超声波加工以及机床设计-机械设计论文设计

1. 绪论

1.1 论文的提出及其应用价值

1.1.1 课题所属研究领域

由于各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的问题。对这些材料用传统加工方法十分困难，于是产生了特种加工技术，双面超声波加工就是其中一种。

超声波加工(USM)是利用超声波振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声波频振动进行振动加工，或利用超声波振动使工件相互结合的加工方法。几十年来，超声波加工技术的发展迅速，在超声波振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声波复合加工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，取得了良好的效果。超声波加工非常适合于加工硬脆材料，而且不会损害工件表面，所以是加工硅工件的理想方法[1]。

超声波加工方法是近50年来逐步发展的一种新型加工方法。在难加工材料和精密加工中，超声波加工方法具有普通加工无法比拟的工艺效果，具有广泛的应用围。超声波加工技术横跨机械学、电学、和声学三个学科，因而可把超声波加工视为交叉学科[1]。

1.1.2 课题的理论意义和应用价值

如今的一些材料，如硅晶体具有强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、比重低和自润滑等优良特性，已在电子、机械、能源、航空航天等众多领域显示出相当广泛的应用前景。然而，硅材料的加工十分困难，尤其是对于具有复杂型面的硅材料零件至今尚无有效的加工手段。目前硅材料的加工技术已成为制造业研究的热点。

材料的加工技术中，金刚石磨削方法只能加工简单型面的零件，而对于较复杂的型面，如有锐角要求的槽形零件和非回转体表面，就无能为力了；激光束加工（LBM）技术虽然可用于硅零件的加工，但会使加工表面产生达50m 的微观裂纹，很难适应航空航天重要零件的要求；此外，由于硅材料电导率低且化学稳定性好的限制，使得电火花（EDM）及电化学（ECM）加工方法不适于加工硅零件。而超声波加工（USM）不需工件导电，可加工任何超硬材料，且不属于热过程，

对加工表面损害极小，可稳定地加工出精度为mμ5±，表面粗糙度为Ra≤O.51~0.76mμ的零件，已成为加工硅晶体最具潜力的方法之一[4]。

超声波加工(USM)是利用超声波振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声波频振动进行振动加工，或利用超声波振动使工件相互结合的加工方法[5]。

几十年来，超声波加工技术的发展迅速，在超声波振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声波复合加工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，取得了良好的效果。

1.2 国外超声波加工研究现状和发展趋势

超声波加工技术的研究最早可追溯到1927年R.W.Word和A.L.Looms的奠基性工作，并于1954年由L.Balamuch研制出第一台超声波加工机床。

从50年代以来，许多国家都对这一技术进行了研究。日本政府设立了专门的振动切削研究所，许多大学和研究机构也都设有这个研究课题。原苏联在这方面的研究也较早，在超声波车削、钻孔、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果。60年代初美国就开始了超声波加工的研究，70年代中期，美国在超声波波钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已处于生产应用阶段:超声波车削、钻孔、镗孔已处于试验性生产设备原型阶段;通用超声波振动切削系统已供工业应用，日前已形成部分标准。德国和英国也对超声波加工的机理和工业应用进行了大量的研究工作，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用[5]。

英国Harwe11国家原子能权威机构是此理论的早期探索者之一，他们的研究需要在耐火材料成形的特殊陶瓷上钻一些1.016~25.4mm，传统机械加工的局限性激发了他们探索新技术的兴趣。美国从1969年开始使用金刚石工具的超声波旋转加工技术。

经过近40年的时间，各国的研究者们进行了许多实验，研究出控制参数（如超声波波振幅、静压力、转速、金刚石类型、磨粒尺寸及连接类型等）与加工结果（如材料去除率、工具磨损等）之间的关系。建立了有关材料去除的塑性去除、脆性去除等多种材料去除模型，并进行了实验验证。

1970年，Tyrell用金刚石空心钻在玻璃片边上加工出两个1.Omm的孔，孔深63.5mm,相距仅0.5mm，每个孔的平均加工时间为14分钟。他还使用金刚石空心钻在厚88.9m的氧化铍1.Omm的孔，加工结束后，在钻芯抽出完整的0.4mm的工件材料[1，5]。

1992年，rabhakertalD.和HaselkonM.在大量超声波旋转加工材料去除率试验研究的基础上，给出预测材料去除率的经验模型，并对各种加工因素及其交互作用对材料去除率的影响进行了分析和讨论。

对超声波旋转加工中材料去除机理的研究，Markov等认为，脆性材料的破裂是大量的微观裂纹及裂纹扩展到一定深度的结果。Markov和Ustinov认为，超声波旋转加工中存在一个被加工材料的脆性断裂特别强烈的过程，它是被加工表面的微小裂纹交织成网和表面撕扯的结果。Kubota等报道超声波旋转加工中材料以“贝壳”状的碎片形式去除。Z.J.Pei,P.M.Ferrira和M.haselkorn通过实验证明，除了脆性断裂，塑性流动是超声波旋转加工中材料去除的另一种主要方式[14,15]。

硅材料不同加工工艺的研究表明，超声波旋转加工在较低的加工压力和较轻的表面损伤情况下，有较高的材料去除率，是有潜力的加工方法。Tyrell也报道:使用超声波振动，需要的加工压力小于无超声波加工时的压力。

最近，国外又出现了超声波旋转面铣削技术，由于RUM钻深小孔时，其加工面及碎片很难观察，为了克服这个困难，采用面铣削方法加工硅晶体，用扫描电镜观察加工面和碎片。研究表明，硅加工中，材料的去除机理包括塑性去除及脆性去除。在一些加工条件下，塑性去除占主要地位，在另一些加工条件下，脆性去除占主要地位;通过调整不同的加工参数，可以调整塑性去除及脆性去除的比例。由于超声波旋转加工只能加工原形孔和型腔，因此配以适当的数控系统，借鉴数控铣削的方法就可以加工具有复杂三维型面的工程陶瓷，国外许多学者正在开展三维轮廓微细旋转超声波加工的研究。

我国超声波加工技术的研究始于50年代末。60年代末，工业大学应用超声波车削，加工了一批飞机上的铝制细长轴，后这项技术的研究中断了十多年。1976年以后，我国再次开展超声波加工的试验研究和理论探讨工作。工业大学、广西大学以及光学仪器厂等单位率先进行了超声波波车削设备及实验研究。1982年，钢管厂、中科院声学研究所和超声波波仪器厂研制成功超声波拉管设备。1985年以来，超声波波旋转加工机、超声波珩磨装置和变截面细长杆超声波车削装置相继研制成功.到1993年，我国己发表了300多篇有关超声波加工等的科学研究论文。

半个多世纪以来，经过各国学者的不懈努力，超声波加工技术己有了长足的进步。主要体现在:实验出加工参数〔振幅、频率、静压力、磨料材料及粒度、悬浮工作液的浓度和工作液循环方式等)对加工效率的影响规律;总结出静压力、工件材料硬度、加工工具材料硬度是影响工具损耗的主要因素;总结出磨料粒度及悬浮工作液的均匀性对工件表面质量有影响规律;利用有限元的方法使变幅杆的设计更合理;机械增益Q值高的材料用于制作变幅杆、性能优良的PCD用于制作工具头，使加工效率大大提高;工具头回转的超声波加工使加工效率提高3至4倍;采用性能优良的压电陶瓷换能器使加工机床的体积大大减小，能量利用率大大提高;90年代