【正文】 動的綜合作用下，不斷地錘擊、沖擊、拋磨和刮擦硬脆材料的工件表面。第四章 超聲波銑削加工超聲波銑削是一種新興的超聲波加工工藝，它利用簡單形狀工具，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)雜三維輪廓的加工等特點(diǎn)，是具有開發(fā)前景的超聲波加工技術(shù)。為避免出現(xiàn)嚴(yán)重邊崩的現(xiàn)象發(fā)生。 加工效果圖這是由于在超聲振動作用下，工具頭的內(nèi)空有一股很大的氣流往下流動，能加強(qiáng)力aT時工具頭與工件間隙的磨料流動。在加工中，：1，％。但濃度太高時，磨料在加工區(qū)域的循環(huán)運(yùn)動和對工件的撞擊運(yùn)動受到影響，又會導(dǎo)致加工速度的降低。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。 mm178。以上時，～。例如采用圓形實(shí)心工具在玻璃上加工小孔時，加工面積在513mm178。加工時工具對工件應(yīng)有一個合適的進(jìn)給壓力，壓力過小，則工具末端與工件加工表面間的間隙增大，從而減弱了磨料對工件的撞擊力和打擊深度；壓力過大，會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，都會降低生產(chǎn)率。 過大的振幅和過高的頻率會使工具和變幅桿承受很大的內(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，～ mm，頻率為16～25kHz。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。磨料硬度越高，加工速度越快，但要考慮成本。 超聲波加工深小孔的實(shí)際應(yīng)用—對玻璃小孔的鉆削加工.超聲波振動加工技術(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，帶動工作液中的磨料振動，在玻璃上產(chǎn)生空化、拋磨等作用，而實(shí)現(xiàn)對玻璃進(jìn)行加工。這樣，不僅直接影響加工速度和加工精度，而且會破壞振動系統(tǒng)的共振條件，降低加工效率。整個振動系統(tǒng)應(yīng)選擇波節(jié)點(diǎn)支承固緊在機(jī)床上。例如換能器長度1/2處的中間截面上的任何點(diǎn)，即為靜止不動的波節(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幅為最大，稱波腹點(diǎn)。換能器、變幅桿或整個振動系統(tǒng)應(yīng)選擇在振幅為零的駐波節(jié)點(diǎn)。整個振動系統(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。當(dāng)工件表面積較小或批量較少時，使工具和變幅桿成為一個整體，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。超聲波的機(jī)械振動經(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。則：λ／2=125 mm。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。沿直徑方向方向的壓縮性能(抗張強(qiáng)度)可由下式?jīng)Q定：式中—最大張應(yīng)力/MPa；—開列時的載荷/MN；D—試樣直徑/mm；t—試樣厚度/mm?？箯潖?qiáng)度通常是通過三點(diǎn)彎曲試樣的TRS值(邊際替代率)來評估的。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。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；②具有特別高的強(qiáng)度，較高的抗沖強(qiáng)度，在沖擊較大的時候只會產(chǎn)生小晶粒破碎，而不會像單金剛石那樣大塊崩缺；③可制取大塊PCD刀具坯料，滿足大型加工刀具的需要。根據(jù)加工材料光學(xué)玻璃硬度強(qiáng)，脆性較大的特性，本研究選擇聚晶金剛石(PCD)作為加工刀具的材料。當(dāng)加工很深的小孔時，鉆頭長度遠(yuǎn)大于要求的孔深，因此會給鉆頭的制作增加困難。這時，鉆頭的長度應(yīng)滿足指定的要求，不能變化太大，否則會導(dǎo)致鉆頭端部振幅明顯減弱。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)流動的不均勻有很大關(guān)系。工具縱向磨損大小，主要決定于工具和工件材料的性質(zhì)。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)動從而達(dá)到在加工過程中實(shí)現(xiàn)恒定進(jìn)給力。然后有變幅桿帶動用螺紋連接在它上面的研磨刀具一起振動。主軸箱中的刀具運(yùn)動是由兩部分的運(yùn)動合成的：1. 主軸傳過來的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；2. 聲加工系統(tǒng)產(chǎn)生的垂直方向的振動。預(yù)緊后剛度好，定位精度高（重復(fù)定位精度高）。超聲波加工機(jī)主要運(yùn)動是主軸箱的Z 軸運(yùn)動和工作臺的X、Y 運(yùn)動。且表面無殘余應(yīng)力、燒傷等不良現(xiàn)象。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。超聲波加工是利用超聲頻振動的工具端面，通過磨料懸浮液去加工材料的一種工藝方法。幾十年來, 國內(nèi)外專家學(xué)者對超聲振動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)果都表明, 振動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, 延長鉆頭壽命。振動鉆削過程中，并不是利用整個周期，而是在極短的時間內(nèi)進(jìn)行切削，刀具在很小的位移上產(chǎn)生很大瞬時速度和加速度，在局部產(chǎn)生很高的能量，對工件作沖擊作用。振動方式主要有3種： ①縱向振動； ②扭轉(zhuǎn)振動；③縱扭復(fù)合。同時工作液受工具端面的超聲振動作用而產(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。加工時，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。因此，國內(nèi)外許多學(xué)者展開了對難加工材料加工方法的研究，其中以超聲加工較多。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)。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了超聲加工技術(shù)的發(fā)展。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。其結(jié)果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具壽命短。特別是對難加工材料的深孔鉆削來說，會出現(xiàn)很多問題。（） 交錯耕犁及空化效應(yīng)示意圖第三章 超聲波深小孔加工眾所周知，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。