超聲加工技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

張勤儉,楊小慶,李建勇,蔡永林,王 恒,曹宇男,趙路明,劉敏之

(北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院,北京100044)

超聲加工是指利用超聲振動的工具,帶動工件和工具間的磨料懸浮液,沖擊和拋磨工件的被加工部位,使其局部材料被蝕除而成為粉末,以進(jìn)行穿孔、切割和研磨等,以及利用超聲波振動使工件相互結(jié)合的加工方法。

超聲加工技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用開始于20世紀(jì)10～20年代,適合加工深小孔、薄壁件、細(xì)長桿等低剛度零件,高精度、低表面粗糙度等精密零件,以及一些難加工的金屬和非金屬材料,尤其在難加工材料領(lǐng)域突破了許多關(guān)鍵性的工藝問題,取得了良好的效果。

1 超聲加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 深小孔的超聲加工

深小孔的加工一直以來都是機(jī)械制造行業(yè)中被人們廣泛關(guān)注的問題之一。深孔加工是一個復(fù)雜的加工過程,深孔一般是指孔的深度與直徑之比(l/d)大于5的孔。一般地,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。尤其是對于鉆削難加工材料的深孔來說,更易出現(xiàn)許多問題,如切削液難以進(jìn)入切削區(qū),切削溫度較高,刀具磨損快,產(chǎn)生積屑瘤,排屑困難,切削力增大等[1]。采用超聲加工可有效解決上述問題。

20世紀(jì)60年代,中國成功研制了超聲振動加工深小孔的機(jī)床。1984年,中國科學(xué)院聲學(xué)研究所成功地研制了超聲旋轉(zhuǎn)加工樣機(jī),并應(yīng)用于深小孔加工。該樣機(jī)功率為400 W,工作頻率為 7～22 kHz,加工精度為:圓柱度 0.03 mm,圓度＜0.005 mm。劉殿通等對工程陶瓷的小孔進(jìn)行了超聲振動磨削研究[2],該方法降低了工件的表面粗糙度值,提高了砂輪的耐磨性,從而提高了加工精度和工作效率。沈陽航空工業(yè)學(xué)院進(jìn)行了精密深小孔研究,分別對超聲鏜孔、鉸孔和鉆孔進(jìn)行了試驗研究[3]。結(jié)果表明,超聲加工能提高系統(tǒng)剛性,減少切削力,降低切削溫度,從而提高孔的加工質(zhì)量?，F(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)正向著精密化、集成化、智能化方向發(fā)展,因此,對于深小孔的加工要求也日益提高。王婕等對復(fù)雜殼體零件深小孔處的交叉毛刺問題進(jìn)行了研究[4],提出采用超聲復(fù)合方法去毛刺。該方法提高了孔的表面光整性和加工效率,可加工不同尺寸的小孔,一致性好,且具有持久性。為改善深小孔的加工質(zhì)量,王天琦等在高頻振動鉆削原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一套超聲軸向振動加工系統(tǒng),來完成微小孔的超聲鉆削[5]。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,便于制造,且操作方便,能滿足微小孔鉆削的加工要求,尤其適用于鈦合金和不銹鋼類難加工材料。為完成在微細(xì)玻璃上加工深細(xì)孔,張云電等采用了超聲鉆削方法[6]。實驗結(jié)果表明,該方法能提高加工精度和加工效率,降低表面粗糙度值,延長工具壽命。

加工大深徑比微細(xì)孔時,切屑不易排出,電極損耗增大,針對這一問題,張余升等提出采用超聲輔助電火花加工技術(shù)[7],并已在厚3.5 mm的不銹鋼板上加工出平均直徑為120 μm的通孔,深徑比高達(dá)29。朱鈺鏵等對鈦合金深小孔進(jìn)行了超聲電火花復(fù)合加工研究[8],實驗結(jié)果認(rèn)為,該方法能有效改善微粒聚積現(xiàn)象,利于電蝕產(chǎn)物的排出,從而提高加工穩(wěn)定性和加工速度。

1.2 難加工材料的超聲加工

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,耐熱鋼、鈦合金、不銹鋼、高溫合金和工程陶瓷等材料廣泛應(yīng)用在機(jī)械制造、國防及宇航工業(yè)等領(lǐng)域。這些材料具有良好的耐熱性、耐腐蝕性、高的比強(qiáng)、優(yōu)異的常溫和高溫力學(xué)性能,但由于它們的強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差,加工硬化嚴(yán)重,用傳統(tǒng)的加工方法不易加工,采用超聲加工可解決以上問題。

