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旋转超声加工技术的研究进展综述

1.引言

超声技术在工业中的应用开始于20世纪10-20年代,是以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。超声技术在机械加工方面的应用按其加工工艺特征,大致分为两类。一类是带磨料的超声磨料加工,如超声孔加工、超声研磨、超声抛光、超声去毛刺等;另一类是采用切削工具与其他加工方法相结合形成的超声复合加工,如旋转超声在钻孔、磨削、铣削上的应用,超声电化学、超声振动切削、超声放电加工及超声塑性加工等。

本文参阅大量国内外研究文献,结合作者的研究成果,综述旋转超声加工技术发展以及当前具有代表性的旋转超声加工机床的主要技术特征,重点分析了旋转超声加工技术的应用,最后提出旋转超声加工研究的趋势。

2.超声磨削加工系统关键部件研究现状

2.1旋转超声加工技术的提出及机床的发展

年,美国物理学家伍德和卢米斯最早作了超声加工试验,利用超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔。年前后,在文献资料上第一次出现了有用的超声加工(ultrasonicmachining,USM)工艺技术的描述。年,美国的科恩制成第一台实用的超声加工机。在年左右,已经看到了各种用途、各种类型和加工尺寸的超声机械加工工具,并且某些型号已经开始进入正常生产。USM体现了比常规机械加工技术更多的优点。它可以加工导电和不导电材料,并且复杂的三维轮廓也可以像简单形状那样快速加工。此外,加工过程不会或较少产生有害的热区域,不会在工件表面带来化学/电气变化,在工件表面上产生的残余压应

力可以提高被加工零件的疲劳强度。然而在USM中,必须供给含磨料的磨液,并且要将磨液从工具和工件之间的间隙中清除。因此,材料的去除速率相当慢,甚至在切削深度较大时停止工作。磨粒及切屑混合液返回表面时,会磨损已加工孔壁的边壁,尤其是小孔加工情况更严重。此外,磨液还要磨蚀工具本身,引起工具端面及径向的大量磨损,进而很难保证加工精度。

年,英国人Legge提出使用烧结或电镀金刚石工具的超声旋转加工的方法,克服了一般超声加工深孔时加工速度低和精度差的缺点。到目前为止,英、美、苏、德、日、中等国家己对超声旋转加工设备的研制以及工艺方法作了一些研究,其中具有代表性的旋转超声加工机床主要技术特征比照如表1所示。

表1　国内外旋转超声加工机床技术特征

国家

研制单位

机床名称

主要技术特征

美国

Sonic-Mil公司

Sonic-Mill10

转速:0～rmin-1,中心频率:20kHz,功率:W,适用于小孔加工

德国

DMG机床

Ultrasonic50

转速:0～rmin-1,频率:17.5～30kHz,功率:W,最小孔径:0.3mm,最高精度0.2μm

英国

Kerry超声公司

UMT-5

功率:W,频率:20kHz

日本

超音波工业公司

UMT-7

功率:W,频率:20kHz,加工孔径1.6～10mm

中国

原子能部十一研

T-3/ZV

功率:W,频率:7～22kHz,加工孔径3～10mm

中国

华侨大学

旋转超声加工机床

转速:0～3rmin-1,中心频率:20kHz,功率:1kW,适用于直径60mm以下孔及面加工

2.2旋转超声加工机理研究现状

在目前广泛使用的纵向振动旋转超声加工中,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。国内外众多学者对旋转超声加工展开了广泛的理论机理研究,简单概括如下。

2.2.1超声振动的捶击作用

超声波在传播过程中,会引起介质质点交替的压缩与伸张,构成了介质间压力的变化,这种压力的变化将引起物质间机械效应。超声引起的介质质点运动加速度a=(2πf)2A,取工具头的振动频率f为20kHz,工具头的振幅A为15μm,则瞬时加速度a≈km/s2,假设加工时静压力F0为15N,则材料表面受到的锤击冲击力相当于为0.36MN,工件的局部应力将远远超过材料的断裂极限,导致工件材料表面产生压痕,导致微细裂纹的产生和扩展,以致材料的微观局部破碎去除。

2.2.2金刚石工具的磨抛作用

在超声振动引起加工工件表面产生大量裂纹的基础上,由于金刚石工具的高速旋转,使得嵌入工件表面的磨粒在工件表面上划擦、磨抛、撕扯工件材料,从而大大加速微裂纹的扩展,造成材料的宏观破碎去除。

目前国内外学者所建立的旋转超声加工材料去除理论模型,也主要考虑这一作用机理,参考超硬磨料工具切磨削机理,借助扫描电镜等先进测试手段对加工形貌的观察,结合工具与工件几何运动学过程的分析而形成的。如对于旋转超声钻削先进陶瓷的材料去除机理,Markov等认为旋转超声钻削加工中,材料表面微观和宏观裂纹以及裂纹的扩展是导致材料发生脆性断裂去除的唯一机理。Prabhakar和Pei等先后于和年推导出基于脆性断裂去除模式的旋转超声钻削中材料去除率理论模型。年Pei等人采用旋转超声端面铣削方法加工陶瓷,发现材料的去除机理包括脆性去除和塑性去除;并且通过调整旋转超声钻削参数,可以实现塑性和脆性去除的不同比例。Pei等人于年提出基于塑性变形去除模式的旋转超声钻削中材料去除率理论模型。

