超聲波加工技術(shù)研究本科

1、<p>　　襄 樊 學(xué) 院 理 工 學(xué) 院</p><p>　　畢業(yè)論文 </p><p>　題 目超聲波加工技術(shù)研究</p><p>　專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（機(jī)制方向）</p><p&

2、gt;　班 級(jí)</p><p>　姓 名</p><p>　學(xué) 號(hào)</p><p>　指導(dǎo)教師職 稱</p><p><b>　　超聲波加工技術(shù)研究</b></p><p>　　摘要：超聲波加工技術(shù)因?yàn)槠涮赜械募庸ぬ匦员粡V泛應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其在機(jī)械加工中，比如研磨、深小孔加工探

3、傷，清洗等。而在再紡織、化工、食品方面也應(yīng)用頗多，一些普通加工難以完成的工作通過超聲波加工可以輕而易舉地完成。本論文就超聲波加工技術(shù)的原理、發(fā)展及在以上方面的應(yīng)用做出初步的研究和探索。</p><p>　　首先，對(duì)超聲波加工的原理和產(chǎn)生機(jī)理做出了解，超聲波加工是利用振動(dòng)頻率超過16000Hz的工具頭，通過懸浮液磨料對(duì)工件進(jìn)行成型加工的一種方法。</p><p>　　其次，對(duì)超聲波加工技術(shù)再

4、機(jī)械加工中的應(yīng)用做出研究，通過實(shí)例分別探討其在研磨、洗削加工、深小孔加工中的應(yīng)用，并與常規(guī)加工手段進(jìn)行對(duì)比。</p><p>　　再者對(duì)超聲波加工在清洗與探傷中的 應(yīng)用做出基本的應(yīng)用探究。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲波加工，機(jī)械加工，其他應(yīng)用 </p><p>　　Application Research of Machining Technology Bas

5、ed on Ultrasonic</p><p>　　Abstract Ultrasonic machining technology because its peculiar processing characteristics are widely used in all walks of life, especially in mechanical processing, such as grinding,

6、 deep hole processing scald, cleaning, etc. And again in textile, chemical, food, some quite also applies to the finished work of ordinary processing by ultrasonic machining can easily finish. This paper, the principle o

7、f the ultrasonic machining technology development and application of the above make preliminary res</p><p>　　First, the principle of ultrasonic machining and its mechanism, ultrasonic machining is to know to

8、 use vibrations frequency of more than 16,000 Hz, through suspension abrasive tool to head the forming of a kind of method.</p><p>　　Secondly, of ultrasonic machining technology to the application of mechani

9、cal processing make research, through examples in this paper the grinding and wash cut</p><p>　　processing, deep hole processing applications, and compared with the conventional processing methods.</p>

10、<p>　　Moreover of ultrasonic machining in cleaning and testing the application of the application to make basic study.</p><p>　　Key words: Ultrasonic machining, mechanical processing, other applicatio

11、ns </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒論- 1 -</p><p>　　1.1超聲波的概念- 1 -</p><p>　　1.2 超聲波的產(chǎn)生- 1 -</p><p>　　1.3超聲波的兩個(gè)參數(shù)及其特點(diǎn)- 1 -</p><

12、p>　　1.5 超聲波加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)- 2 -</p><p>　　1.6超聲波加工技術(shù)的基本原理- 4 -</p><p>　　1.6.1超聲波加工機(jī)床簡(jiǎn)介- 5 -</p><p>　　1.6.2 超聲振動(dòng)加工- 5 -</p><p>　　1.6.3 超聲復(fù)合加工- 6 -</p><p

13、>　　1.7研究的目的與意義- 8 -</p><p>　　第二章 超聲波精密研磨- 9 -</p><p>　　2.1超聲研磨的原理- 9 -</p><p>　　2.2 超聲波研磨的裝置- 11 -</p><p>　　第三章 超聲波深小孔加工- 13 -</p><p>　　3.1超聲波振動(dòng)鉆的基

14、本原理- 13 -</p><p>　　3.2超聲波加工的刀具- 16 -</p><p>　　3.3刀具與機(jī)體的連接- 17 -</p><p>　　3.4 超聲波加工深小孔的實(shí)際應(yīng)用—對(duì)玻璃小孔的鉆削加工- 18 -</p><p>　　3.4.1磨料選擇- 18 -</p><p>　　3.4.2工具的

15、振幅與頻率的選擇- 18 -</p><p>　　3.4.3加工壓力的選擇- 18 -</p><p>　　3.4.4磨料懸浮液濃度的參數(shù)選擇- 18 -</p><p>　　3.4.5加工效果與缺陷- 19 -</p><p>　　第四章 超聲波銑削加工- 20 -</p><p>　　4.1 超聲波銑削加

16、工的原理與特點(diǎn)- 20 -</p><p>　　4.2 超聲銑削機(jī)床- 21 -</p><p>　　4.3超聲波銑削加工中材料去除率模型- 21 -</p><p>　　4.4分層厚度對(duì)材料去除率的影響- 24 -</p><p>　　第五章 超聲波的其他應(yīng)用- 25 -</p><p>　　5.1.超聲波

17、探傷- 25 -</p><p>　　5.1.1 超聲波探傷的概念- 25 -</p><p>　　5.1.2 超聲波探傷的原理- 25 -</p><p>　　5.1.3.超聲波探傷在管道焊縫中的實(shí)例應(yīng)用及分析- 26 -</p><p>　　5.1.4 超聲波技術(shù)在探傷應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)- 29 -</p><p

18、>　　5.2超聲波清洗- 30 -</p><p>　　5.2.1超聲波清洗的基礎(chǔ)- 30 -</p><p>　　5.2.2超聲波清洗原理- 30 -</p><p>　　5.2.3超聲波清洗機(jī)- 31 -</p><p>　　5.2.4超聲波清洗的主要技術(shù)參數(shù)- 31 -</p><p>　　5.2

19、.5影響超聲波清洗的技術(shù)參數(shù)- 32 -</p><p>　　5.2.6超聲波清洗的優(yōu)點(diǎn)- 32 -</p><p>　　第六章 總結(jié)- 33 -</p><p>　　致 謝- 34 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 35 -</p><p><b>　　第一章 緒論</b></

20、p><p>　　超聲波加工包括超聲振動(dòng)加工和超聲復(fù)合加工兩種方法這兩種超聲波加工方式在一些常規(guī)加工方式無法解決完成的時(shí)候它們能很容易的進(jìn)行加工。這種精度高、效果明顯、效率高的特種加工方式廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、紡織、食品加工等方面。</p><p><b>　　1.1超聲波的概念</b></p><p>　　科學(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它

21、的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20～20000Hz。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20KHz或小于20Hz時(shí)，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。</p><p>　　1.2 超聲波的產(chǎn)生</p><p>　　聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)形式。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振

22、動(dòng)狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。 超聲波是指振動(dòng)頻率大于20000Hz以上的；其每秒的振動(dòng)次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20000Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)模式，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲波頻率高，波長(zhǎng)短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超聲成象所用的頻率范圍在 2～5兆H

23、z之間，常用為3～3.5兆Hz（每秒振動(dòng)1次為1Hz，1兆Hz=10^6Hz,即每  秒振動(dòng)100萬次，可聞波的頻率在16～20,000HZ 之間）。超聲波是聲波大家族中的一員。</p><p>　　1.3超聲波的兩個(gè)參數(shù)及其特點(diǎn)</p><p>　　超聲波的兩個(gè)主要參數(shù)：</p><p>　　頻率：F≥20KHz（在實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)樾Ч嗨?，通?/p>