兵器工業(yè)五二研究所對Al2O3陶瓷材料的超聲車削加工進(jìn)行了研究[9]。試驗結(jié)果表明,超聲振動車削與普通車削、磨削相比,具有較高的加工精度和較低的表面粗糙度值,減小了切削力,降低了切削溫度,改善了加工特性。為了探索利用簡單形狀砂輪對陶瓷材料進(jìn)行數(shù)控展成型面超聲磨削,對Al2O3陶瓷進(jìn)行了蠕動進(jìn)給超聲磨削試驗[10]。結(jié)果表明,超聲振動方向和蠕動進(jìn)給方向平行時,可降低表面粗糙度值;為提高加工質(zhì)量,應(yīng)采用較小的磨削深度、較低的進(jìn)給速度和適當(dāng)高的磨削速度以及復(fù)合進(jìn)給磨削方式。與傳統(tǒng)的工程陶瓷相比,納米陶瓷具有優(yōu)越的機(jī)械性能和物理特性,故對其進(jìn)行了超聲研磨實驗[11]。結(jié)果表明,超聲磨削納米氧化鋯工件的磨削深度擴(kuò)大了約30%。大連理工大學(xué)提出超聲分層銑削加工三維陶瓷工件[3],該技術(shù)的關(guān)鍵是工件損耗的在線補(bǔ)償和控制。超聲數(shù)控分層仿銑可對傳統(tǒng)成形加工有困難、甚至無法加工的工件進(jìn)行加工,極大簡化了工藝過程,保證了加工過程的可控性和加工精度。美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)對Al2O3陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術(shù)進(jìn)行了研究[12]。研究發(fā)現(xiàn),低沖擊力會引起陶瓷材料的結(jié)構(gòu)變化和晶粒錯位,而高沖擊力會導(dǎo)致產(chǎn)生中心裂紋和凹痕。

廣西大學(xué)的科研工作者利用1 kW超聲車削裝置對某廠提供的花崗巖壓輥進(jìn)行了切削試驗。結(jié)果表明,當(dāng)?shù)毒卟牧喜捎肶G8N、進(jìn)給量 s=0.08 mm/r、切削深度ap=0.20 mm時,切削效果最好。為了提高材料去除率和表面質(zhì)量,提出了一種新的二維(即橢圓)超聲波輔助磨削技術(shù),加工硬而脆的單晶硅材料[13]。實驗證明,與傳統(tǒng)磨削相比,其最大的優(yōu)點在于表面質(zhì)量的改善和磨削力的減小,有利于高效率和高品質(zhì)的單晶硅研磨。

超聲加工在材料的彈性和結(jié)構(gòu)特性的研究中越來越受歡迎。在多組分玻璃系統(tǒng)中,超聲波的縱向和切向速度很大程度上依賴于用來形成玻璃的化學(xué)成分的性質(zhì)和組成[14],因此引入了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型用作快速預(yù)測超聲波速度的工具,從而更好地加工玻璃。近年來,對藍(lán)寶石的需求越來越多,但其硬度高,脆性大,不易加工,因此,提出采用橢圓超聲波輔助磨削技術(shù)加工藍(lán)寶石[15]。實驗表明,砂輪的磨削效果好,降低了磨削力,改善了表面粗糙度。

聚晶金剛石(Polycrystalline diamond,PCD)是20世紀(jì)70年代興起的一種新型材料,它具有良好的磨削性能:高去除率和韌性,具有自銳性,與單晶金剛石相比,更不易產(chǎn)生表面劃傷,更適用于研磨表面由不同硬度材料構(gòu)成的工件,用作精密磨料、切割刀具等,但表面成形和光整加工具有一定難度。上海交通大學(xué)采用微細(xì)超聲電火花技術(shù)加工聚晶金剛石[16],能改善放電狀態(tài),提高放電頻率,減少工具電極上的附著物,在適當(dāng)?shù)某曊穹?2 μm)下可擴(kuò)大加工參數(shù)范圍,提高加工精度和表面質(zhì)量。南京航空航天大學(xué)在超聲電火花加工PCD的過程中,對影響加工效率的因素(如:脈沖寬度、超聲振幅、磨粒大小等)進(jìn)行了研究[17],試驗結(jié)果表明,隨著脈沖寬度、超聲振幅的增大,材料去除率和加工表面粗糙度值也增大,磨粒大小也影響了加工表面粗糙度。鄧朝暉等采用金剛石砂輪對PCD復(fù)合片進(jìn)行了精密平面磨削試驗,分析了磨削參數(shù)和砂輪特性對磨削力的影響[18],結(jié)果表明,隨著砂輪速度的減小、磨削深度的增加、進(jìn)給速度的增大及磨粒粒度號越大,切向和法向磨削力都增加。張勤儉、李建勇等采用青銅結(jié)合劑金剛石砂輪完成了PCD超聲電火花機(jī)械復(fù)合加工[19],實驗表明,這是一種非常有效的加工方法,且超聲振幅、脈沖寬度、脈沖間隙、峰值電流、開路電壓等對復(fù)合加工中的工藝結(jié)果有較明顯的影響。納米金剛石的制造是近年來各國科學(xué)家的熱門研究課題之一,已在金屬鍍層、潤滑油、化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域開始獲得應(yīng)用,且應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)展。Claire Mangeney等采用超聲輔助化學(xué)加工方法對納米金剛石進(jìn)行表面處理[20],其優(yōu)點是操作簡單且環(huán)保,對于由碳-碳鍵形成的納米金剛石的制備是一種有效的方法,化學(xué)穩(wěn)定性也較高。