2.2.3超声空化作用

通过流体动力学可知,当超声波传播到液体介质的时候,液体中的微气泡在声场的作用下产生振动,当声压达到一定强度时,气泡将迅速膨胀,然后突然闭合,在气泡闭合瞬时产生冲击波,这种气泡膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称为声空化效应。超声加工中,工作液受工具端面超声振动作用而产生高频、交变的正负液压冲击波和空化作用,将促使工作液进入被加工材料的微裂缝处,加剧机械破坏作用,强化加工过程。

2.2.4液压冲击和旋转运动促进了碎屑的排出

超声空化爆破作用和工具的旋转运动使碎屑始终处于运动状态,阻止了碎屑的沉积过程,促进了碎屑在工作液中流动,加速碎屑的排除,使得加工区工作液保持动态平衡,从而保证了加工的进行。

以上4点是国内外众多学者形成的关于旋转超声加工的主要作用机理,实验结果表明,单纯的工具旋转或超声振动对材料的去除效果都比较差,而将二者组合之后,材料的去除率得到很大的提高,因此可以认为旋转超声加工是上述各机理相互促进、综合作用的结果。

3.旋转超声加工的应用研究现状

目前,旋转超声加工在许多工业领域正得到越来越广泛的应用,例如汽车工业、工具和模具制造、光学元件、半导体工业、医疗工业等领域。

3.1旋转超声钻削加工

旋转超声钻削中金刚石工具与工件的高频断续接触加工,保证了孔加工时切削液顺利进入切削区,切削温度和切削力大大降低,克服了普通钻削加工时出现的一系列问题,从而大大提高孔加工精度,避免裂纹和薄型材料边、角破裂问题。因此,旋转超声钻削加工一直得到国内外学者的广泛注意。

在超声旋转加工工艺参数对材料去处率的影响方面,英国阿伯丁大学国王学院建立了超声加工冲击过程的非线性模型,首次解释了材料去除率在较高的静压力作用下减小的原因。美国Rajurkar等在对Al2O3陶瓷材料精密超声加工的研究中,发现低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位,而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕的产生。Komaariha等研究了不同的工件材料硬度和弹性模量的比值对旋转超声钻削和普通超声加工工件圆度和材料去除率的影响,研究结果发现H/E越大,材料去除率越高,加工孔的不圆度增大,并且加工孔的表面粗糙度增大。我国山东大学对工程陶瓷的超声振动钻削加工进行了深入的研究,探讨了超声振动钻削中各工艺参数对加工效果的影响,分析了超声振动钻削的材料去除机理。

在小孔及微孔加工方面,日本利用UMT-7三坐标数控超声旋转加工机床,在玻璃上加工出孔径1.6mm、深度mm的小孔,其圆度可达0.mm,圆柱度为0.02mm。年,日本东京大学利用超声加工技术在石英玻璃上加工出直径为15μm的微孔,年又成功地加工出直径为5μm的微孔。Egashira等采用工件做超声振动的方式,结合在线工具制备技术在石英玻璃上加工出直径5μm的微孔。

关于电火花超声复合加工的研究,英国申请了电火花超声复合穿孔的专利,用于加工在导电基上有非导电层的零件,如在金属基上涂有压电陶瓷层的零件。我国哈尔滨工业大学研究了Ti合金深小孔的超声电火花复合加工,开发出了新型4轴电火花加工装置,应用该装置可以在Ti合金上加工D0.2mm、且深径比15的深小孔。

在旋转超声钻削与普通超声钻削的比较方面,Clevae研究发现,旋转超声钻削的材料去除率是普通超声钻削材料去除率的10倍左右。Garff研究发现,与普通超声钻削相比,旋转超声钻削可以钻削更深的小孔,并且孔的加工精度得到较大的提高。Stintno研究发现旋转超声钻削加工相对普通超声钻削加工硬脆材料时所需工作压力更小,工件加工表面光洁度较高。研究发现,在相同加工条件下,旋转超声钻削孔加工的不圆度和表面粗糙度都要比超声加工的小。

关于旋转超声钻削加工工具磨损的研究,引入工具磨损比qv来评价旋转超声钻削中振动振幅对工具磨损的影响,结果显示旋转超声钻削的工具磨损qv随着振动振幅的增加而降低到一个最小值,然后再随着振动振幅的增大而增大。华侨大学对旋转超声钻削加工碳化硅陶瓷材料中工具磨损机理的研究发现,磨粒脱落为工具的主要磨损形式,而旋转超声钻削氧化铝时,金刚石工具磨损机理主要是磨耗磨损。

此外,Ishikawa等在研究旋转超声钻削中超声振幅对冷却液流速的影响时发现,随着超声振幅增大,冷却液流速增大。同时,Ishikawa等发现利用旋转超声钻削和低频振动钻削相结合的复合振动钻削方法利于切屑的排出,相对旋转超声钻削,复合振动钻削能取得更好的加工效果。