24、把F≥15K的聲波也稱為超聲波）；</p><p>　　功率密度：p=發(fā)射功率(W)/發(fā)射面積(cm2)，通常p≥0.3w/cm2， 在液體中傳播的超聲波能對(duì)物體表面的污物進(jìn)行清洗，其原理可用“空化”現(xiàn)象來解釋：超聲波振動(dòng)在液體中傳播的音波壓強(qiáng)達(dá)到一個(gè)大氣壓時(shí)，其功率密0.35w/cm2，這時(shí)超聲波的音波壓強(qiáng)峰值就可達(dá)到真空或負(fù)壓，但實(shí)際上無負(fù)壓存在，因此在液體中產(chǎn)生一個(gè)很大的壓力，將液體分子拉裂成空洞—空化核。

25、此空洞非常接近真空，它在超聲波壓強(qiáng)反向達(dá)到最大時(shí)破裂，由于破裂而產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊將物體表面的污垢撞擊下來。這種由無數(shù)細(xì)小的空化氣泡破裂而產(chǎn)生的沖擊波現(xiàn)象稱為“空化”現(xiàn)象。太小的聲波無法產(chǎn)生空化效應(yīng)。</p><p><b>　　超聲波的特點(diǎn)：</b></p><p>　　(一)超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中；</p><p>　　(二)超

26、聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離；</p><p>　　(三)超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)）。</p><p>　　超聲波是一種波動(dòng)形式，它可以作為探測(cè)與負(fù)載信息的載體或媒介（如B超等用作診斷）；超聲波同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過一定值時(shí)，它就可以通過與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀

27、態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。</p><p>　　1.5 超聲波加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　超聲波加工技術(shù)的研究最早可追溯到1927年美國(guó)物理學(xué)家R．w．Wood和A1fred Loomis的奠基性工作，他們利用強(qiáng)烈的超聲振動(dòng)在玻璃板進(jìn)行雕刻和快速鉆孔，但當(dāng)時(shí)并未應(yīng)用在工業(yè)上。在1939～1945年期間，這項(xiàng)技術(shù)僅局限于使用金剛石粉末作為切割介質(zhì)鉆削和切割石英晶體、半

28、導(dǎo)體和寶石，后來才用于切割金屬及硬質(zhì)合金。1945年美國(guó)工程師L.Balamuth獲得第一個(gè)超聲波加工專利，自此，超聲波加工才引起了人們極大的關(guān)注，并在工業(yè)中有了較大范圍的應(yīng)用。超聲波加工曾被稱為超聲波鉆削、超聲波切削、超聲波尺寸加工、超聲波磨削以及懸浮液鉆削等，但是從50年代早期以來最普遍的稱法還是超聲波加工或超聲波沖擊磨削。早期研究發(fā)現(xiàn)使用超聲波加工方法，所有的脆性材料，如玻璃、陶瓷、硬質(zhì)合金、寶石，甚至金剛石都能被加工。從1953

29、年到1955年，根據(jù)鉆削和銑削加工機(jī)床，幾個(gè)國(guó)家研制出單個(gè)超聲波加工工具原型，并于1954年由L.Balamuch研制出第一臺(tái)超聲波加工機(jī)床。到60年代，可以看到各種類型和尺寸的加工工具，一些機(jī)型開始進(jìn)入有規(guī)律的生產(chǎn)，此階段超聲波加工的快速進(jìn)展。</p><p>　　二十世紀(jì)50年代中期，日本、蘇聯(lián)將超聲加工與電加工(如電火花加工和電解加工等)、切削加工結(jié)合起來，開辟了復(fù)合加工的領(lǐng)域。這種復(fù)合加工的方法能改善電加

30、工或金屬切削加工的條件，提高加工效率和質(zhì)量。</p><p>　　60年代初，美國(guó)開始了超聲加工的研究工作。由于當(dāng)時(shí)超聲加工技術(shù)還很不成熟，包括聲振系統(tǒng)、換能器的設(shè)計(jì)制造和質(zhì)量都較差，美國(guó)的研究工作曾經(jīng)停頓了10年。70年代中期，美國(guó)在超聲鉆中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，己處于生產(chǎn)應(yīng)用階段：超聲車削、鉆孔、鏜孔已處于試驗(yàn)性生產(chǎn)設(shè)備原型階段；通用超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)已供工業(yè)應(yīng)用，目前已形成部分標(biāo)準(zhǔn)。<

31、/p><p>　　自80年代以后，新的合成材料和陶瓷材料進(jìn)展很快，促進(jìn)了超聲波加工技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)電火花力HI(EDM)出現(xiàn)后，它代替了超聲波加工硬的鋼鐵，效率更高，應(yīng)用到許多場(chǎng)合中。80年代中期，隨著電火花線切割的成功進(jìn)展，減少了超聲波加工硬質(zhì)合金的市場(chǎng)，超聲波加工的主要應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)榍懈畈Ａ?、石英、陶瓷和硅板等低?dǎo)電性的硬脆材料。</p><p>　　超聲具有許多獨(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，所以超聲學(xué)的發(fā)

32、展很迅速，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，并有廣闊的應(yīng)用前景。功率超聲是超聲學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究大功率和高強(qiáng)度超聲的產(chǎn)生，強(qiáng)超聲在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律，強(qiáng)超聲和物質(zhì)的相互作用，以及各種功率超聲技術(shù)和應(yīng)用。與檢測(cè)超聲不同，功率超聲是利用超聲能量來對(duì)物質(zhì)進(jìn)行處理、加工。最常用的頻率范圍是從幾千赫到幾十千赫，而功率由幾瓦到幾十千瓦。超聲處理技術(shù)和應(yīng)用主要有：超聲清洗，超聲加工，超聲節(jié)能，超聲塑料和金屬焊接，超聲乳化、粉碎、分散、霧化，超聲金屬成型，超聲處理

33、種子，超聲治療和外科手術(shù)等等。</p><p>　　近十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲技術(shù)發(fā)展極為迅速，其應(yīng)用遍及航空、航海、國(guó)防、生物工程以及電子等領(lǐng)域，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來越大的作用。超聲技術(shù)己成為國(guó)際上公認(rèn)的高科技領(lǐng)域，與其有關(guān)的技術(shù)產(chǎn)品涉及到振動(dòng)與聲、電子、機(jī)械及材料等新技術(shù)。目前，超聲技術(shù)正在深入到許多科學(xué)領(lǐng)域和生產(chǎn)部門，并且在不斷發(fā)展，解決了很多日常生活中和生產(chǎn)技術(shù)中的難題。</p>

34、;<p>　　1922年，德國(guó)出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專利。</p><p>　　1939年發(fā)表了有關(guān)超聲波治療取得臨床效果的文獻(xiàn)報(bào)道。</p><p>　　40年代末期超聲治療在歐美興起，直到1949年召開的第一次國(guó)際醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)會(huì)議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1956年第二屆國(guó)際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上已有許多論文發(fā)表，超聲治療進(jìn)入了實(shí)用

35、成熟階段。</p><p>　　國(guó)內(nèi)在超聲治療領(lǐng)域起步稍晚，于20世紀(jì)50年代初才只有少數(shù)醫(yī)院開展超聲治療工作，從1950年首先在北京開始用800KHz頻率的超聲治療機(jī)治療多種疾病，至50年代開始逐步推廣，并有了國(guó)產(chǎn)儀器。公開的文獻(xiàn)報(bào)道始見于1957年。到了70年代有了各型國(guó)產(chǎn)超聲治療儀，超聲療法普及到全國(guó)各大型醫(yī)院。</p><p>　　1.6超聲波加工技術(shù)的基本原理</p>

36、<p>　　超聲加工是利用超聲振動(dòng)的工具在有磨料的液體介質(zhì)或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕來去除材料, 或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動(dòng)進(jìn)行加工，或利用超聲振動(dòng)使工件相互結(jié)合的加工方法。幾十年來, 超聲加工(包括復(fù)合加工)的發(fā)展較為迅速，其工藝技術(shù)在深小孔加工、難加工材料加工方面有較廣泛的應(yīng)用,尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的工藝問題, 取得了良好的效果。</p><