1.3 超聲光整加工

零件的表面質(zhì)量對零件的耐磨性、耐腐蝕性、密封性及配合性等使用性能有很大影響。超聲拋光可顯著降低表面粗糙度值(可達(dá) Ra0.1 μm),大大提高了生產(chǎn)效率,設(shè)備簡單,操作容易,成本較低,可提高已加工表面的耐磨性和耐腐蝕性,可方便加工硬脆材料及復(fù)雜型腔的拋光。

無磨粒超聲拋光工藝可降低零件表面粗糙度值,提高表面硬度,改善表面物理性能,是一種高效、精密的表面光整工藝,也是一種表面強(qiáng)化工藝[21]。以直徑40 mm的45號鋼棒料為加工對象,在不同工藝參數(shù)下進(jìn)行無磨粒超聲拋光和常規(guī)無磨粒拋光對比加工,探索各工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響規(guī)律[22]。實驗結(jié)果表明,無磨粒超聲拋光加工能顯著降低軸件的表面粗糙度值,Ra值由5.2 μm降低到0.74 μm,使軸件的表面硬度由原來的190 HB提高到232 HB。

超聲研磨也是一種表面光整工藝,和普通研磨相比,具有研磨力小、研磨溫度低、加工效率高、加工質(zhì)量好等優(yōu)點。與其他半導(dǎo)體材料相比,SiC單晶片硬度高、脆性較大,導(dǎo)致加工效率低、易產(chǎn)生裂紋和缺陷,不易得到低表面粗糙度值、淺變質(zhì)層和無晶格畸變的完美表面。超聲波研磨能高效、高精度地對SiC單晶片進(jìn)行超精密加工,可獲得高精度的表面質(zhì)量[23]。Al2O3工程陶瓷等硬脆材料具有低塑性、易脆性、微裂紋及不導(dǎo)電等特性,加工十分困難,經(jīng)實驗證明,超聲振動研磨是適合Al2O3工程陶瓷等硬脆材料的一種高效加工方法[24]。對硬化AISI 52100鋼使用無粘結(jié)碳化硅磨粒,采用超聲波輔助磁研磨方法加工[25]。實驗結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的磁研磨加工相比,在相同條件下,該方法有較好的加工潛能,工件表面粗糙度值可達(dá)Ra22 nm。

超聲壓光工藝是在傳統(tǒng)的壓光工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新工藝。與傳統(tǒng)的壓光工藝相比,它具有彈性壓力小、摩擦力小、表面更光滑、表面粗糙度值進(jìn)一步降低、表面耐磨性增加等優(yōu)點。濟(jì)南山科數(shù)控設(shè)備有限公司研發(fā)了納米磨床,它利用超聲波技術(shù),給予金屬表面以高頻驅(qū)動,對金屬表面進(jìn)行擠壓并光整,使金屬表面粗糙度達(dá)到鏡面效果,Ra值一般在0.1 μm以下,從而提高金屬表面的微觀硬度、耐磨度、疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。

1.4 超聲復(fù)合加工

超聲加工和傳統(tǒng)機(jī)械加工或特種加工方法相結(jié)合,就形成了各種超聲復(fù)合加工工藝,如:超聲電解拋光加工、超聲電火花加工、超聲振動切削、超聲旋轉(zhuǎn)套料加工、超聲鉆孔、超聲振動磨削加工等。超聲復(fù)合加工提高了加工效率,改善了工件的加工質(zhì)量,實現(xiàn)了低耗高效的目標(biāo)。