3.2旋转超声铣削加工

如上所述,旋转超声加工在孔加工方面得到了较大的发展,为了拓展其在平面铣削等方面的应用,年美国堪萨斯州立大学Pei提出将旋转超声加工应用于平面铣削的新途径。同时他和Hu等提出一种旋转超声加工陶瓷材料去除率模型的计算方法,并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中,确定了材料去除率和加工参数之间的关系,该研究大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的发展。

大连理工大学基于快速原型分层制造的思想,提出利用简单工具实现超声分层铣削加工的新技术。研究了铣削加工中工具耗损的机理和工艺规律,提出铣削加工中工具耗损的补偿方式。在此基础上,开展实验研究,探索工艺参数对材料去除率的影响规律。开辟了利用超声加工技术数控加工工程陶瓷零件的途径。

作者在自主开发的旋转超声加工机床上,结合工具材料的选择,断续和连续环面工具基体的设计和优化,针对典型石材工件,进行包括游离磨料非旋转超声、游离磨料旋转超声和固结磨料旋转超声大截面铣削加工的实验研究,分析材料去除率的影响规律,观察工件加工表面质量。结合加工过程中静压力及扭矩变化的监控和光学显微镜对工件加工形貌,为全面认识和分析旋转超声加工过程提供了基础。提出将真空钎焊工具应用于超声加工领域,通过磨损实验观察,显示钎焊金刚石工具在超声加工的应用上其优势得以更好的发挥,材料的去除率以及工具的寿命都有显著的提高。

3.3旋转超声磨削加工

借助单颗磨粒划擦实验,对径向施加超声振动的缓进给磨削加工运动学模型进行了分析,发现超声磨削相比普通磨削磨粒有较大的切入角、较短的切削长度、较厚的切屑和较低的摩擦系数。结合对Si3N4陶瓷加工试件的SEM检测、残余应力分析以及弯曲强度测试,证实了超声加工较普通加工具有较大的材料去除率,且亚表面损伤较小。

Al2O3超声振动缓进给磨削加工实验研究发现,当超声振动方向与磨削进给方向相同时,超声振动引起的抛磨作用非常显著,超声磨削的表面粗糙度比普通磨削低。对加工表面进行SEM观察显示,Al2O3陶瓷的去除方式仍属于脆性断裂,且以晶粒粉碎、穿晶断裂为主,但伴随沿晶断裂、弹性划擦、塑性流动等现象。MULT等对氮化硅和氧化铝陶瓷材料用辅助超声振动进行了缓进给磨削加工,对磨削力、加工表面形貌、砂轮径向磨损等加以分析,指出缓进给超声磨削大大地减小了磨削力,同时砂轮的磨损较小,工件的表面粗糙度降低。

在超声精密磨削加工方面,吴雁等采用在平行和垂直砂轮线速度方向上同时施加超声激励的二维超声振动磨削,对Al2O3/ZrO2(n)微-纳米复合陶瓷进行超声精密磨削加工,用原子力显微镜对磨削表面观察分析,超声振动磨削表面没有产生微观裂纹和断裂破碎,相比普通精密磨削加工,表面微观峰谷较均匀,磨削表面均匀一致性较优,陶瓷材料主要以塑性变形机理被去除。

值得提出的是,采用人工热电偶法对氧化锆陶瓷超声磨削加工和普通磨削加工弧区的温度进行了测量,首次用实验手段证实了超声加工较普通磨削加工能有效降低磨削温度,并且通过正交实验指出切深是影响磨削温度的重要因素。

4.旋转超声加工技术研究趋势

综观国内外旋转超声加工技术的研究现状,国外部分国家相继开发了性能优良的数控旋转超声加工机床,其应用也日趋工业化。但即使是市场化的性能优良的旋转超声加工机床,满额超声功率都在W以下,长时间工作下只推荐使用几十W甚至是十几W的超声功率。这相比大功率的非旋转超声加工机床来说,旋转超声加工机床超声功率有待于进一步的提升,研究重点集中在如何实现超声加工机床的高旋转和超声能量的有效传递与耦合。国内的旋转超声加工技术的发展较为缓慢,与先进国家相比存在较大的差距,特别是先进超声加工机床的研制十分落后,至今还找不到市场化的数控旋转超声加工机床。但关于超声加工机床中超声电源的智能化、频率跟踪功能的实现以及功率的自动调节等方面以及超声振动系统中大功率超声换能器、多频率工作点的换能器以及纵扭和纵弯等复合换能器等功能模块的研究取得了较大的发展。如何转化这些研究成果,推动旋转超声加工机床的研制,完善机床性能,仍需努力。

在旋转超声加工中,如何实现工具与超声振动系统之间的有效连接,平稳传递超声能量,也是伴随超声加工机床研究的热点问题。在工具的设计与制造方面,与传统超硬磨料工具在磨削和抛光加工中所引起的广泛注意相比,目前