旋转超声波加工

旋转超声波加工

0 前言

陶瓷、石材、光学玻璃和硬质合金等材料具备优越的物理、化学和机械性能，在航空、电子、汽车、冶金、生物工程和国防等工业领域正得到越来越广泛的应用，并且其应用还在不断向新的领域发展。为了实现这些硬脆材料的高效高质加工，依靠高强度刀具对工件材料的传统机械切削加工方式正逐步让位于采用机与电、化学、光、声等能量相结合的特种加工方式，超声加工技术因此应运而生。

超声技术在工业中的应用开始于上个世纪10到20年代，是以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。超声技术的应用可划分为功率超声和检测超声两大领域。其中，功率超声是利用超声振动形成的能量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种状态改变加快的一门技术。功率超声在机械加工方面的应用按其加工工艺特征，大致分为两类：一类是带磨料的超声磨料加工(包括游离磨料和固结磨料)即传统超声波加工，另一类是采用切削工具与其它加工方法相结合形成的超声复合加工即旋转超声波加工。

1传统超声波加工

传统超声波加工(Conventional Ultrasonic Machining)是利用磨粒对工件的冲击进行加工。其加工原理是超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，再通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动。此时振幅比较小，再通过变幅杆，使固定在变幅杆端部的工具振幅扩大到加工所需的振动，如图1所示。将含有磨粒(通常为立方氮化硼或碳化硅)的磨料悬浮液输入到工具和工件表面之间，工具以约20 kHz的频率振动，磨粒在工具的振动下高速冲击工件表面，导致工件表面被冲击处的微小体积材料碎裂脱落，这样就得到了与工具表面相反的工件表面外形。它的缺陷在于：随着加工深度的增加磨料悬浮液要进入到工具与工件表面之间变得越来越困难，加工效率随之降低；另外，随着磨料悬浮液的流动，孔径变太，孔加工精度降低。而且只能用于一维加工之中，要得到一定三维形状的工件就需要制作与工件形状凸凹相反的工具，这就使得工具制造周期长，工件的制造成本提高，而且在工具加工工件过程中，存在以下问题：(1)加工工具的更换比较麻烦；(2)由于加工中工具质量变化和力的传导等因素使加工质量受到影响；(3)当复杂型腔面积和深度大时，由于悬浮磨料在加工间隙内分布不均匀，导致加工表面完整性不好。

图1 传统超声波加工原理示意图

2旋转超声波加工原理

旋转超声波加工(Rotary USM)是在传统超声波加工的基础上发展起来的，是将旋转运动叠加在作超声振动的工具上，工具是由在钢的表面电镀立方氮化硼或由金属粉末和立方氮化硼磨料高温烧结而成，在加工过程中不需要加入磨料悬浮液，只需要用水带走被加工材料微粒和冷却工具，如图2所示它与传统超声波加工不同之处在于：工具在作超声振动的同时附加了旋转运动；工具直接接触工件表面，实现面接触，这种加工方法把超硬磨料的优良切削性能和工具的超声频振动结合在一起，与传统超声波加工相比，具有以下优点：(1)加工速度快；(2)加工精度高；(3)工具磨损小；(4)对加工材料的适应性广。

图2传统超声波加工和旋转超声波加工示意图

2.1超声振动的捶击作用

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加速度1 A f a 2

)2(π=，

取工具头的振动频率f 为20 kHz, 工具头的振幅A 为15m, 则瞬时加速度 1≈2/240s km ， 假设加工时静压力0F 为 15 N ，则材料表面受到的锤击冲击力相当于为0. 36MN ，工件的局部力将远远超过材料的断裂极限，导致工件材料表面产生压痕，导致微细裂纹的产生和扩展，以致材料的微观局部破碎去除。

2.2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表面上划擦、 磨抛、 撕扯工件材料,从而大大加速微裂纹的扩展,造成材料的宏观破碎去除。