37、;p>　　將超聲能量通過聲學(xué)系統(tǒng)施加于工具，使其按一定的頻率和振幅作圓周方向的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),形成脈沖力作用的分離型振動(dòng)切削，消除了普通切削過程中的彈性擠壓振動(dòng), 使切削過程變?yōu)橛幸?guī)律的脈沖狀斷續(xù)切削,切削力可降為普通切削的IP3-IP10，降低了切削溫度, 增加了系統(tǒng)剛度。工件作超聲振動(dòng)時(shí),由于等效硬度特性,高頻振動(dòng)導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力對(duì)工件的硬度產(chǎn)生影響，使磨削力比降低為23倍,磨削力比隨磨削深度、 磨削速度及工件速度的變化不明顯，工作力變

38、化不大而能得到良好的加工穩(wěn)定性和加工精度。工具的磨損會(huì)使工具的形狀發(fā)生變化, 從而導(dǎo)致工件加工精度大大降低。大連理工大學(xué)的學(xué)者針對(duì)陶瓷材料超聲旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)提出一種用簡(jiǎn)單工具進(jìn)行超聲仿銑加工三維陶瓷工件的新方法, 該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)工具損耗的在線補(bǔ)償和控制,有效地克服了超聲成形加工中,因工具損耗嚴(yán)重,加工間隙中懸浮磨料不均勻現(xiàn)象, 從而提高了復(fù)雜型面的加工精度。超精密加工技術(shù)在提高機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高科技產(chǎn)品等方面具有重要的作用。<

39、;/p><p>　　超聲波加工原理圖如圖1.6所示：</p><p>　　圖 1.6超聲波加工原理圖</p><p>　　1.6.1超聲波加工機(jī)床簡(jiǎn)介</p><p>　　上述加工手段這些一般都是通過超聲波加工機(jī)床進(jìn)行的,而常見的超聲波加床如圖1.6-1所示。</p><p>　　圖1.6-1一般的超聲波加工機(jī)床</

40、p><p>　　支架，2平衡重錘，3.工作臺(tái)，4.工具，5．變幅桿，6.換能器，7.導(dǎo)軌，8標(biāo)尺</p><p>　　超聲波加工時(shí)，工具與工件間的作用力很小，加工機(jī)床只需實(shí)現(xiàn)工具的工作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及調(diào)整工具與工件間相對(duì)位置的運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)床構(gòu)造較簡(jiǎn)單，一般包括支撐振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)架、工作臺(tái)面、進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及床身等部分。國(guó)產(chǎn)CSJ-2型超聲加工機(jī)床是其中的代表產(chǎn)品，如圖1.6所示。其振動(dòng)系統(tǒng)安裝在一根能上下

41、移動(dòng)的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌由上下兩組滾動(dòng)導(dǎo)輪定位，使導(dǎo)軌能靈活可靠地上下移動(dòng)。工具的向下進(jìn)給以及對(duì)工件施加壓力靠振動(dòng)系統(tǒng)自重，為了能調(diào)節(jié)壓力大小，在機(jī)床后面有可加減的平衡重錘除此之外，還有重錘杠桿加載、彈簧夾載、液壓或氣壓加載等加壓方式。</p><p>　　1.6.2 超聲振動(dòng)加工</p><p>　　超聲振動(dòng)加工作為新型的特種加工技術(shù)，引起國(guó)內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注。最早對(duì)振動(dòng)切削進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究

42、、可以成為振動(dòng)切削理論應(yīng)用的奠基人的是日本學(xué)者隈部淳一郎。他再20世紀(jì)50～60年代發(fā)表了許多振動(dòng)切削方面的論文，系統(tǒng)地提出了振動(dòng)切削理論，并成功地實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)切削加工等。隨后美國(guó)也對(duì)振動(dòng)切削進(jìn)行研究，到了20世紀(jì)70年代中葉，振動(dòng)車削、振動(dòng)鉆孔、光整加工等均已達(dá)到實(shí)用階段,取得一系列的研究成果。</p><p>　　俄羅斯學(xué)院和英國(guó)拉伯運(yùn)大學(xué)對(duì)車削振動(dòng)加工的非線形過程進(jìn)行了深入地研究,利用流變模型對(duì)超聲震動(dòng)切削實(shí)

43、驗(yàn)進(jìn)行了理論解釋。通過對(duì)超聲振動(dòng)切削的動(dòng)力學(xué)研究,得到了振動(dòng)工具的非線性振幅特性曲線,并討論了超超聲震動(dòng)加工的的優(yōu)越性和應(yīng)用領(lǐng)域.</p><p>　　長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校采用超聲振動(dòng)切削方法對(duì)一汽變速箱廠生產(chǎn)的一種直齒齒輪的滾齒加工進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn),通過生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)及小批量試生產(chǎn),收到令人滿意的效果,具有較好的發(fā)展前景。北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)將超聲震動(dòng)引入普通聚晶金剛石(PCD)的研磨加

44、工，顯著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微觀結(jié)構(gòu)和去除機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)PCD超聲振動(dòng)研磨機(jī)理進(jìn)行了深入研究。研究指出，研磨軌跡的增長(zhǎng)和超聲振動(dòng)脈沖力的作用是提高研磨效率的根本原因。</p><p>　　山東大學(xué)對(duì)工程陶瓷的超聲振動(dòng)鉆削加工曾進(jìn)行過深入探索，探討了超聲振動(dòng)鉆削中各項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)加工效果的影響，并從理論上分析了超聲振動(dòng)鉆削時(shí)的材料去除機(jī)理。上海交通大學(xué)也對(duì)超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)進(jìn)行了研究，闡述了超聲

45、波橢圓振動(dòng)切削原理和刀具橢圓振動(dòng)系統(tǒng)，分析了超聲波橢圓振動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)特性，詳細(xì)介紹了超聲波橢圓振動(dòng)切削的實(shí)際切削效果。</p><p>　　英國(guó)阿伯丁大學(xué)國(guó)王學(xué)院研究了超聲鉆削難加工材料時(shí)工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響，建立了問斷性沖擊過程的非線性模型，對(duì)沖擊力的特性進(jìn)行了分析，提出了一種新的材料去除率的計(jì)算方法，這種方法首次解釋了材料去除率在較高的靜態(tài)力作用下減小的原因。</p><p>　　

46、美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)對(duì)陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術(shù)進(jìn)行了研究。通過模擬陶瓷材料超聲加工的力學(xué)特性對(duì)材料去除機(jī)制進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊力會(huì)引起陶瓷材料結(jié)構(gòu)的變化和晶粒的錯(cuò)位，而高沖擊力會(huì)導(dǎo)致中心裂紋和凹痕。美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)還第一次分析了陶瓷精密超聲加工的機(jī)理、過程動(dòng)力學(xué)以及發(fā)展趨勢(shì)，并詳細(xì)討論了超聲技術(shù)在陶瓷加工方面的應(yīng)用情況。</p><p>　　超聲波橢圓振動(dòng)切削已受到國(guó)際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重

47、視。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和新加波等國(guó)的大學(xué)以及國(guó)內(nèi)的北京航空航天大學(xué)和上海交通大學(xué)已開始這方面的研究工作。日本企業(yè)界如日立、多賀和Towa公司等已開始這方面的實(shí)用化研究。但是。超聲波橢圓振動(dòng)切削在理論和應(yīng)用方面還有許多工作要做。尤其是對(duì)硬脆性材料的超精密切削加工、微細(xì)部位和微細(xì)模具的超精密切削加工等方面還需要進(jìn)一步研究。</p><p>　　1.6.3 超聲復(fù)合加工</p><p>　　將超聲

