旋转超声波+磨削1.docx

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旋转超声波+磨削1

旋转超声+磨削

1、旋转超声加工概念

A定义：

旋转超声加工是集传统超声加工与磨料磨削加工为一体的复合加工。

金刚石工具除以一定振幅作轴向超声频振动外,还作相对于工件的高速旋转运动,并且工件与工具间以一定的静压力相互作用。

B加工对象：

光学玻璃、功能晶体、工程陶瓷（氧化锆、碳化硅、氧化铝）等硬脆材料；硬脆材料特性：

高硬度、耐高温、耐磨损、抗腐蚀性和低导电性等等。

硬脆材料加工方法：

其中：

耐高温（激光加工和电火花加工难以集中热量，还会形成热应力导致热裂纹的产生）

抗腐蚀性和低导电性（使得蚀刻和电解加工难）

传统的磨削工艺（高速旋转来驱动金刚石磨粒来去除材料）：

由于材料的硬脆性和难以控制的动态磨削力，极易产生磨削微裂纹、工件崩边和刀具磨削。

C优势：

对工件而言：

加工效率高（MRR）、加工精度高

对磨具而言：

刀具磨削小；

2、超声辅助磨削的发展

超声辅助磨削技术的发展：

超声辅助磨削通常分为：

一维超声辅助磨削技术、二维振动磨削技术和旋转超声磨削技术，如图1所示。

一维超声辅助磨削技术可归结为三类①砂轮轴向振动磨削，即工件相对于砂轮做轴向反复振动；②砂轮径向振动磨削；③砂轮切向振动磨削。

二维振动磨削技术有两类：

①平行于工件平面的二维振动磨削，即对工件同时施加砂轮切向和砂轮轴向的超声振动；②平行于砂轮端面的二维振动磨削。

一维轴向超声振动磨削关注的焦点在于加工表面质量的显著提高；一维径向超声辅助磨削关注的焦点在于加工效率的大幅度提高。

二维振动磨削技术充分利用了一维振动磨削的特点，具有优越的综合加工性能，但是加工过程中磨削速度较低，这在一定程度上限制了该技术的广泛应用。

（a）一维轴向超声磨削

（b）一维径向超声磨削

（c）一维切向超声磨削

（d）二维超声磨削

（e）旋转超声磨削

旋转超声辅助磨削加工技术是在传统的超声游离磨粒加工技术的基础上发展而来的。

旋转超声辅助磨削加工分为两种，一种采用悬浮液游离磨粒，另一种则采用固着磨粒，通常所说的旋转超声辅助磨削加工技术是指采用固着磨粒的超声加工。

（通过烧结或者电镀的方式把磨粒固定在刀具上，带有中心孔的磨削刀具沿着刀轴方向高频振动的同时，也进行着高速的回转运动，切削液不再含有磨粒，并从刀具中心孔流出带走切屑并对加工区域进行冷却。

）

超声加工机床的发展：

旋转超声加工技术始于1964年，早期的旋转超声加工设备只能用于孔结构的加工，而随着数控加工技术的发展，旋转超声加工设备已经可以用于复杂三维结构的加工。

2007年德国的DMG/Sauer公司研制的Ultrasonic20五轴联动超声振动高速加工中心，实现了多种加工功能的集成，不仅可以钻孔、攻螺纹，还可以加工复杂形状的硬脆材料零件，被认为是旋转超声加工设备的新飞跃。

国内：

对于旋转超声加工技术和设备的研究主要集中在部分高校

戴向国探索了旋转超声加工机床的研制，该机床采用具有频率自动跟踪功能超声波电源;

赵福令开发出基于Windows平台的旋转超声加工机床的数控系统，

2002年于思远等人开发了配置气浮工作台的旋转超声加工机

2008年，天津大学的房丰洲开发出集大电流放电铣削粗加工、旋转超声辅助磨削加工、超声辅助放电加工和传统铣削加工为一体的五轴超声复合加工机床。

3、旋转超声加工机理

传统的超声游离磨粒加工的加工机理主要包括:

悬浮液中磨粒的撞击作用和超声空化作用．采用固着磨粒的旋转超声加工，其加工机理主要是依靠磨削刀具的磨抛作用、固着磨粒对工件表面的冲击作用以及超声空化作用．采用磨粒悬浮液的旋转超声加工，其加工机理则涵盖了上述两种超声加工方法。

超声空化：

是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体内形成很多微空腔，当工具端面又以很大的加速度接近工件表面时，空泡瞬间闭合，引起极强的液压冲击波，可以强化加工过程。

此外，正负交变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝了的磨粒及时得到更新。

4、旋转超声系统

旋转超声加工设备的核心是超声振动系统，超声振动系统由超声波电源、换能器、变幅杆和刀具组成．超声波电源发出的高频电信号通过换能器转变为高频振动、再通过变幅杆放大振幅并把振动输入到刀具之上，使得刀具端部获得足够的振幅。