目前国内外学者所建立的旋转超声加工材料去除理论模型,也主要考虑这一作用机理,参考超硬磨料工具切磨削机理,借助扫描电镜等先进测试手段对加工形貌的观察,结合工具与工件几何运动学过程的分析而形成的。如对于旋转超声钻削先进陶瓷的材料去除机理, Markov 等认为, 旋转超声钻削加工中, 材料表面微观和宏观裂纹以及裂纹的扩展是导致材料发生脆性断裂去除的唯一机理。Prab-hakar 和Pei 等先后于1993和1995年推导出基于脆性断裂去除模式的旋转超声钻削中材料去除率理论模型。1995年Pei 等人采用旋转超声端面铣削方法加工陶瓷, 发现材料的去除机理包括脆性去除和塑性去除；并且通过调整旋转超声钻削参数, 可以实现塑性和脆性去除的不同比例。Pei 等人于1998年提出基于塑性变形去除模式的旋转超声钻削中材料去除率理论模型。

2.3超声空化作用

通过流体动力学可知,当超声波传播到液体介质的时候,液体中的微气泡在声场的作用下产生振动,当声压达到一定强度时,气泡将迅速膨胀,然后突然闭合,在气泡闭合瞬时产生冲击波,这种气泡膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称为声空化效应。超声加工中,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,将促使工作液进入被加工材料的微裂缝处,加剧机械破坏作用,强化加工过程。

2.4液压冲击和旋转运动促进了碎屑的排出

超声空化爆破作用和工具的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,加速碎屑的排除,使得加工区工作液的保持动态平衡，从而保证了加工的进行。

以上4点是国内外众多学者形成的关于旋转超声加工的主要作用机理，实验结果表明，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，材料的去除率得到很大的提高，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。

3旋转超声波加工工具

旋转超声加工中，超声加工工具必须能够承受高频交变载荷并有效地传导由变幅杆传递过来的振幅。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。如果工具内部有裂纹等缺陷，振动能量会产生反射和衍射，导致能量衰减剧增，从而无法实现超声能量的有效传递。并且此时在超声能量的作用下，裂纹会迅速扩展，导致工具失效。

目前设计的超声加工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，但可能出现工具松动、超声能量损失以及疲劳破坏等问题。采用中空变幅杆和工具在硬脆材料上加工深孔时，可通过变幅杆和工具的中心孔供给磨料，使磨料供给能力得到增强，使加工效率得到提高。工具材料应具有高的抗磨损性、好的弹性和高的疲劳强度。常用的工具材料有硬质合金和蒙乃尔铜一镍合金等，其韧性和硬度要具有最佳值。

为了提高超声加工的经济性，在有效提高材料去除率的同时，有必要延长工具的寿命。在众多学者对于超声加工的去除机理模型的研究中，工具材料的选择并没有得以体现。但是实际应用中，刀具材料的选择对加工工件材料去除率、加工工件形貌和刀具寿命有着重要影响。

另外，目前国内外从事旋转超声加工研究所用的工具均为电镀或者粉末冶金烧结的金刚石工具，但其磨损大，寿命短。而钎焊金刚石工具能在结合界面上实现化学冶金结合，具有高出露度的特点，可以提供更大的容屑空间，减小加工过程中工具、磨屑和工件的摩擦。但目前还没有利用钎焊工具进行旋转超声加工的报道，而且对于工具端面的形状对加工过程的影响，也少见报道。华侨大学在自主开发的旋转超声加工机床上，结合工具材料的选择、断续和连续环面工具基体的设计和优化，针对典型石材工件，进行包括游离磨料非旋转超声、游离磨料旋转超声和同结磨料旋转超声大截面铣削加工的实验研究，对加工过程中静压力和扭矩进行在线监控。采用光学显微镜对工件加工表面质量和工具磨料磨损形貌进行观察，分析各加工参数对材料去除率的影响规律，为全面认识和分析旋转超声加工过程提供了基础。首次提出将真空钎焊工具应用于超声加工领域，磨损实验显示，钎焊金刚石工具相对传统工具的优势在超声加工中得以更好地发挥，材料的去除率以及工具的寿命都有显著的提高。

4结语

目前，旋转超声加工在许多工业领域正得到越来越广泛的应用，例如汽车工业、工具和模具制造、光学元件、半导体工业、医疗工业等领域。旋转超声钻削加工、旋转超声铣削加工、旋转超声磨削加工等旋转超声波加工迅速发展，克服了普通加工时出现的一系列问题，从而大大提高了加工精度。

综观国内外旋转超声加工技术的研究现状, 国外部分国家相继开发了性能优良的数控