【文章內(nèi)容簡介】 聲波橢圓振動切削的實際切削效果。 英國阿伯丁大學(xué)國王學(xué)院研究了超聲鉆削難加工材料時工藝參數(shù)對材料去除率的影響，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。 美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)對陶瓷材料微去除量 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)特性對材料去除機制進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊力會引起陶瓷材料結(jié)構(gòu)的變化 和晶粒的錯位，而高沖擊力會導(dǎo)致中心裂紋和凹痕。美國內(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理、過程動力學(xué)以及發(fā)展趨勢，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。 超聲波橢圓振動切削已受到國際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重視。美國、英國、德國和新加波等國的大學(xué)以及國內(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用化研究。但是。超聲波橢圓振動切削在理論和應(yīng)用方面還有許多工作要做。尤其是對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 。 超聲復(fù)合加工 襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）報告紙 7 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 將超聲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，實現(xiàn)了低耗高效的目標(biāo)。 法國的研究人員系統(tǒng)地研究了超聲振動對電火花加工 性能的影響。結(jié)果表明，超聲振動提高了加工速度。 粗加工提高 10％，精加工提高 400％，并使加工過程穩(wěn)定，特別是精加工時尤為突出，可使穩(wěn)定加工的面積增大。電極的超聲振動能改善加工過程的主要原因是： 1)電極表面的高頻振動加速了工作液的循環(huán)，使間 隙充分電離； 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。 以微機械為代表的微細(xì)制造是現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個重要組成部分，晶體硅、光學(xué)玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微機械中的廣泛應(yīng)用，使硬脆材料的高精度三維微細(xì)加工技術(shù)成為世界各國制造業(yè)的一個重要研究課題。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 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后加工間隙內(nèi)工作液中壓力波劇變的沖擊和擾動作用，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。 在微小三維型面的加工中，利用簡單形狀電極、基于分層制造原理的微細(xì)電火 花銑削技術(shù)正在受到重視，但該工藝加工效率偏低，同時由于其加工精度主要依賴于電極損耗的軸向補償，而電極損耗的軸向補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對活化極間狀態(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，人們開始探索對環(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) 是解決這個襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）報告紙 8 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 問題的關(guān)鍵。山東大學(xué)的研究人員將超聲振動引入氣中放電加工技術(shù)，并對工程陶瓷進(jìn)行了加工實驗研究，加工效率提高了近 3倍。但該工藝的加工機理有待于進(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)中將發(fā)揮越來越重要的作用。 研究的目的與意義 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工精度和降低加工力，并且笑效率也非常高。正因為超聲加工在這些方面的優(yōu)勢，使其在工程上的應(yīng)用非常廣泛。 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)中一個重要的研究課題 ,形成為聲學(xué)的一個新的分 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)第二類是超聲檢測與控制 技術(shù) 。超聲加工和處理技術(shù)是利用高強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 。 超聲檢測與控制技術(shù)是利用較弱的超聲波來進(jìn)行各種檢驗和 測量必要時一可進(jìn)自動控制技 術(shù) ,如超聲探測和超聲檢漏、超聲工業(yè)測量技術(shù)等。 在機械加工 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 ,甚至用一般機械方法不可能進(jìn)行加工的項 目 ,用超聲波也可完善的解決 。 例如它能切割最硬的 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 ,檢查機械零件內(nèi)部的裂縫拐痕跡 。因此 ,在機械加工中廣泛應(yīng)用超聲波 ,對于發(fā)展生產(chǎn)和提高生產(chǎn) 效率均具有十分重 要的意義。 本文主要對超聲波在超聲波精密研磨、深小孔加、銑削加工、探傷、研磨、這多個方面的應(yīng)用進(jìn)行一些初步的研究探索。 襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）報告紙 9 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第二章 超聲波精密研磨 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 。 在超精密 加工中 ， 超精密切削、超精密磨削的實現(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。由于其加工機理和環(huán)境因素， 要實現(xiàn)更高精度的加工十分困難。因此，超精密研磨是實現(xiàn)納米級、原子級加工的主要方法。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，并對其加工機理進(jìn)行了初步探討。 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 , 磨粒作滾動與滑動 , 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 。 圖 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。研磨加工的實質(zhì)是磨粒的微量切削、研磨表面微小起伏的塑性流動、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 。 在超聲振動研磨加工中，超聲振動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性，但是對微觀表面上 凸處沖擊到的機率應(yīng)該高于凹處，并且因為磨粒量大、粒小，對表面的加工是均勻且柔和的。研究表明，超聲振動研磨加工硬脆材料主要是依賴表面層微裂紋的擴展、生成，從而使材料脆裂、脫落，因此，襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）報告紙 10 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 對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。 基于機械作用的超精密研磨是靠微細(xì)磨粒的機械作用對被加工表面進(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 示。 圖 超聲振動工具頭的端面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)超聲振動工具以一定的頻率振動時，帶動微細(xì)磨料沖擊工件表面，從而對工件表面進(jìn)行研磨。當(dāng)工作臺作平面運動或曲面運動，即可對整個工件表面進(jìn)行加 工 . 超聲研磨時 ， 大量的磨料以與超聲振動相同的頻率、脈動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， 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 ，實現(xiàn)超精密加工 ,理想的狀況是獲得接近無損傷的表面。 超聲研磨脆性材料和塑性材料的機理是有所不同的， 脆性材料的加工主要是依賴于表面層微裂紋擴展、生成，而使材料脆裂、脫落。超聲研磨時，在大量磨粒脈沖式?jīng)_擊下，更有利于實現(xiàn)上述加工過程。磨粒的沖擊具有隨機性，但對微觀表面上凸起處沖擊到的機率應(yīng)高于凹下處，再因磨粒量大、粒 小，對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 從表面扯下來，其殘襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）報告紙 11 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 余應(yīng)力為拉應(yīng)力。超聲研磨時，磨粒對工件表面主要起搗實的作用，類似于輕微的表面強化加工。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，這對大多數(shù)零件的使用性能是有利的。 通常的超聲波加工，其機理是工具頭以一定的壓力作用于加工表面，當(dāng)工具頭作超聲振動時，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。 超聲波 研磨 的裝置 一般超聲研磨裝置如 : 圖 引入超聲波的機械復(fù)合研磨裝置 環(huán) 該裝置主要分為三大部分：研磨機系統(tǒng)、超聲振動系統(tǒng)和夾具及調(diào)節(jié)機構(gòu)，如圖。 該裝置的原理：連接器安裝在夾具上，一次裝夾 4～ 12 個，對稱安裝；換能器 6接收超聲電信號并轉(zhuǎn)換為機械波，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 11和 12 的驅(qū)動下能同時自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動的速度無級可調(diào)；研磨的壓力通過襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）報告紙