48、加工與其他加工工藝組合起來的加工模式，稱為超聲復(fù)合加工。超聲復(fù)合加工，強(qiáng)化了原加工過程，使加工的速度明顯提高，加工質(zhì)量也得到不同程度的改善，實(shí)現(xiàn)了低耗高效的目標(biāo)。 </p><p>　　法國(guó)的研究人員系統(tǒng)地研究了超聲振動(dòng)對(duì)電火花加工性能的影響。結(jié)果表明，超聲振動(dòng)提高了加工速度。粗加工提高10％，精加工提高400％，并使加工過程穩(wěn)定，特別是精加工時(shí)尤為突出，可使穩(wěn)定加工的面積增大。電極的超聲振動(dòng)能改善加工過程的主要

49、原因是：</p><p>　　1)電極表面的高頻振動(dòng)加速了工作液的循環(huán)，使間隙充分電離；</p><p>　　2)間隙間很大的壓力變化導(dǎo)致更有效的放電，這樣就能從弧坑中去除更多融化的金屬，使熱影響層減小，熱殘余應(yīng)力降低，微裂紋減小。</p><p>　　以微機(jī)械為代表的微細(xì)制造是現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分，晶體硅、光學(xué)玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微機(jī)械中的廣泛應(yīng)

50、用，使硬脆材料的高精度三維微細(xì)加工技術(shù)成為世界各國(guó)制造業(yè)的一個(gè)重要研究課題。目前可適用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、電火花加工、激光加工、超聲加工等特種加工技術(shù)。超聲加工與電火花加工、電解加工、激光加工等技術(shù)相比，既不依賴于材料的導(dǎo)電性又沒有</p><p>　　南京航空航天大學(xué)進(jìn)行了工件激振式超聲復(fù)合電火花微細(xì)孔加工的研究，它跟以往的超聲電火花復(fù)合加工的不同之處在于，通過工件的微幅激振改善微細(xì)電火花加工工

51、作液的循環(huán)，進(jìn)而提高微細(xì)電火花加工的脈沖利用率和微細(xì)孔加工的深徑比。研究結(jié)果表明，工件越薄，排屑越有利，加工速度提高得越快。研究者認(rèn)為，這主要由于工件激勵(lì)后加工間隙內(nèi)工作液中壓力波劇變的沖擊和擾動(dòng)作用，有助于改善電火花微細(xì)加工的排屑條件，提高放電脈沖的利用率，使加工速度及微細(xì)孔電火花加工的深徑比得到提高。</p><p>　　在微小三維型面的加工中，利用簡(jiǎn)單形狀電極、基于分層制造原理的微細(xì)電火花銑削技術(shù)正在受到重

52、視，但該工藝加工效率偏低，同時(shí)由于其加工精度主要依賴于電極損耗的軸向補(bǔ)償，而電極損耗的軸向補(bǔ)償量則直接取決于電極損耗率，提高微細(xì)電火花銑削的加工效率和穩(wěn)定性是一個(gè)重要的課題。哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了超聲輔助分層去除微細(xì)電火花加工技術(shù)，電極軸向的小幅超聲振動(dòng)對(duì)活化極間狀態(tài)、拉大極間間隙、增加排屑能力、提高有效脈沖利用率和放電穩(wěn)定性等起到了極為重要的作用，因此該技術(shù)能改善微細(xì)電火花銑削時(shí)的放電狀態(tài)，提高加工效率。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開始探索

53、對(duì)環(huán)境污染少甚至沒有污染的加工方法，研究新的工作介質(zhì)是解決這個(gè)問題的關(guān)鍵。山東大學(xué)的研究人員將超聲振動(dòng)引入氣中放電加工技術(shù)，并對(duì)工程陶瓷進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)研究，加工效率提高了近3倍。但該工藝的加工機(jī)理有待于進(jìn)一步研究，超聲加工技術(shù)在迅猛發(fā)展的汽車工業(yè)中已有非常廣泛的應(yīng)用，目前主要用于精密模具的型孔、型腔加工，難加工材料的超聲電火花和超聲電解復(fù)合加工，塑料件的焊接，以及清潔度要求較高的小孔窄縫零件的清洗?？梢酝茢啵暭庸ぜ夹g(shù)在世界汽車工業(yè)中

54、將發(fā)揮越來越重要的作用。</p><p>　　1.7研究的目的與意義</p><p>　　隨著超聲學(xué)的發(fā)展，超聲技術(shù)也不斷的被應(yīng)用于各領(lǐng)域，其中在聚合物成加工、農(nóng)產(chǎn)品加工、酒類釀造、化工、紡織品加工、機(jī)械加工等尤為突出。幾十年來，超聲波加工（包括復(fù)合加工）的發(fā)展都極位迅速，其工藝技術(shù)在深小孔加工、難加工材料加工方面都有廣泛應(yīng)用，尤其是在難加工材料方面解決了許多工藝問題。這種特種加工能提高加

55、工精度和降低加工力，并且笑效率也非常高。正因?yàn)槌暭庸ぴ谶@些方面的優(yōu)勢(shì)，使其在工程上的應(yīng)用非常廣泛。</p><p>　　超聲波在和科學(xué)研究方面有著廣泛的用途,它已成為近代物理學(xué)中一個(gè)重要的研究課題,形成為聲學(xué)的一個(gè)新的分支-超聲學(xué)。超聲學(xué)的主要任務(wù)就是研究超聲的特性、作用,用人工產(chǎn)生超聲波的方法,以及超聲的應(yīng)用等。超聲的應(yīng)用可分為兩大類別,第一類是超聲加工和處理技術(shù)第二類是超聲檢測(cè)與控制技術(shù)。超聲加工和處理技術(shù)

56、是利用高強(qiáng)度超聲波來改變物質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)的技術(shù),如超聲鉆孔、清洗、焊接 、粉碎等。超聲檢測(cè)與控制技術(shù)是利用較弱的超聲波來進(jìn)行各種檢驗(yàn)和測(cè)量必要時(shí)一可進(jìn)自動(dòng)控制技術(shù),如超聲探測(cè)和超聲檢漏、超聲工業(yè)測(cè)量技術(shù)等。</p><p>　　在機(jī)械加工中超聲波加工使技術(shù)起著越來越大的作用,一些用機(jī)械加工很難完成的工作利用超聲波加工就可輕而易舉的完成,甚至用一般機(jī)械方法不可能進(jìn)行加工的項(xiàng)目,用超聲波也可完善的解決。例如它能切割最

57、硬的金剛石、玻璃、石英、陶瓷、碳化鎢等又硬又脆的材料也可用起聲波來加工。并且能將精密零件清洗干凈 ,檢查機(jī)械零件內(nèi)部的裂縫拐痕跡。因此,在機(jī)械加工中廣泛應(yīng)用超聲波,對(duì)于發(fā)展生產(chǎn)和提高生產(chǎn)效率均具有十分重要的意義。</p><p>　　本文主要對(duì)超聲波在超聲波精密研磨、深小孔加、銑削加工、探傷、研磨、這多個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行一些初步的研究探索。</p><p>　　第二章 超聲波精密研磨<

58、/p><p>　　近年來，由于超硬難加工材料的出現(xiàn)，導(dǎo)致了許多新的加工方法的產(chǎn)生，而超聲波研磨以其特有的加工性能把傳統(tǒng)加工和超聲波研磨完美地結(jié)合起來，以獲得更好的加工質(zhì)量和效率。</p><p>　　在超精密加工中，超精密切削、超精密磨削的實(shí)現(xiàn)是依賴于銳利的超硬切削工具、高精度高剛度的設(shè)備及其他周邊技術(shù)的支持。由于其加工機(jī)理和環(huán)境因素，要實(shí)現(xiàn)更高精度的加工十分困難。因此，超精密研磨是實(shí)現(xiàn)納米級(jí)

59、、原子級(jí)加工的主要方法。本文在分析現(xiàn)有超精密研磨方法的基礎(chǔ)上，提出了超聲研磨方法，并對(duì)其加工機(jī)理進(jìn)行了初步探討。</p><p>　　2.1超聲研磨的原理</p><p>　　研磨是利用涂敷或壓嵌游離磨粒與研磨劑的混合物, 在一定剛性的軟質(zhì)研具上, 研具與工件向磨粒施加一定壓力, 磨粒作滾動(dòng)與滑動(dòng), 從被研磨工件上去除極薄的余量, 以提高工件的精度和降低表面粗糙度的加工方法,如圖2.1-1