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，在疏松相時液體內(nèi)壓急劇降低，產(chǎn)生大量蒸汽氣泡。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(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)；研磨的壓力通過加載裝置16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)整時另有一個專用的對刀塊。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。因而它不適宜加工塑性材料。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。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，其殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力。磨粒的沖擊具有隨機(jī)性，但對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、粒小，對表面的加工是均勻而柔和的。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。當(dāng)工作臺作平面運(yùn)動或曲面運(yùn)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。 。主要有彈性發(fā)射加工（EEM）、浮動研磨、磁力研磨等。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(kuò)展、生成，從而使材料脆裂、脫落，因此，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。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。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、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。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,。因此，超精密研磨是實(shí)現(xiàn)納米級、原子級加工的主要方法。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。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。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。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。超聲加工和處理技術(shù)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。正因?yàn)槌暭庸ぴ谶@些方面的優(yōu)勢，使其在工程上的應(yīng)用非常廣泛。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?？梢酝茢?，超聲加工技術(shù)在世界汽車工業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。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(shí)驗(yàn)研究，加工效率提高了近3倍。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。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。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。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，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)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。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。 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。 超聲復(fù)合加工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。超聲波橢圓振動切削在理論和應(yīng)用方面還有許多工作要做。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。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。通過模擬陶瓷材料超聲加工的力學(xué)特性對材料去除機(jī)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。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。山東大學(xué)對工程陶瓷的超聲振動鉆削加工曾進(jìn)行過深入探索，探討了超聲振動鉆削中各項(xiàng)工藝參數(shù)對加工效果的影響，并從理論上分析了超聲振動鉆削時的材料去除機(jī)理。北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)將超聲震動引入普通聚晶金剛石(PCD)的研磨加工，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PCD超聲振動研磨機(jī)理進(jìn)行了深入研究。俄羅斯學(xué)院和英國拉伯運(yùn)大學(xué)對車削振動加工的非線形過程進(jìn)行了深入地研究,利用流變模型對超聲震動切削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了理論解釋。他再20世紀(jì)50～60年代發(fā)表了許多振動切削方面的論文，系統(tǒng)地提出了振動切削理論，并成功地實(shí)現(xiàn)了振動切削加工等。 超聲振動加工超聲振動加工作為新型的特種加工技術(shù)，引起國內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注。其振動系統(tǒng)安裝在一根能上下移動的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌由上下兩組滾動導(dǎo)輪定位，使導(dǎo)軌能靈活可靠地上下移動。1． 支架，2平衡重錘，5．變幅桿，8標(biāo)尺超聲波加工時，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)動及調(diào)整工具與工件間相對位置的運(yùn)動，因此機(jī)床構(gòu)造較簡單，一般包括支撐振動系統(tǒng)的機(jī)架、工作臺面、進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及床身等部分。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。工具的磨損會使