超声振动辅助磨削技术研究进展

动 磨 界上首次提出并实现采用超声频调制电火花与
削 超声波复合的研磨、抛光加工技术。与纯超声 技
术 波研磨、抛光相比，效率提高5倍以上，并节约
发 展
了大量的金刚石磨料。
回
顾
发展回顾
超 声
20世纪80年代后期，天津大学李天基等人在
振 高速磨削的同时对磨头施以超声振动，提出了
动 磨 高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的
面质量较高，但会使切向磨削力急剧升高，导致
声 磨削力比达到了磨削加工塑性金属材料的程度。
振
动
磨
削
技
术
研究现状
一
一维轴向超声振动磨削优点在于加工表
维
面质量的显著提高；一维径向超声辅助
超
声
磨削优点在于加工效率的大幅度提高；
振 动
小结 一维切向超声辅助磨削在应用上有局限
磨
性。
削
技
术
研究现状
铃木清等开发了一种超声波椭圆振动磨削技术，
磨 削
主要由垂直方向粗糙度决定，通过改变加工参数
技 方法很难显著降低表面粗糙度。
术
研究现状
一 Denkena研究发现在轴向振动磨削过程中，砂轮 维
轴 轴向分布的不同磨粒对工件起重复研磨作用，从
向 超
而能获得高质量加工表面。还指出使用普通粒径
声 大小的砂轮磨粒进行超声波磨削时，超声波辅助
振 动 作用对表面质量不会有积极影响。
研究现状
一 Uhlmann通过单颗磨粒划擦试验，分析了先进陶
维 径 瓷径向振动磨削的表面形成机制。试验表明超声
向 超
辅助改变了磨粒加工运动轨迹，导致磨粒与工件
声 的断续接触，得到断续切削沟槽。
振
动
磨
削
技
术
研究现状
一 Qu指出径向振动磨削的最大未变形切屑厚度远
维 径 大于普通磨削的切屑厚度，从而比磨削能会大幅
超 声
料去除率显著增加，并且随着砂轮转速的降低而
振 增加；与普通磨削相比，粗糙度没有明显改变，
动 磨
加工表面龟裂较少，形成比较均一的微观断裂表
削 面。 技
术
研究现状
赵波等开发了能显著提高加工表面质量的二维超
二 维 声振动辅助磨削技术。该技术利用2个互相垂直
超 声
放置的压电陶瓷换能器，对工件同时施加砂轮切
削
技
术
研究现状
上述二维振动磨削技术充分利用了一维振动磨削
二 维 的特点，具有优越的综合加工性能，但也存在一
超 声
定的应用局限和使用要求。平行于砂轮端面的二
振 维振动磨削，材料加工效率显著提高但表面粗糙
动 磨
度没有明显变化，加工过程中使用磨削速度较
削 低，这在一定程度上限制了该技术的广泛应用。 技
术
磨
削
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
技
术
研究现状
一 Tawakoli 开 发 了 一 种 干 式 轴 向 超 声 振 动 磨 削
维 轴
42CrMo4技术，试验证实表面粗糙度提高，法向
向 磨削力和热损伤显著降低。
超
声
振
动
磨
削
技
术
研究现状
机理：超声振动促使磨粒产生断续切削作用，而
一 维
冲击载荷促使工件材料更容易卷积，在切削区生
轴 成较多的微观裂纹扩展，促使磨削力以及摩擦系
UV优AM点
提高脆性与研性域发生转变的临界切 削深度，实现脆性材料的延性域加 工，使复杂光学元件表面超精密加工 可以不须采用磨削和抛光的方法完成 加工。
发展回顾
超 声
首先是应用在材料的切削加工
振 1927年，R.W.Wood和A.L.Loomis发表了有
动 磨 关超声波加工的论文，超声加工首次提出。
向 超
数减小.