60、所示。</p><p>　　圖2.1-1研磨示意圖</p><p>　　研磨的過程中, 在一定的壓力作用下, 眾多的磨粒進(jìn)行微量切削。研磨加工的實(shí)質(zhì)是磨粒的微量切削、研磨表面微小起伏的塑性流動(dòng)、表面活性物質(zhì)的化學(xué)作用及研具堵塞物與工件表面滑擦作用的綜合結(jié)果。</p><p>　　在超聲振動(dòng)研磨加工中，超聲振動(dòng)工具頭的端面和工件表面保持一固定的加工間隙，并在其間充以含

61、微細(xì)磨料的工作液。加工過程中工具頭固定住，僅起發(fā)射超聲波的作用，含有磨粒的工作液在超聲波作用下，電解液中的磨粒脈沖式?jīng)_擊工件表面。雖然磨粒的沖擊具有隨機(jī)性，但是對(duì)微觀表面上凸處沖擊到的機(jī)率應(yīng)該高于凹處，并且因?yàn)槟チＡ看蟆⒘Ｐ?，?duì)表面的加工是均勻且柔和的。研究表明，超聲振動(dòng)研磨加工硬脆材料主要是依賴表面層微裂紋的擴(kuò)展、生成，從而使材料脆裂、脫落，因此，對(duì)硬脆材料表面層微裂紋的研究非常重要，直接決定材料的去除率、加工效率、加工精度和表面質(zhì)量

62、。</p><p>　　基于機(jī)械作用的超精密研磨是靠微細(xì)磨粒的機(jī)械作用對(duì)被加工表面進(jìn)行微量去除，達(dá)到高精度的加工表面。主要有彈性發(fā)射加工（EEM）、浮動(dòng)研磨、磁力研磨等。彈性發(fā)射加工是可以得到很高的加工精度和低表面粗糙度的超精密加工方法。 加工原理如圖2.1-2所示。</p><p>　　圖2.1-2超聲研磨加工原理工具模型</p><p>　　超聲振動(dòng)工具頭的端面

63、和工件表面保持一固定的間隙,并在其間充以微細(xì)磨料工作液，當(dāng)超聲振動(dòng)工具以一定的頻率振動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)微細(xì)磨料沖擊工件表面，從而對(duì)工件表面進(jìn)行研磨。當(dāng)工作臺(tái)作平面運(yùn)動(dòng)或曲面運(yùn)動(dòng)，即可對(duì)整個(gè)工件表面進(jìn)行加工.</p><p>　　超聲研磨時(shí)，大量的磨料以與超聲振動(dòng)相同的頻率、脈動(dòng)式的沖擊被加工表面， 除去或改造工件表面原有的損傷層，并在其下面構(gòu)成新的損傷層，即表面加工層。如果工藝參數(shù) 如超聲發(fā)生器的功率，磨料的硬度、粒度，

64、磨液濃度，間隙等選擇恰當(dāng),則可使新生成的損傷層更薄、更均勻，從而獲得較佳的表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)超精密加工,理想的狀況是獲得接近無損傷的表面。</p><p>　　超聲研磨脆性材料和塑性材料的機(jī)理是有所不同的，脆性材料的加工主要是依賴于表面層微裂紋擴(kuò)展、生成，而使材料脆裂、脫落。超聲研磨時(shí)，在大量磨粒脈沖式?jīng)_擊下，更有利于實(shí)現(xiàn)上述加工過程。磨粒的沖擊具有隨機(jī)性，但對(duì)微觀表面上凸起處沖擊到的機(jī)率應(yīng)高于凹下處，再因磨粒量大、

65、粒小，對(duì)表面的加工是均勻而柔和的。因而可以獲得殘余應(yīng)力低、裂紋更微細(xì)更淺的高質(zhì)量的加工表面。塑性材料的加工則主要依賴于表面層的塑性變形，即通過材料的擠壓和撕裂將金屬?gòu)谋砻娉断聛?，其殘余?yīng)力為拉應(yīng)力。超聲研磨時(shí)，磨粒對(duì)工件表面主要起搗實(shí)的作用，類似于輕微的表面強(qiáng)化加工。它可以消除工件表面前工序的加工痕跡，將表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，這對(duì)大多數(shù)零件的使用性能是有利的。</p><p>　　通常的超聲波加工，其

66、機(jī)理是工具頭以一定的壓力作用于加工表面，當(dāng)工具頭作超聲振動(dòng)時(shí)，工具頭剛性地錘擊磨料，并通過磨料的“嵌入”作用，使脆性材料表面脆裂、脫落。因而它不適宜加工塑性材料?，F(xiàn)有的各種以機(jī)械加工為主的研磨方法，則是以磨粒在工件表面的滾壓和摩擦為主要的加工手段。由此可知，超聲研磨和超聲波加工及現(xiàn)有研磨方法有著本質(zhì)的區(qū)別，是一種新的超精密研磨方法。</p><p>　　2.2 超聲波研磨的裝置</p><p&

67、gt;　　一般超聲研磨裝置如2.2-1所示:</p><p>　　圖2.2-1 引入超聲波的機(jī)械復(fù)合研磨裝置</p><p>　　1.連接器 2.夾具 3.變幅桿 4.夾套 5.調(diào)整套 6.換能器 7.導(dǎo)向桿 8.滑套 9.高度調(diào)整環(huán) 10.機(jī)架 11.自轉(zhuǎn)電機(jī) 12.公轉(zhuǎn)電機(jī) 13.傳動(dòng)系統(tǒng) 14.研磨盤 15.研磨介質(zhì) 16.

68、加載裝置</p><p>　　該裝置主要分為三大部分：研磨機(jī)系統(tǒng)、超聲振動(dòng)系統(tǒng)和夾具及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖2.2.1。該裝置的原理：連接器安裝在夾具上，一次裝夾4～12個(gè)，對(duì)稱安裝；換能器6接收超聲電信號(hào)并轉(zhuǎn)換為機(jī)械波，超聲波經(jīng)過變幅桿3放大后傳遞到夾具2，最后經(jīng)連接器的插芯傳遞到連接器1的端面與研磨介質(zhì)15之間的界面上；研磨盤14在電機(jī)11和12的驅(qū)動(dòng)下能同時(shí)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度無級(jí)可調(diào)；研磨的壓力通過加載裝置16

69、進(jìn)行調(diào)整；夾具與研磨盤的平行度由調(diào)整套5與高度調(diào)整環(huán)9實(shí)現(xiàn)，調(diào)整時(shí)另有一個(gè)專用的對(duì)刀塊。</p><p>　　超聲波的引入大大提高了材料去除率，主要原因有以下幾個(gè)方面：首先，超聲波的引入使夾具帶動(dòng)插針體作高頻振動(dòng)，單位時(shí)間內(nèi)磨料相對(duì)于工件表面的運(yùn)動(dòng)軌跡與單一的機(jī)械研磨相比變長(zhǎng)，研磨的線速度大大提高，極其有利于實(shí)現(xiàn)延性磨削；其次，超聲波機(jī)械復(fù)合研磨時(shí)，工件沿加工平面產(chǎn)生切向振動(dòng)，可以形成一種特殊的耕犁效應(yīng)（如圖2.