西安工業(yè)學(xué)院研制了DFM-1型超聲-電解復(fù)合拋光機(jī),并進(jìn)行了超聲電解復(fù)合拋光試驗研究。北京市電加工研究所于1985年起就開始對聚晶金剛石等超硬材料的研磨、拋光進(jìn)行研究,并于1987年成功地研究了超硬材料超聲電火花復(fù)合拋光技術(shù),大大提高了加工效率,并節(jié)約了大量金剛石磨料。山東大學(xué)進(jìn)行了超聲振動輔助氣體介質(zhì)電火花加工的研究,探討了各加工參數(shù)對加工效率、工件表面粗糙度和電極損耗的影響。該技術(shù)對難加工材料的高效、高質(zhì)量加工有重要意義。陳源豐等采用在介質(zhì)中添加TiC顆粒的超聲電火花復(fù)合方法加工鋁鎂鋅合金,測試其硬度和耐磨性[26]。實驗結(jié)果表明,它能在表面形成一層合金層,提高了加工表面的硬度和耐磨性,改善了加工性能。

普通鉆削小直徑深孔時,切屑不易排出,且易刮傷孔的表面,降低孔的表面質(zhì)量,同時切削液不易進(jìn)入切削區(qū),導(dǎo)致刀具耐用度降低,因此,劉戰(zhàn)鋒等提出在搖臂鉆床上附加一個超聲振動裝置[27]。這種新的工藝方法能有效改善切削條件,提高孔的精度和加工質(zhì)量。硬脆材料加工十分困難,尤其是孔加工,易出現(xiàn)鉆頭出口處的崩邊現(xiàn)象,針對這一問題,哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)了一套大直徑孔超聲旋轉(zhuǎn)套料加工系統(tǒng)[28],并對該系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試。實驗驗證了超聲加工解決硬脆材料崩邊問題的可行性,得到了較好的加工效果,其成本低,應(yīng)用范圍廣泛。河南理工大學(xué)對納米復(fù)相陶瓷進(jìn)行了超聲振動作業(yè)下的蠕變特性研究[29],包括高溫下的拉伸試驗和三點彎曲試驗,分析了超聲振動時的斷口形貌,表明超聲振動輔助磨削方法可減小蠕變裂紋的可能性,提高陶瓷使用壽命,改善表面質(zhì)量。為了實現(xiàn)以車代磨的工藝要求,提高加工精度和改善表面粗糙度,華東交通大學(xué)使用二維超聲振動車削技術(shù)代替磨削加工[30],分析了與超聲換能器匹配的電路,采用窄端帶圓柱桿的復(fù)合圓錐形變幅桿,并借助ANSYS軟件對其進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,達(dá)到了提高換能器輸出效率的目的,提高了二維超聲振動車削的加工質(zhì)量。燒結(jié)碳化鎢(WC)是一個非常硬而脆的材料,在工具制造行業(yè)得到廣泛使用。Chandra Nath等采用超聲波橢圓振動切削方法[31],使用PCD刀具對鎢硬質(zhì)合金進(jìn)行加工,分析其切削性能。結(jié)果表明,當(dāng)法向速度和切向速度之比減小時,由此產(chǎn)生的切削力和刀具后刀面的磨損減少,而表面粗糙度值降低;當(dāng)速度比小于0.107時,平均表面粗糙度值在 Ra0.030～0.050 μm 之間。因此,在超聲波橢圓振動切削技術(shù)中,PCD刀具可用于加工燒結(jié)碳化鎢,從而實現(xiàn)超精密表面加工,這將是一種有效的微型切割技術(shù)。使用PCD刀具應(yīng)用于超聲波橢圓振動切削技術(shù)加工淬硬鋼尚未得到廣泛使用,Kumar等提出了采用PCD刀具,使用超聲波橢圓振動切削技術(shù)加工一種硬化不銹鋼(一種典型的STAVAX,硬度49 HRC)的實驗研究[32],分析了公稱切削深度、切削速度及進(jìn)給率對輸出特性,如:切削力、刀具后刀面磨損、表面粗糙度、切屑形成等的影響。實驗結(jié)果表明,公稱切削速度影響最大,表面粗糙度隨切削速度的減小而得以改善;在生產(chǎn)精密硬化鋼模具時,采用PCD刀具代替單晶金剛石刀具,能更有效地獲得較好的光學(xué)表面。

