超聲加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
信息來源：fromsite 發(fā)布時間：2006-11-17 10:25:26 責(zé)任編輯：gaoyuan4332068 分享到： 
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超聲加工是利用超聲振動工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行振動加工，或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法。
幾十年來，超聲加工技術(shù)的發(fā)展迅速，在超聲振動系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究和應(yīng)用，尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的工藝問題，取得了良好的效果。 1 超聲振動系統(tǒng)的研究進展及其應(yīng)用 超聲振動系統(tǒng)由換能器、變幅桿和工具頭等部分組成，是超聲設(shè)備的核心部分。在傳統(tǒng)應(yīng)用中，超聲振動系統(tǒng)大都采用一維縱向振動方式，并按“全調(diào)諧”方式工作。但近年來，隨著超聲技術(shù)基礎(chǔ)研究的進展和在不同領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的特殊需要，對振動系統(tǒng)的工作方式和設(shè)計計算、振動方式及其應(yīng)用研究都取得了新的進展。 日本研究成功一種半波長彎曲振動系統(tǒng)，其切削刀具安裝在半波長換能振動系統(tǒng)細端，該振動系統(tǒng)換能器的壓電陶瓷片采用半圓形，上下各兩片，組成上下兩個半圓形壓電換能器(壓電振子)，其特點是小型化，結(jié)構(gòu)簡單，剛性增強。 日本還研制成一種新型“縱-彎”型振動系統(tǒng)，并已在手持式超聲復(fù)合振動研磨機上成功應(yīng)用。該系統(tǒng)壓電換能器也采用半圓形壓電陶瓷片產(chǎn)生“縱-彎”型復(fù)合振動。 日本金澤工業(yè)學(xué)院的研究人員研制了加工硬脆材料的超聲低頻振動組合鉆孔系統(tǒng)。將金剛石中心鉆的超聲振動與工件的低頻振動相結(jié)合，制造了一臺組合振動鉆孔設(shè)備，該設(shè)備能檢測鉆孔力的變化以及鉆孔精度和孔的表面質(zhì)量，并用該組合設(shè)備在不同的振動條件下進行了一系列實驗。實驗結(jié)果表明，將金剛石中心鉆的超聲振動與工件的低頻振動相結(jié)合是加工硬脆材料的一種有效方法。 東南大學(xué)研制了一種新型超聲振動切削系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用壓電換能器，由超聲波發(fā)生器、匹配電路、級聯(lián)壓電晶體、諧振刀桿、支承調(diào)節(jié)機構(gòu)及刀具等部分組成。當(dāng)發(fā)生器輸出超聲電壓時，它將使級聯(lián)晶體產(chǎn)生超聲機械伸縮，直接驅(qū)動諧振刀桿實現(xiàn)超聲振動。該裝置的特點是：能量傳遞環(huán)節(jié)少，能量泄漏減小，機電轉(zhuǎn)換效率高達90%左右，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積小，便于操作。 沈陽航空工業(yè)學(xué)院建立了鏜孔用超聲扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)，采用磁致伸縮換能器，將超聲波發(fā)生器在扭轉(zhuǎn)變幅桿的切向作縱向振動時在扭振變幅桿的小端就輸出沿圓周方向的扭轉(zhuǎn)振動，鏜刀與扭振變幅桿之間采用莫氏錐及螺紋連接，輸出功率小于500W，頻率為16～23 kH z，具有頻率自動跟蹤性能。 西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計了一種可在內(nèi)圓磨床上加工硬脆材料的超聲振動磨削裝置。該裝置由超聲振動系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、磨床連接系統(tǒng)和超聲波發(fā)生器等組成，其超聲換能器采用縱向復(fù)合式換能器結(jié)構(gòu)，冷卻循環(huán)系統(tǒng)中使用磨削液作為冷卻液；磨床連接系統(tǒng)由輔助支承、制動機構(gòu)和內(nèi)圓磨床連接桿等組成。該磨削裝置工具頭旋轉(zhuǎn)精度由內(nèi)圓磨床主軸精度保證，結(jié)構(gòu)比專用超聲波磨床的主軸系統(tǒng)要簡單得多，因此成本低廉，適合于在生產(chǎn)中應(yīng)用。