70、2.1所示）；再次，研磨時(shí)在加工界面上的研磨液產(chǎn)生空化效應(yīng)。當(dāng)超聲能引入研磨界面后，加工界面的液膜在疏松相和壓縮相之間交替變化，在疏松相時(shí)#液體內(nèi)壓急劇降低，產(chǎn)生大量蒸汽氣泡。富集在材料表面的氣泡在瞬間爆裂，產(chǎn)生數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)大氣壓的局部液壓沖擊波，與上述的耕犁效應(yīng)協(xié)同作用，有效去除工件表面的突出體。（如圖2.2-2所示）</p><p>　　圖2.2-2 交錯(cuò)耕犁及空化效應(yīng)示意圖</p><

71、p>　　第三章 超聲波深小孔加工</p><p>　　眾所周知，在相同的要求及加工條件下，加工孔比加工軸要復(fù)雜得多。一般來說，孔加工工具的長(zhǎng)度總是大于孔的直徑，在切削力的作用下易產(chǎn)生變形，從而影響加工質(zhì)量和加工效率。特別是對(duì)難加工材料的深孔鉆削來說，會(huì)出現(xiàn)很多問題。例如，切削液很難進(jìn)入切削區(qū)，造成切削溫度高；刀刃磨損快，產(chǎn)生積屑瘤，使排屑困難，切削力增大等。其結(jié)果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具

72、壽命短。采用超聲加工則可有效解決上述問題。</p><p>　　由于小孔加工直徑很小，在很多情況下孔深與孔徑之比遠(yuǎn)大于10，所以小孔加工通常也是深孔加工。在工藝上，小孔加工被認(rèn)為是最困難的加工之一，國(guó)內(nèi)外一直十分關(guān)注，并始終在探索中。探索新的加工方法，改善硬脆材料的可加工性，最終提高產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率這一客觀需要推動(dòng)了超聲加工技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　小深孔加工一直是孔加工中的難題

73、, 并且隨著各種高性能、難加工材料的不斷出現(xiàn)和日益廣泛應(yīng)用傳統(tǒng)鉆削工藝愈顯出其極大的局限性: (1) 鉆頭細(xì)長(zhǎng)、剛性差、入鉆定位精度差； (2) 容易鉆偏孔的直線度低；(3) 生產(chǎn)效率低等。</p><p>　　金屬和非金屬硬脆材料的使用越來越廣泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨損、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易氧化、腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于工程陶瓷等難加工材料具有極高的硬度和脆性，其成形加工十分困難，特別是成形孔的

74、加工尤為困難，嚴(yán)重阻礙了應(yīng)用推廣。因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者展開了對(duì)難加工材料加工方法的研究，其中以超聲加工較多。</p><p>　　3.1超聲波振動(dòng)鉆的基本原理</p><p>　　超聲波加工是利用工具作超聲頻振動(dòng),通過磨料懸浮液加工材料。圖3.1-1所示為超聲波加工原理圖。加工時(shí)，在工具6和工件7之間加入液體(水或煤油)和磨料混合的懸浮液1，并使工具以一定的壓力P壓在工件上。超聲波換能器4

75、 產(chǎn)生17～ 25kHz 的超聲頻縱向振動(dòng), 并借助于變幅桿把振幅放大到0.01～0.02mm 驅(qū)動(dòng)工具振動(dòng)，迫使工作液中的磨粒以很高的速度和加速度不斷地撞擊、拋磨被加工表面，把加工區(qū)的材料粉碎成很細(xì)的微粒從材料上去除。同時(shí)工作液受工具端面的超聲振動(dòng)作用而產(chǎn)生的高頻變液壓沖擊波和空化作用，促使磨料懸浮液滲透到被加工材料的微裂縫內(nèi)，進(jìn)一步提高了材料去除效果。</p><p>　　圖3.1-1 超聲波鉆削示意圖<

76、;/p><p>　　1. 磨料液　2 .變幅桿　3 . 聚能器　4.換能器　5.超聲波發(fā)生器　6.工具　7.工件</p><p>　　超聲振動(dòng)鉆削是近代出現(xiàn)的一種先進(jìn)的切削加工方法，它是在傳統(tǒng)的鉆削過程中給鉆頭(或工件)加上有規(guī)律的高頻振動(dòng)，在優(yōu)化切削參數(shù)的條件下，改善了鉆削性能，提高了加工精度。振動(dòng)方式主要有3種： ①縱向振動(dòng)； ②扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；③縱扭復(fù)合。其中縱向振動(dòng)最易于實(shí)現(xiàn)，在振動(dòng)鉆削中占

77、主導(dǎo)地位。如圖3.1-2所示，振動(dòng)鉆削過程中，并不是利用整個(gè)周期，而是在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行切削，刀具在很小的位移上產(chǎn)生很大瞬時(shí)速度和加速度，在局部產(chǎn)生很高的能量，對(duì)工件作沖擊作用。</p><p>　　圖3.1-2 振動(dòng)鉆削機(jī)理</p><p>　　超聲振動(dòng)鉆削由于其特殊的切削機(jī)理引起諸多專家學(xué)者的重視。幾十年來, 國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)超聲振動(dòng)鉆削做了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作, 許多實(shí)驗(yàn)和研究結(jié)

78、果都表明, 振動(dòng)鉆削可明顯提高入鉆的定位精度及孔的尺寸精度、表面質(zhì)量, 降低切削力和切削溫度, 延長(zhǎng)鉆頭壽命。</p><p>　　超聲振動(dòng)鉆削技術(shù)的出現(xiàn)為解決小深孔鉆削問題提供了一個(gè)很好的途徑。超聲波加工是利用超聲頻振動(dòng)的工具端面，通過磨料懸浮液去加工材料的一種工藝方法。當(dāng)工具為細(xì)絲或細(xì)管時(shí)，就能加工出小孔。超聲加工能在各種硬脆材料上打小孔，特別是適于在寶石，陶瓷，玻璃及各種半導(dǎo)體材料上加工小孔。比電火花加工的

79、精度高、表面粗糙度好。尺寸精度可達(dá)0.01-0.02mm。表面粗糙度可達(dá)Ra0.4--0.1um，且表面無殘余應(yīng)力、燒傷等不良現(xiàn)象?？讖阶钚】蛇_(dá)0.lmm。圖3.1.2為細(xì)長(zhǎng)孔超聲波加工機(jī)示意圖，為提高加工效率，采用雙鉆頭設(shè)計(jì)，兩鉆頭間距離為110mm。超聲波加工機(jī)主要運(yùn)動(dòng)是主軸箱的Z 軸運(yùn)動(dòng)和工作臺(tái)的X、Y 運(yùn)動(dòng)。采用滾珠絲杠傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)，特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高（可達(dá)90%），起動(dòng)力矩小，傳動(dòng)靈活平穩(wěn)，低速不爬行，同步性好，定位精度高

80、，正逆運(yùn)動(dòng)效率相同，可實(shí)現(xiàn)逆?zhèn)鲃?dòng)。預(yù)緊后剛度好，定位精度高（重復(fù)定位精度高）。加工時(shí)由主軸箱內(nèi)的電機(jī)經(jīng)過齒輪傳遞，同時(shí)帶動(dòng)兩個(gè)超聲鉆頭做同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。主軸箱中的刀具運(yùn)動(dòng)是由兩部分的運(yùn)動(dòng)合成的：</p><p>　　1. 主軸傳過來的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；</p><p>　　2. 聲加工系統(tǒng)產(chǎn)生的垂直方向的振動(dòng)。</p><p>　　這個(gè)振動(dòng)是由超聲換能器產(chǎn)生的4～10um 的振

81、幅，再經(jīng)過變幅桿振幅放大到10～100um。然后有變幅桿帶動(dòng)用螺紋連接在它上面的研磨刀具一起振動(dòng)。刀具運(yùn)動(dòng)經(jīng)過主軸箱的Z 軸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工。在加工過程中由于工藝的要求，需要通過控制主軸箱的Z軸的運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到在加工過程中實(shí)現(xiàn)恒定進(jìn)給力。</p><p>　　超聲鉆削加工示意如圖3.1-3所示：</p><p>　　圖3.1-3 細(xì)長(zhǎng)孔超聲波加工機(jī)示意圖</p><p