超声电源：

超声波电源已逐步向着数字式电源发展．这类电源不仅输出信号稳定，而且易于集成到机床的控制系统中，便于整体控制。

换能器：

换能器主要采用磁致伸缩材料或压电材料制作，而由于压电陶瓷换能器具有较好的机电转换效率、更小的发热量、体积相对较小，目前的换能器普遍采用压电陶瓷换能器，压电陶瓷换能器的结构则采用夹心式结构。

变幅杆：

（振幅扩大棒）

原理：

通过变幅杆任意截面的振动能量是不变的（若传播损耗不计）。

（1）聚能作用

将机械振动位移或速度幅值放大，或把能量集中在较小的辐射面上进行聚能。

压电换能器输出振幅一般为4~10μm，而超声加工要求的振幅往往达到10~100μm，这就必须借助于变幅杆将振幅放大。

由于能量密度

正比于振幅α的平方，即：

（5-1）

（5-2）

式中，

——系数，

；

——弹性介质的密度。

所以，截面小的地方，能量密度大，振幅也就得到了放大。

为了获得较大的振幅，应使变幅杆的谐振频率和外激振动频率相等，使之出于共振状态。

（2）有效地向负载传输能量

作为机械阻抗的变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量由压电换能器更为有效地向负载传输。

超声加工中，不仅要求变幅杆的位移节点位置清晰准确，而且要将振动系统固定到相对静止的支架上，从而使振动系统的声能耗散最小、谐振频率与声阻抗的波动最小。

变幅杆作用是放大来自换能器的振幅，以便进行超声加工．变幅杆的结构形式直接关系到振动系统的振动性能，因此变幅杆的合理设计是十分重要的．

传统变幅杆设计方法主要是解析法和力电类比法:

解析法适用于结构简单、形状规则变化的变幅杆设计;力电类比法建立在一维振动模式的基础上，适用于振动系统横向尺寸较小情况下变幅杆的设计．目前变幅杆的设计方法主要采用有限元法，应用有大型有限元软件对变幅杆进行模态分析和谐响应分析，能够得到各阶振动频率、振型、位移、振幅放大比等重要性能参数。

5、旋转超声磨削工艺

6、旋转超声磨床关键技术

难点一：

频率可调节技术

超声加工设备的工作频率由振动系统的谐振频率决定，而振动系统的谐振频率是相对固定的，一旦振动系统的输入频率偏离了谐振频率，刀具端部振幅会迅速下降以致无法振动，故目前国内外使用的大多数超声加工设备采用单一加工频率，并且刀具的尺寸被严格限制。

当刀具尺寸改变时，振动系统的整体结构发生变化，若超声波电源输出信号频率不变，刀具端部振幅可能会迅速下降;若相应地改变了超声波电源输出信号频率，也会由于换能器节点与固定夹持点位置偏离过大，导致振动系统特别是固定处迅速发热以至损坏．2007年，德国的DMG/Sauer公司研制出具有频率可调节技术的旋转超声加工机床．频率可调节技术是指当更换了不同尺寸的刀具后，通过调节超声电源的输入频率使得振动系统重新达到谐振状态．

难点二：

非接触式供电方法

早期的旋转超声加工设备是通过电刷向换能器供电，这种接触式供电方式限制了主轴转速。

Kauf等人针对这一问题提出一种新的非接触式供电方法，其基本思想是利用变压器原理，使用一对线圈通过电磁感应供电，上级线圈被固定在机床上，下级线圈固定在刀柄上，两线圈被包裹在铁氧体磁芯中。

DMG/Sauer公司研制的超声振动加工中心就采用了这种非接触式供电方法，向安装在刀柄内部的换能器供电。

近些年来，国内针对非接触式供电技术也开展了大量的研究，2009年，作者所在课题组基于HSK刀柄系统开发出了国内第一套非接触式旋转超声装。

难点三：

负载匹配系统

旋转超声加工时，负载状况复杂，负载的突变可能导致刀具或工件的损坏。

德国DMG/Sauer公司研制的旋转超声加工机床，具有ACC（acousticcontrol）、ADC（adaptivecontrol）和APC（automaticpressurecontrol）功能，通过监测加工过程中刀具机械振动情况和切削力的变化，自动调整进给率和转速，以保证加工过程的平稳，可以在无人值守的条件下完成加工．国内于2002年研制了具有气动负载匹配系统的旋转超声加工机，实现加工过程中的负载匹配。

难点四：

大功率超声加工设备的研究

大功率超声加工设备对超声振动系统的要求更高，为了避免超声振动系统由于功率大而引起过热这一问题，换能器的尺寸设计更加严格、换能器固定节点位置必须更加准确、大功率非接触式供电装置传递效率及发热问题是该领域的重要课题。

参考文献

[1]房丰洲、倪皓等，硬脆材料的旋转超声辅助加工[J]，纳米技术与精密工程.2014.

[2]