能器是将高频电振荡信号转换成机械振动的器件，是旋转超声加工刀柄必不可少的组成部分。

旋转超声加工超声波变幅杆是放大超声波换能器所产生的超声振动振幅，以满足实际加工需要的设备。

超声加工刀具利用固结在其表面的金刚石磨粒来对工件进行加工。

旋转超声加工刀具必须能够承受高频交变载荷而有效地传导由变
幅杆传递过来的振幅，以实现对工件的加工。

图2 旋转超声加工机床组成
1．超声波发生器
超声波发生器，又称超声电源，是将工频交流电转换为超声频振动，以供给工具端面往复振动和去除工件材料的能量。

常用的超声波发生器有模拟电路超声波发生器和数字电路超声波发生器。

超声波发生器能和换能器需有效匹配，并且具有自动频率追踪功能才能保证超声波振动系统始终处于良好的谐振状态。

2．超声振动系统
一般超声振动系统主要包括换能器、变幅杆和工具。

但旋转超声加工的超声振动系统还需要包括旋转超声加工非接触供电设备，来实现电能从静止的超声波发生器传输到高速旋转的超声加工工具上。

1)旋转超声加工非接触供电设备
旋转超声加工非接触供电设备是实现旋转超声加工机床的高速旋转和超声能量的有效传递与耦合的设备。

是旋转超声加工机床的重要组成部分，也是本课题研究的重点。

2)旋转超声加工超声波换能器
旋转超声加工换能器是将高频电振荡信号转换成机械振动的器件，是旋转超声加工刀柄必不可少的组成部分。

3)旋转超声加工超声波变幅杆
旋转超声加工超声波变幅杆是放大超声波换能器所产生的超声振动振幅，以满足实际加工需要的设备。

4)旋转超声加工刀具
在旋转超声加工中，超声加工刀具作为加工的末端执行器，有着几十千赫兹的超声振动，同时又带有上千转每分的转速，利用固结在其表面的金刚石磨粒来对工件进行加工。

旋转超声加工刀具必须能够承受高频交变载荷而有效地传导由变幅杆传递过来的振幅，以实现对工件的加工。

3．机床
超声加工机床一般比较简单，包括支撑振动系统的机架及工作台面，使工具以一定压力作用在工件上的进给机构、床身等部分。

目前，超声加工机床已形成规模和市场，发达国家则尤其突出，各种机电一体化、自动化、精密化超声加工机床不断进入市场。

6 DMG的旋转超声加工机床
DMG灵活地借助 HSK 32 / 40 / 63 /
100刀柄，可将取得专利的超声执行系统灵活地集成于 DMG MORI 的几乎所有 5 轴铣削中心，生产出包括紧凑型旋转超声加工机床ULTRASONIC10、线性旋转超声加工机床ULTRASONIC30、灵活集成型旋转超声加工机床ULTRASONIC65及综合型旋转超声加工机床ULTRASONIC85、ULTRASONIC260、
ULTRASONIC360，如图3所示。

图3 DMG旋转超声加工机床
DMG的旋转超声加工机床具有精度高，结构稳定以及对所有与精度相关的机床组件的统一温度控制等优点。

开创了先进材料5
轴精密加工精度的新纪元。

在光学、手表、医疗行业以及精密模具领域超声波研磨加工复杂几何形状的高性能材料，其应用重点是最高的尺寸精度，轮廓精度以及表面光洁度Ra <0.1μm。

图4 DMG旋转超声加工机床加工陶瓷类零件
参考文献
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