82、>　　3.2超聲波加工的刀具</p><p>　　加工過程中，工具受到磨料的作用，產(chǎn)生縱向和橫向磨損，這將直接影響加工精度和加工速度。工具縱向磨損大小，主要決定于工具和工件材料的性質(zhì)。工具橫向磨損還與工具橫向振動(dòng)大小和工具截面形狀有關(guān)。此外，工具縱、橫向磨損的不均勻性與磨料懸浮液供給和循環(huán)流動(dòng)的不均勻有很大關(guān)系。</p><p>　　通常，換能器和變幅桿的長(zhǎng)度按半波長(zhǎng)整數(shù)倍疊加。這時(shí)

83、，鉆頭的長(zhǎng)度應(yīng)滿足指定的要求，不能變化太大，否則會(huì)導(dǎo)致鉆頭端部振幅明顯減弱。因此，當(dāng)鉆頭磨損較大時(shí)，就需要更換鉆頭。當(dāng)加工很深的小孔時(shí)，鉆頭長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于要求的孔深，因此會(huì)給鉆頭的制作增加困難。因此刀具的制作和改進(jìn)需滿足以下條件：</p><p><b>　?、俳饎偸毒卟牧?；</b></p><p>　?、诹⒎降鸬毒卟牧?。根據(jù)加工材料光學(xué)玻璃硬度強(qiáng)，脆性較大的特性，

84、本研究選擇聚晶金剛石(PCD)作為加工刀具的材料。</p><p>　　聚晶金剛石(PCD)與同類金剛石切削刀具材料相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?、倬Я３薀o序排列，各向同性，無解理面。因?yàn)樗幌翊髥谓饎偸菢釉诓煌嫔系膹?qiáng)度、硬度以及耐磨性有很大的差別；</p><p>　?、诰哂刑貏e高的強(qiáng)度，較高的抗沖強(qiáng)度，在沖擊較大的時(shí)候只會(huì)產(chǎn)生小晶粒破碎，而不會(huì)像

85、單金剛石那樣大塊崩缺；</p><p>　?、劭芍迫〈髩KPCD刀具坯料，滿足大型加工刀具的需要。耐磨性是衡量聚晶金剛石刀具的一個(gè)重要指標(biāo)，它綜合反映了PCD的硬度、強(qiáng)度和斷裂韌性等指標(biāo)。PCD材料的耐磨性首先取決于PCD材料本身的微觀結(jié)構(gòu)和組成，金剛石結(jié)合界面程度越高，刀具的耐磨性越高；鈷含量愈低，其分布越均勻，刀具的耐磨性越高。同時(shí)還與聚晶金剛石的晶粒大小密切相關(guān)。</p><p>　　

86、抗彎強(qiáng)度通常是通過三點(diǎn)彎曲試樣的TRS值(邊際替代率)來評(píng)估的。對(duì)于細(xì)小晶粒尺寸，強(qiáng)度遵循HallPetch強(qiáng)度關(guān)系：</p><p>　　式中一斷裂強(qiáng)度，MPa；一常數(shù)；d一平均晶粒尺寸，μm。</p><p>　　沿直徑方向方向的壓縮性能(抗張強(qiáng)度)可由下式?jīng)Q定：</p><p>　　式中—最大張應(yīng)力/MPa；—開列時(shí)的載荷/MN；D—試樣直徑/mm；t—試樣厚

87、度/mm。若刀具選用長(zhǎng)度為80 mm，直徑可按下式計(jì)算：</p><p>　　式中，D一工具直徑；d一工件孔徑；一所用磨料磨粒的平均直徑。</p><p>　　鉆削加工微晶玻璃的刀具選用表面電鍍金剛石的硬質(zhì)合金鋼。</p><p>　　如果C=5106mm／s，頻率f=20 kHz，那么波長(zhǎng)λ=c/f=5106/20103=250mm。</p><

88、;p>　　則：λ／2=125 mm。</p><p>　　因此，根據(jù)加工工件的孔深，選用長(zhǎng)度為125 mm的刀具。</p><p>　　3.3刀具與機(jī)體的連接</p><p>　　超聲波的機(jī)械振動(dòng)經(jīng)變幅桿放大后傳給工具，使磨粒和工作液以一定的能量沖擊工件，并加工出一定的尺寸和形狀。</p><p>　　工具的形狀和尺寸決定于工件表面的形

89、狀和尺寸，兩者相差一個(gè)“加工間隙”(稍大于平均的磨粒直徑)。當(dāng)工件表面積較小或批量較少時(shí)，使工具和變幅桿成為一個(gè)整體，否則可將工具用焊接成螺紋聯(lián)結(jié)等方法固定在變幅桿下端。當(dāng)工具不大時(shí)，可以忽略工具對(duì)振動(dòng)的影響，但當(dāng)工具較重時(shí)，會(huì)減低振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率；工具較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)對(duì)變幅桿進(jìn)行修正，以滿足半個(gè)波長(zhǎng)的共振條件。</p><p>　　整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)接部分應(yīng)緊密接觸，否則超聲波傳遞過程中將損失很大能量。在螺紋聯(lián)接處應(yīng)

90、涂以凡士林油，絕不可存在空氣間隙，因?yàn)槌暡ㄍㄟ^空氣時(shí)會(huì)很快衰減。換能器、變幅桿或整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)選擇在振幅為零的駐波節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　按照波動(dòng)的合成原理，當(dāng)系統(tǒng)處在共振狀態(tài)時(shí)，只有在此駐波節(jié)點(diǎn)平面內(nèi)，從單方向入射波和反方向反射波引起的質(zhì)點(diǎn)位移恰好大小相等，方向相反，其合成位移始終為零。例如換能器長(zhǎng)度1/2處的中間截面上的任何點(diǎn)，即為靜止不動(dòng)的波節(jié)點(diǎn)，以后向兩端處振幅即逐漸增大，到換能器與變幅桿交界面上振

91、幅為最大，稱波腹點(diǎn)。以后振幅又逐漸減小再次出現(xiàn)波節(jié)點(diǎn)，到工具端面處再次出現(xiàn)振幅更大的波腹點(diǎn)。整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)選擇波節(jié)點(diǎn)支承固緊在機(jī)床上。</p><p>　　在超聲波加工中，工具在縱向和橫向都會(huì)磨損，工具端面的磨損是主要的，側(cè)面的磨損僅占全部磨損的l/10。這樣，不僅直接影響加工速度和加工精度，而且會(huì)破壞振動(dòng)系統(tǒng)的共振條件，降低加工效率。工具磨損量的大小，主要取決于工具材料、結(jié)構(gòu)和工件材料。</p>

92、<p>　　3.4 超聲波加工深小孔的實(shí)際應(yīng)用—對(duì)玻璃小孔的鉆削加工</p><p>　　.3.4.1磨料選擇</p><p>　　超聲波振動(dòng)加工技術(shù)，是利用超聲波發(fā)生器一換能器一變幅桿一模具頭的振動(dòng)，帶動(dòng)工作液中的磨料振動(dòng)，在玻璃上產(chǎn)生空化、拋磨等作用，而實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃進(jìn)行加工。所以在加工中，磨料的作用很大，有必要對(duì)磨料進(jìn)行選擇與分析。磨料硬度越高，加工速度越快，但要考慮成本。加工

93、金剛石和寶石等超硬材料時(shí)必須用金剛石磨料；加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等高硬脆性材料時(shí)，宜采用硬度較高的碳化硼磨料；加工硬度不高的脆硬材料時(shí)，可用碳化硅磨料。加工中選擇了4種不同粒度的碳化硅作為磨料，磨料與水的混合液作為工作液。碳化硅的目數(shù)分別為320、280、240、100。</p><p>　　3.4.2工具的振幅與頻率的選擇</p><p>　　過大的振幅和過高的頻率會(huì)使工具和變幅桿承受很

