超声振动辅助磨削技术研究进展汇总

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。
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
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。
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
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
磨
削
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
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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
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
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
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。
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
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
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
研究现状
一 Uhlmann通过单颗磨粒划擦试验，分析了先进陶
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。
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
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。