為保證孔的加工精度,Legge提出使用固結(jié)的金剛石刀具,并結(jié)合工件的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行孔加工的方法,形成了原始的旋轉(zhuǎn)超聲加工[33]。該加工方法克服了在普通超聲加工中游離的超硬磨料液在刀具和工件之間流通不暢,以及磨料對加工刀具和加工孔壁的磨蝕等問題,同時使加工精度和材料去除率得到了明顯提高。韓國學(xué)者在2007年提出用單端絕緣電極做超聲輔助電解加工[34]。實驗觀察表明,該方法提高了加工穩(wěn)定性,促進(jìn)了火花的產(chǎn)生,從而提高了加工深度。

2 超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景

2.1 超聲復(fù)合加工

隨著科學(xué)技術(shù)水平的日益提高,在機(jī)械加工等領(lǐng)域,對工件的加工精度及表面粗糙度的要求越來越高。近年來對超聲復(fù)合加工技術(shù)的研究越來越多,其中應(yīng)用最多的是超聲電火花復(fù)合加工和超聲電解復(fù)合加工。南京航空航天大學(xué)對硬脆金屬材料的超聲電解復(fù)合加工工藝進(jìn)行了實驗研究[2]。與單一加工工藝相比,該復(fù)合加工方法明顯提高了加工速度、加工精度和表面質(zhì)量。今后,改進(jìn)和完善現(xiàn)有超聲電加工復(fù)合技術(shù),探索新的加工方法和加工方式,對推進(jìn)電加工技術(shù)在陶瓷等難加工材料中的應(yīng)用將會有很好的作用。

對于硬脆材料的深孔、高精度深小孔加工,超聲旋轉(zhuǎn)加工是一種有效的加工方法,但相關(guān)的加工設(shè)備、加工工藝關(guān)鍵技術(shù)都有待開發(fā)研究。此外,航空航天技術(shù)的發(fā)展對材料性能的要求愈來愈高,如:比強(qiáng)度和比剛度高、有一定的耐高溫和抗低溫性能、有良好的耐老化和抗腐蝕能力等。因此,高溫合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼、先進(jìn)復(fù)合材料和工程陶瓷等材料得到了越來越廣泛的應(yīng)用。超聲旋轉(zhuǎn)加工是脆性材料精密、高效加工的一種有效方法。但由于對超聲加工機(jī)理和工藝缺乏系統(tǒng)的研究,使用效果并不理想。隨著對加工原理和機(jī)床性能的不斷研究和完善,它必將在航空和國防工業(yè)中廣泛使用的先進(jìn)復(fù)合材料及功能晶體材料的精密加工上大有作為[33]。

近年來,新材料尤其是難加工材料大量涌現(xiàn),而且對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益的要求不斷提高,可以預(yù)見,超聲復(fù)合加工將會逐漸顯現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢,在各個領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

2.2 微細(xì)超聲加工

以微機(jī)械為代表的微細(xì)制造是現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個重要組成部分。精密化、微型化是當(dāng)今機(jī)電產(chǎn)品的重要發(fā)展方向之一。微細(xì)超聲加工原理與常規(guī)超聲加工相似,是通過減小工具直徑、磨粒粒度和超聲振幅來實現(xiàn)的。晶體硅、光學(xué)玻璃、工程陶瓷等脆硬材料在微機(jī)械中的廣泛應(yīng)用,使脆硬材料的高精度微細(xì)加工技術(shù)成為世界各國制造業(yè)的一個重要研究課題。目前,適用于脆硬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、電解、激光等加工技術(shù)相比,既不依賴材料的導(dǎo)電性又沒有熱物理作用;與光刻加工相比,可加工具有高深寬比的三維形狀,這決定了超聲加工技術(shù)在陶瓷、半導(dǎo)體硅等非金屬脆硬材料加工方面有著得天獨厚的優(yōu)勢[35]。

微細(xì)超聲加工將大大減少加工成本,縮短加工周期,提高工件表面質(zhì)量。但對于微細(xì)超聲加工原理的研究還有很多不足,無論是在成形加工還是在分層掃描的加工模式下,其材料去除率、工具損耗、表面損傷、精度和加工質(zhì)量等方面都需做進(jìn)一步研究。隨著壓電材料及電力電子技術(shù)的發(fā)展,微細(xì)超聲、旋轉(zhuǎn)超聲、超聲復(fù)合等加工技術(shù)成為了當(dāng)前超聲加工研究的熱點。

3 結(jié)論

綜上所述,新材料的引入促進(jìn)了加工方法的改變,從而帶動新技術(shù)產(chǎn)生的步伐。超聲加工在很大程度上改善了傳統(tǒng)的加工方法,在各種硬脆材料加工方面得到了廣泛應(yīng)用,促進(jìn)了材料加工技術(shù)的發(fā)展。超聲加工技術(shù)的成果是豐富的,發(fā)展前景是廣闊的。

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