声
振 动
机理：材料的塑性变形主要发生在滑擦和犁削作
磨 用阶段，由于垂直于切削方向的超声振动促使滑 削
技 擦和犁削比例相对减小，从而比磨削能减小，表
术 面热损伤也显著降低。
研究现状
径向超声振动磨削在提高加工效率以及改善砂轮 一
维 使用性能等方面具有显著优势。
径
向
超
声 Mult等对烧结氮化硅以及氧化铝陶瓷进行径向超 振 动 声磨削试验，发现磨削力大幅度减小以及材料去
向 超
度降低。Qu等还证实当磨削速度与振动频率的
声 比值较小时，超声振动对表面裂纹扩展的阻碍作
振 动
用显著。
磨
削
技
术
研究现状
一 局限性：一般仅适合在较大的振动振幅以及较小
维 切 的砂轮速度的条件下应用。
向 超
原因：材料的去除是利用切削刃与工件材料的周
声 期分离作用，而在较高的砂轮速度下，工件振动
振 动
的最大速度小于砂轮线速度则不会发生切削刃与
磨 工件的分离，此时超声振动对加工作用的影响将 削
技 不显著。
术
研究现状
一 田中行雄等研究了砂轮切向超声振动对不锈钢工
维 切 件材料去除率及表面形貌的影响，结果表明：材
向 超
料去除率的增加不显著；由于砂轮旋转一周时单
声 颗磨粒对工件上同一点的重复切削次数增加，导
超 声
的周期分离现象，磨削刃作用时间变短，摩擦系
振 数大幅度降低，从而促使磨削力大幅度减小，材
动 磨
料去除率显著增大。
削
技
术
研究现状
轴向振动使不同磨削刃的切削轨迹互相干涉而产
二 维 生重复研磨作用，使磨削沟槽的尺寸变宽变浅，
超 声
同时由于磨粒巨大的加速度冲击作用，减少了材
振 料的加工塑性变形，比磨削能降低，表面热损伤
削 技
超声加工提高了6倍以上，表面质量也有了大幅
术 提高。
发 展
20世纪90年代后，超声振动辅助加工成为了
回 研究热点。 顾
发展回顾
超 声
目前的研究集中在参数(砂轮转速、振动幅度
振 与频率、金刚石类型、磨粒尺寸、结合剂类型
动 磨 、冷却液和压力等)对加工性能(MRR、切削力和
削 表面粗糙度)的影响。 技
振 动
致表面粗糙度的增加。
磨
削
技
术
研究现状
一 张洪丽从几何运动学角度建立了单颗磨粒的切削
维 切 模型，证实切向超声振动辅助磨削可以得到更短
向 超
的切屑，更长的切削路径。
声
振
动
磨
削
技
术
研究现状
一 任升峰等对Nd-Fe-B永磁材料进行研究，结果表
维 切 明切向超声振动磨削使法向磨削力有所降低，表
向 超
振 人对超声椭圆振动切削技术进行了深入研究，
动 磨 利用金刚石刀具采用双激励双弯曲合成椭圆振
削 动的方式对黑色金属、淬火不锈钢进行精密车 技
术 削，最小表面粗糙度可以达到Ra0.0106um，不
发 展
但解决了金刚石不能加工黑色金属的难题，而
回 且使这项技术达到了实用化阶段。 顾
发展回顾
超 声
20世纪50年代，我国开始进行了振动加工的
振 向及轴向的超声振动，磨粒相对于工件的运动轨
动 磨
迹为椭圆回转形状。
削
技
术
研究现状
对纳米氧化锆陶瓷的磨削试验结果证实超声振动
二 维 磨削的表面质量明显提高，粗糙度可减小30%～
超 声
40%，磨削力减小20%～30%，砂轮的使用寿命
振 提高，材料去除率提高并且能够增加延性域切削
动 磨
深度，实现陶瓷材料的精密加工。
究
发展趋势
微细超声加工技术
以微机械为代表的微细制造是现代制造技术中
发 的一个重要组成部分。晶体硅、光学玻璃、工
展 程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，使
趋 势
硬脆材料的高精度三维微细加工技术成为一个
重要研究课题。
发展趋势
目前可适用于硬脆材料微细加工的手段主要有
光刻、电火花、激光、超声加工等特种加工技
装置通常可输出功率1kW，切削深度为0.01～
0.06mm。
发展趋势
超声椭圆振动加工技术的研究
超声波椭圆振动加工技术已越来越受到国际学
发 术界和企业界的重视。但是，超声波椭圆振动
展 加工在理论和应用方面还有许多工作要做。尤
趋 势
其是对硬脆性材料的超精密加工、微细部位和
微细模具的超精密加工等方面还需要进一步研
振 初步应用研究工作，对超声振动磨削机理进行
动 磨 了探索研究。
削 技
1985年前后机械电子工业部第11研究所研制
术 成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷等硬脆材
发 展
料的内外圆磨削加工中取得了优异的工艺效
回 果。 顾
发展回顾
超 声
1987年北京市电加工研究所研究成功了超硬
振 材料超声电火花复合抛光技术。这项技术是世
研究现状
平行于工件平面的二维超声辅助磨削技术，在加
二 维 工效率以及加工质量等诸多方面表现了优异的性
超 声
能，但是该技术要求满足一定的条件才能充分发
振 挥超声波振动磨削的优点，即需综合调整加工参
动 磨
