超声波加工在模具行业中的应用

超声波加工在模具行业中的应用

传统的机械加工技术对推动人类的进步和社会的发展起到了重大的作用。随着科学技术的迅速发展，新型工程材料不断涌现和被采用，工件的复杂程度以及加工精度的要求越来越高，对机械制造工艺技术提出了更高的要求。由于受刀具材料性能、结构、设备加工能力的限制，使用传统的切削加工方法很难完成，为了解决这些加工的难题，新型特种加工方法应运而生。

各种硬脆材料和硬脆复合材料很难用传统刀具进行加工,因而往往采用非传统的工艺方法进行加工,这些非传统工艺方法多数直接使用各种能量,如超声波加工和激光加工等。超声波加工始于1927年,几十年来,超声加工技术的发展迅速,在超声振动系统、超声复合加工等领域均有较广泛的研究和应用,尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题,如玻璃、陶瓷、石英、金刚石、硅等,取得了良好的效果

一、超声波加工的系统构成:在工件和工具间加入磨料悬浮液,由超声波发生器产生超声振动波,经换能器转换成超声机械振动,使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工表面,把硬而脆的被加工材料局部破坏而撞击下来。在工件表面瞬间正负交替的正压冲击波和负压空化作用下强化了加工过程。因此,超声波加工实质上是磨料的机械冲击与超声冲击及空化作用的综合结果。超声波加工系统由机床、超声波电源、超声振动系统、主轴旋转系统、主轴轴向进给系统、轴向力反馈保护系统等组成,其中超声振动系统是超声加工设备的核心部分,由换能器、变幅杆和工具头等部分组成。

下面将系统的各个部分分别介绍。

1．1 超声波换能器超声波换能器的作用是将高频电振动转变为机械振动。实现这种转变主要采用以下2种方法。

1)磁致伸缩法:某些铁磁体或铁氧化体在变化的磁场中,由于磁场的变化,其长度也发生变化的现象,称为磁致伸缩效应。磁致伸缩换能器因为具有较低的Q 值(Q是能量峰值的锐度) ,所以它能传递很宽的频率。这使变幅杆设计的灵活性增大,也使与变幅杆连接在一起的刀具允许在加工中磨损后可重磨。磁致伸缩换能器工作时会大量生热,产生较大的电能损失,且使电声转换效率降低。

2)压电效应法:利用压电晶片在外电场中随电场方向的改变而形变发生相反变化的压电效应原理,将高频电振动转变为机械振动的器件称为压电换能器。压电换能器电声转换效率高,不易有热量损失,不需要任何冷却措施,适应旋转操作,生产容易;但要加工0.1～1 GHz级的超高频超声波换能器是很困难,日本中村等提出用钛扩散、周期地形成自发极化反相区域,同时在表面配置叉指电极作成新型超高频超声换能器,可得到变换损失低于5.5dB、相对带宽为0.9的宽频带横波超声换能器。

1．2 变幅杆及工具:变幅杆的作用是将来自换能器的超声振幅由0.005 mm～0.01 mm放大至0.01mm～0.1 mm,以便进行超声波加工。变幅杆之所以能放大振幅,是由于通过其任一截面的振动能量是不变的(传播损耗不计) ,截面小的地方能量密度大,振动振幅也就越大。在进行大功率的超声加工及精密加工时,往往将变幅杆与工具设计制成一个整体;在进行小功率的超声加工及加工精度不高时,则将变幅杆与工具设计制成可拆卸式。目前,对超声变幅杆的研究和优化已广泛应用了CAD /CAM技术和有限元分析技术。如使用ANSYS软件对变幅杆进行优化:首先分析需要的所有数据(材料属性、频率范围等) ,定义结构的几何形状;然后求解,

计算固有频率、位移、应变和应力;最后是估计分析结果和画出应力曲线工具是变幅杆的负载,其结构尺寸、质量大小以及与变幅杆连接的好坏,对超声振动共振频率和超声波加工性能均有很大影响。工具可以通过焊接或螺钉固定在变幅杆上;也可以和变幅杆设计成整体。采用可拆卸式,虽然能快速更换工具,但可能出现工具松懈、超声能量损失、疲劳破坏等问题。

二、超声波振动加工的研究状况

2．1 超声振动加工国外研究状况:超声振动切削作为新兴的特种加工技术,引起了国内外专家学者的广泛兴趣和极大关注。最早对振动切削进行比较系统的研究、可以称为振动切削理论与应用技术奠基人的是日本学者隈部淳一郎。他在20世纪50—60年代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加工等。随后美国也对振动切削进行研究,到20世纪70年代中叶,振动车削、振动钻孔、光整加工等均已达到实用阶段,取得了一系列研究成果,并在生产中得到推广应用。俄罗斯科学院和英国拉伯运大学对超声振动切削的非线性过程进行了深入研究,利用流变模型对超声振动切削实验结果进行了理论解释。通过对超声切削的动力学研究,得到了振动工具的非线性振幅特性曲线,并讨论了超声振动切削的优越性及其应用领域。英国阿伯丁大学国王学院研究了超声钻削难加工材料时工艺参数对材料去除率的影响 ,建立了间断性冲击过程的非线性模型,对冲击力的特性进行了分析,提出了一种新的材料去除率的计算方法,这种方法首次解释了材料去除率在较高的静态力作用下减小的原因。美国内布拉斯加大学和内华达大学对Al2O3 陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究。通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制进行分析,研究发现,低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位,而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕。美国内布拉斯加大学还第一次分析了Al2O3 陶瓷精密超声加工的机理、过程动力学以及发展趋势,并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况。

2．2 超声振动加工国内的研究状况:山东大学对工程陶瓷的超声振动钻削加工曾进行过深入探索【2】了超声振动钻削中各项工艺参数对加工效果的影响,并从理论上分析了超声振动钻削时的材料去除机理。上海交通大学也对超声椭圆振动切削技术进行了研究，概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,详细介绍了超声波椭圆振动切削的实际切削效果。长春汽车工业高等专科学校采用超声振动切削方法对一汽变速箱厂生产的一种直齿齿轮的滚齿加工进行了工艺实验,通过生产现场各种工艺参数实验及小批量试生产,收到了令人满意的效果,具有较好的发展前景。北京航空航天大学和哈尔滨工业大学将超声振动引入普通聚晶金刚石(PCD)的研磨加工,显著地提高了研磨效率,并在分析PCD材料的微观结构和去除机理的基础上,对PCD超声振动研磨机理进行了深入研究。研究指出,研磨轨迹的增长和超声振动脉冲力的作用是提高研磨效率的根本原因。工程陶瓷的应用日益广泛,但其成形加工十分困难。尤其是具有三维复杂型面的工程陶瓷零件至今尚无有效的加工手段,严重影响了工程陶瓷材料的推广应用。大连理工大学提出了基于分层去除技术的超声铣削加工方法,研制了超声数控铣削机床,开辟了利用超声加工技术数控加工工程陶瓷零件的途径。基于分层去除思想的超声铣削加工技术,解决了传统超声加工中工具损耗严重且不能在线补偿的难题,使加工带有尖角和锐边的三维复杂型面工程陶瓷零件成为可能,为工程陶瓷的广泛应用提供了有力的技术支持。超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英国、德国和新加波等国的