94、大的內(nèi)應(yīng)力，可能超過其疲勞強(qiáng)度而縮短使用壽命，而且聯(lián)接處的損耗也增大，因此一般使用振幅為0.01～0.1 mm，頻率為16～25kHz。加工所用的NP-I-15-008000超聲波打孔機(jī)，其超聲振幅與頻率都是恒定的，振幅為0.02mm，頻率為15kHz。</p><p>　　3.4.3加工壓力的選擇</p><p>　　加工時(shí)工具對(duì)工件應(yīng)有一個(gè)合適的進(jìn)給壓力，壓力過小，則工具末端與工件加工

95、表面間的間隙增大，從而減弱了磨料對(duì)工件的撞擊力和打擊深度；壓力過大，會(huì)使工具與工件間隙減小，磨料和工作液不能順利循環(huán)更新，都會(huì)降低生產(chǎn)率。一般而言，加工面積小時(shí)，單位面積最佳靜壓力可較大。例如采用圓形實(shí)心工具在玻璃上加工小孔時(shí)，加工面積在513mm²范圍內(nèi)，其靜壓力約為0.4MPa，當(dāng)加工面積在20mm²以上時(shí)，最佳靜壓力約為0.2～0.3MPa。加工的工具頭是直徑9 mm的空心工具，其內(nèi)圓直徑為8mm。則其加工面積

96、是53.38 mm²，故其最佳加工壓力選為0.2—0.3MPa。</p><p>　　3.4.4磨料懸浮液濃度的參數(shù)選擇</p><p>　　磨料懸浮液濃度低，加工間隙內(nèi)的磨粒就少，特別是加工面積和深度較大時(shí)可能造成加工區(qū)局部無磨料的現(xiàn)象，使加工速度大大下降。隨著懸浮液中磨料濃度的增加，加工速度也提高。但濃度太高時(shí)，磨料在加工區(qū)域的循環(huán)運(yùn)動(dòng)和對(duì)工件的撞擊運(yùn)動(dòng)受到影響，又會(huì)導(dǎo)致加工

97、速度的降低。通常采用的濃度為磨料對(duì)水的質(zhì)量比約為0.5～1左右。在加工中，磨料與水的比為0.6：1，即磨料懸浮液的濃度為37.5％。</p><p>　　3.4.5加工效果與缺陷</p><p>　　超聲波振動(dòng)磨削加工，一個(gè)很難避免的問題是工具入口和出口端的工件材料會(huì)發(fā)生邊崩現(xiàn)象(見圖3.4-5)，尤其在出口處邊崩現(xiàn)象特別嚴(yán)重。</p><p>　　圖3.4-5 加

98、工效果圖</p><p>　　這是由于在超聲振動(dòng)作用下，工具頭的內(nèi)空有一股很大的氣流往下流動(dòng)，能加強(qiáng)力a-T-時(shí)工具頭與工件間隙的磨料流動(dòng)。但當(dāng)加工結(jié)束時(shí)，這股氣流卻又使磨料往下流動(dòng)，造成工具頭與工件間的磨料減少，工具頭繼續(xù)振動(dòng)時(shí)易使工件的出口快速震破，以致工件加工出口端的邊崩范圍明顯增大。為避免出現(xiàn)嚴(yán)重邊崩的現(xiàn)象發(fā)生?？刹扇∪缦麓胧孩僭谶M(jìn)行超聲加工時(shí)，在工件下面墊一塊柔軟的墊片，墊片的作用既可起到減振作用，又

99、可保證在加工過程中工件不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，改善了邊崩的情況；②在加工開始和臨結(jié)束時(shí)，適當(dāng)減少進(jìn)給壓力，以磨削作用為主進(jìn)行加工。</p><p>　　第四章 超聲波銑削加工</p><p>　　超聲波銑削是一種新興的超聲波加工工藝，它利用簡(jiǎn)單形狀工具，基于快速原型中分層制造思想，采用分層去除方法加工硬脆材料，具有工具制作簡(jiǎn)單，工具與工件問宏觀作用力小，工具損耗能夠得到補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維輪廓的加工

100、等特點(diǎn)，是具有開發(fā)前景的超聲波加工技術(shù)。</p><p>　　4.1 超聲波銑削加工的原理與特點(diǎn)</p><p>　　在超聲波銑削加工中，工具在超聲波高頻振動(dòng)的同時(shí)，還做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在CNC系統(tǒng)的控制下，每層做X、Y兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。磨料顆粒在工具三種運(yùn)動(dòng)的綜合作用下，不斷地錘擊、沖擊、拋磨和刮擦硬脆材料的工件表面。</p><p>　　當(dāng)工具、磨粒和工件沒接觸

101、的時(shí)候，材料的去除主要是靠磨粒沖擊作用，工具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的作用比較弱：而當(dāng)三者接觸后，磨粒直接作用于工件表面上，隨著加工的進(jìn)行，一部分磨粒由于工具壓力的作用，使之壓入工具中，露出的部分刻劃工件的表面，在工具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的作用下，劃過圓形軌跡，在工件表面形成弧形凹痕。另一部分磨粒則在工件與工具之間發(fā)生滾動(dòng)，產(chǎn)生滾軋效果，使工件表面產(chǎn)生微裂紋，裂紋擴(kuò)展后使工件表面產(chǎn)生脆性崩碎形成切屑。</p><p>　　同時(shí)，工具的進(jìn)給

102、運(yùn)動(dòng)也在工具、磨粒及工件接觸時(shí)作用較強(qiáng)，在未接觸時(shí)作用較弱。由于硬脆材料的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小，對(duì)磨粒加壓時(shí)，就在硬脆材料加工表面的拉伸應(yīng)力最大部位產(chǎn)生微裂紋，工具的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展。當(dāng)縱橫交錯(cuò)的裂紋擴(kuò)展并相互交叉時(shí)，受裂紋包圍的部分就會(huì)破裂并崩離出小碎塊來。這就是硬脆材料銑削加工時(shí)切削生成和表面形成的基本過程。由以上分析可以看出，超聲波銑削加工中也同時(shí)具有以下三種材料去除機(jī)理：</p><p>

103、;　　1. 沖擊：隨著工具的旋轉(zhuǎn)，工具端面的磨料顆粒沖擊加工表面的不同地方；</p><p>　　2. 磨蝕：工具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及工具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使磨料顆粒在工件的表面刮擦出微小溝槽；</p><p>　　3. 超聲波空化作用。</p><p>　　因此，我們可將整個(gè)加工過程分為兩個(gè)階段考慮：</p><p>　　1、當(dāng)工具、磨粒、工件三者不接觸

104、時(shí)，只考慮超聲波振動(dòng)，忽略工具旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響；</p><p>　　2、當(dāng)工具、磨粒、工件三者接觸后，考慮超聲波振動(dòng)、工具旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的綜合作用。超聲波銑削加工中總的材料去除率為兩部分去除材料之和，其中第一部分中的材料去除較少，第二部分的去除為主要的去除方式。</p><p>　　4.2 超聲銑削機(jī)床</p><p>　　超聲波加工時(shí)，工具與工件問作用力很小

105、，加工機(jī)床只需實(shí)現(xiàn)工具的工作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及調(diào)整工具與工件間相對(duì)位置的運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)床構(gòu)造較簡(jiǎn)單，一般包括支撐振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)架、工作臺(tái)面、進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及床身等部分。國(guó)產(chǎn)CSJ-2型超聲加工機(jī)床是其中的代表產(chǎn)品，如圖4.2所示。其振動(dòng)系統(tǒng)安裝在一根能上下移動(dòng)的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌由上下兩組滾動(dòng)導(dǎo)輪定位，使導(dǎo)軌能靈活可靠地上下移動(dòng)。工具的向下進(jìn)給以及對(duì)工件施加壓力靠振動(dòng)系統(tǒng)自重，為了能調(diào)節(jié)壓力大小，在機(jī)床后面有可加減的平衡重錘，除此之外，還有重錘杠桿加載、彈簧