数使磨粒一个振动周期所用的时间小于磨粒切入
削 切出工件所用的时间，从而保证磨粒在磨削过程 技
术 中与工件材料发生分离。
磨 削
除率显著增加，同时伴随着粗糙度的轻微增加以
技 及砂轮磨损加剧。
术
研究现状
法向磨削力减小的主要原因归结为超声振动的工 一 维 件与磨粒切削刃发生断续接触，减少了实际接触
径 向
时间，有效降低了摩擦系数。
超
声
振 动
砂轮磨损的增加是由于较低的摩擦力以及热载荷
磨 作用，磨粒整体脱落数量减少而单颗磨粒的微观
研究现状
为进一步发挥超声振动磨削技术的优势，梁志强
二 维 等开发了一种垂直型椭圆振动磨削技术，即砂轮
超 声
径向与砂轮轴向超声振动复合磨削加工技术。其
振 显著特点为磨削过程中单颗磨粒相对工件的加工
动 磨
运动轨迹为空间螺旋线。
削
技
术
研究现状
径向振动使磨粒的切削深度呈周期性改变，磨粒
二 维 的最大磨削深度增加，并且伴随发生磨粒与工件
削 技
脆性断裂增加。
术
研究现状
粗糙度的轻微增加可能是由于同时发生切削作用
一 维
的有效磨粒切削刃数量增加以及工件表面塑性变
径 形减小所致。 向
超
声
振 在磨粒一次切削周期内，磨粒切削刃比普通磨削 动 磨 更早的切入以及更晚地脱离工件表面，这增长了
削 技
脉冲作用周期，增加了接触压力，由此产生了更
术 多材料微观断裂，促使材料去除率增加。
二 维 将金刚石磨粒电镀在椭圆振动超声波马达的定子
超 声
表面制成椭圆振动砂轮，磨削加工时砂轮作旋转
振 运动以及垂直进给运动，工件在工作台水平面作
动 磨
平移运动，此加工方法在本质上是砂轮切向振动
削 与径向振动复合的磨削方法。 技
术
研究现状
利用此技术对单晶硅材料进行磨削试验，研究结
二 维 果表明：椭圆振动磨削的磨削力大幅度降低；材
前言
UVAG是一种间歇式的加工方法； 小幅的振动以超声频率附加在工具或工件上，使 得加工工具的运动学发生改变； 结合了金刚石磨削加工材料去除机理和超声加工 特点的复合磨削加工技术。
前言
优点 可产生加工力减小和切屑减薄的效果 优点 改善工件表面精度和形状精度
前言
优点 提高材料去除率，延长工具的寿命
发 展
超声振动磨削加工在难加工材料和高精度零件
回 的加工方面显示了很大的优越性。 顾
发展回顾
超 声
1986年日本学者石川健一受超声电机椭圆振
振 动特性启发，首次提出了“椭圆振动切削方
动 磨 法”（elliptical vibration cutting）。
削
技
术
发
展
回
顾
发展回顾
超 声
20世纪90年代初，日本神户大学社本英二等
术
发展趋势
超声振动辅助磨削技术是一个新的研究领域， 其加工机理、加工方法及加工装置的研究还有
发 待于深入和完善。 展 趋 势
发展趋势
高效稳定超声振动系统研究
现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率
发 小、能耗高，因此，期待实用的大功率振动系
展 统到目前为止，输出能量为4kW的振动系统已
趋 势
研制出来并投产使用。在日本，超声振动切削
动 磨
以及变质层厚度减小，从而能够显著提高表面质
削 量。 技
术
研究现状
分别用单晶硅以及蓝宝石晶体作为加工工件，
二 维 进行磨削试验，结果证实磨削力降低可达
超 声
30%，表面粗糙度降低达到20%，并且加工表
振 面较为光滑，表面光洁度显著提高。这表明椭
动 磨
圆振动磨削技术在提高加工效率和表面质量方
削 面具有更好的综合加工性能。 技
削 技
1945年，L.Balamuth申请了关于超声加工的
术 专利。
发
展
回
顾
发展回顾
超 声
20世纪50～60年代日本学者隈部淳一郎对振
振 动切削进行系统研究，提出了振动切削理论，
动 磨 并成功实现了振动磨削加工 。
削 技
20世纪60年代，英国Hawell原子能研究中心
术 的科学家发明了新的超声磨削复合加工方法。
超声振动辅助磨削技术研究进展
汇报人：张玉周 导 师：徐西鹏 教授
内容
1
前言
2
发展回顾
3
研究现状
4
发展趋势
前言
不足
概念
优势
前言
航空、电子、光学及通信工业的新技术迅猛发展， 对硬脆性材料、难加工材料和新型先进材料的需求 日益增多，对关键零件的加工效率、加工质量和加 工精度提出了更高的要求。
前言
传统加工方法是超精密磨削和单点金刚石切削； 产生较大的磨削力以及磨削热，引起工件表面、 亚表面损伤以及砂轮寿命低； 严重制约着零件加工精度及加工效率。
术
发
展
回
顾
内容
研究现状
技术类型 一维轴向 一维径向 一维切向
二维
研究现状
技 术 类 型
研究现状
轴向超声振动被应用到工件或者砂轮上，能够同 一
维 时减小平行与垂直方向的粗糙度，从而有效提高
轴 向
表面质量。
超
声 Wang等证实工作台进给速度与砂轮转速对垂直 振 动 于磨削方向的粗糙度影响较小，并且表面粗糙度