超声加工技术的研究现状及其发展趋势

超声加工技术的概况及其未来发展趋势分析

摘要：结合了近年来超声加工技术的发展情况，综述了超声振动系统的研究发展和超声加工技术在深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、难加工材料的加工、超声振动切削、超声复合加工等方面的最新应用，并阐述了超声加工技术的发展趋势。

关键词：超声加工；超声振动系统；超声复合加工；微细超声加工；超声振动切

Abstract:Based on the up to date of the development of ultrasonic machining technology, review the research and development of ultrasonic vibration system and ultrasonic machining deep hole processing technology, drawing mold and cavity mold polishing, machining difficult materials, the ultrasonic vibration cutting, ultrasonic compound in processing and other aspects of the latest applications, and describes the ultrasonic machining technology trends.

Key words:ultrasonic machining; ultrasonic vibration system; ultrasonic composite processing; micro ultrasonic machining; ultrasonic vibration cutting

超声加工是利用超声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频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。

超声加工原理图

几十年来，超声加工技术的发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声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 超声振动系统的研究概况及其应用

超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。在传统应用中，超声振动系统大都采用一维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要，对振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展。

日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。

东南大学研制了一种新型超声振动切削系统。该系统采用压电换能器，由超声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调节机构及刀具等部分组成。当发生器输出超声电压时，它将使级联晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现超声振动。该装置的特点是：能量传递环节少，能量泄漏减小，机电转换效率高达90%左右，而且结构简单、体积小，便于操作。

沈阳航空工业学院建立了镗孔用超声扭转振动系统[1]，采用磁致伸缩换能器，将超声波发生器在扭转变幅杆的切向作纵向振动时在扭振变幅杆的小端就输出沿圆周方向的扭转振动，镗刀与扭振变幅杆之间采用莫氏锥及螺纹连接，输出功率小于500W，频率为16～23 kH z，具有频率自动跟踪性能。

西北工业大学设计了一种可在内圆磨床上加工硬脆材料的超声振动磨削装置。该装置由超声振动系统、冷却循环系统、磨床连接系统和超声波发生器等组成，其超声换能器采用纵向复合式换能器结构，冷却循环系统中使用磨削液作为冷却液；磨床连接系统由辅助支承、制动机构和内圆磨床连接杆等组成。该磨削装置工具头旋转精度由内圆磨床主轴精度保证，结构比专用超声波磨床的主轴系统要简单得多，因此成本低廉，适合于在生产中应用。

另一种超声扭转振动系统已在“加工中心”用超声扭转振动装置上应用。主要用作电火花加工后的模具异形(如三角形、多边形)孔和槽底部尖角研磨抛光，以及非导电材料异形孔加工。该振动系统的换能器是采用按圆周方向极化的8块扇形压电陶瓷片构成，产生扭转振动。

2 超声加工技术应用研究

2.1 深小孔加工

众所周知，在相同的要求及加工条件下，加工孔比加工轴要复杂得多。一般来说，孔加工工具的长度总是大于孔的直径，在切削力的作用下易产生变形，从而影响加工质量和加工效率。特别是对难加工材料的深孔钻削来说，会出现很多问题。例如，切削液很难进入切削区，造成切削温度高；刀刃磨损快，产生积屑瘤，使排屑困难，切削力增大等。其结果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具寿命短。采用超声加工则可有效解决上述问题。

前苏联在20世纪60年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。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。日本已经制

成新型UMT-7三坐标数控超声旋转加工机，功率450 W，工作频率20 kHz，可在玻璃上加工孔径1.6 mm、深150 mm的深小孔，其圆度可达0.005 mm，圆柱度为0.02 mm。英国申请了电火花超声复合穿孔的专利，该装置主要用于加工在导电基上有非导电层

的零件，如在金属基上涂有压电陶瓷层的零件。整

个加工过程分两个阶段进行：首先用超声振动将非

导电层去除掉，当传感器感知金属层出现时，即改

用电加工或电火花与超声复合的方法进行加工。该

装置有效地解决了具有导电层和非导电层零件孔的

加工问题。

哈尔滨工业大学研究了Ti合金深小孔的超声电火花复合加工。该工艺将超声振动引入到精密电火

花加工中，通过研究超声振动对电火花精加工过程

的影响，开发出了一种将超声和电火花结合在一起

的新型4轴电火花加工装置。实验研究表明，应用

该装置可以在Ti合金上加工出φ>0.2 mm、且深径比<15的深小孔。

兵器工业五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效

加工的新方法——超声振动磨削，进行了超声振动

磨削和普通磨削陶瓷深孔的对比实验。结果表明，

超声振动磨削可明显提高陶瓷加工效率，能有效地

消除普通磨削产生的表面裂纹和凹坑，是陶瓷深孔

精密高效加工的新方法。

2.2 拉丝模及型腔模具研磨抛光

聚晶金刚石拉丝模超声研磨抛光技术在国内外

已获得广泛应用，新的超声研磨抛光方法和设备已

出现。北京市电加工研究所提出的“超硬工具材料

电火花超声波复合抛光方法”，其特点是：采用超

声频信号调制高频电火花脉冲电源与超声加工复合

进行聚晶金刚石拉丝模研磨抛光。该技术已获得国

家专利，并在生产中获得应用。

模具钢的超声抛光进行了基础性研究，研制了

一套高效的超声抛光系统，应用该系统对模具钢进

行了抛光试验，研究结果表明此系统大大提高了模