另一種超聲扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)已在“加工中心”用超聲扭轉(zhuǎn)振動裝置上應(yīng)用。主要用作電火花加工后的模具異形(如三角形、多邊形)孔和槽底部尖角研磨拋光，以及非導(dǎo)電材料異形孔加工。該振動系統(tǒng)的換能器是采用按圓周方向極化的8塊扇形壓電陶瓷片構(gòu)成，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動。 2 超聲加工技術(shù)應(yīng)用研究 2.1 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。一般來說，孔加工工具的長度總是大于孔的直徑，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。特別是對難加工材料的深孔鉆削來說，會出現(xiàn)很多問題。例如，切削液很難進入切削區(qū)，造成切削溫度高；刀刃磨損快，產(chǎn)生積屑瘤，使排屑困難，切削力增大等。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。采用超聲加工則可有效解決上述問題。 前蘇聯(lián)在20世紀(jì)60年代就生產(chǎn)出帶磨料的超聲波鉆孔機床。在美國，利用工具旋轉(zhuǎn)同時作軸向振動進行孔加工已取得了較好的效果。日本已經(jīng)制成新型UMT-7三坐標(biāo)數(shù)控超聲旋轉(zhuǎn)加工機，功率450 W，工作頻率20 kHz，可在玻璃上加工孔徑1.6 mm、深150 mm的深小孔，其圓度可達0.005 mm，圓柱度為0.02 mm。英國申請了電火花超聲復(fù)合穿孔的專利，該裝置主要用于加工在導(dǎo)電基上有非導(dǎo)電層的零件，如在金屬基上涂有壓電陶瓷層的零件。整個加工過程分兩個階段進行：首先用超聲振動將非導(dǎo)電層去除掉，當(dāng)傳感器感知金屬層出現(xiàn)時，即改用電加工或電火花與超聲復(fù)合的方法進行加工。該裝置有效地解決了具有導(dǎo)電層和非導(dǎo)電層零件孔的加工問題。 1996年，日本東京大學(xué)在超聲加工機床上，利用電火花線切割加工工藝在線加工出微細工具，并成功地利用超聲加工技術(shù)在石英玻璃上加工出直徑為φ15μm的微孔。1998年又成功地加工出直徑為φ5μm的微孔。 湘潭大學(xué)進行了內(nèi)圓表面的超聲光整強化研究。該方法是在鉆孔后對孔進行精加工處理，通過機械——超聲強化處理，在普通機床上達到精鉸、研磨的精度，可實現(xiàn)機械化。初步實驗結(jié)果表明，該方法加工效果顯著，表面粗糙度值可大大降低，內(nèi)圓表面形成有益的殘余壓應(yīng)力，有較高的顯微硬度，提高了工件的耐用度，同時內(nèi)圓表面呈網(wǎng)狀紋絡(luò)，特別適合像軸瓦等表面貯油工件的精加工，并可大大降低生產(chǎn)成本。 (源自：) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了Ti合金深小孔的超聲電火花復(fù)合加工。該工藝將超聲振動引入到精密電火花加工中，通過研究超聲振動對電火花精加工過程的影響，開發(fā)出了一種將超聲和電火花結(jié)合在一起的新型4軸電火花加工裝置。實驗研究表明，應(yīng)用該裝置可以在Ti合金上加工出φ<0.2 mm、且深徑比>15的深小孔。
兵器工業(yè)五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效加工的新方法——超聲振動磨削，進行了超聲振動磨削和普通磨削陶瓷深孔的對比實驗。結(jié)果表明，超聲振動磨削可明顯提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削產(chǎn)生的表面裂紋和凹坑，是陶瓷深孔精密高效加工的新方法。 2.2 拉絲模及型腔模具研磨拋光 聚晶金剛石拉絲模超聲研磨拋光技術(shù)在國內(nèi)外已獲得廣泛應(yīng)用，新的超聲研磨拋光方法和設(shè)備已出現(xiàn)。北京市電加工研究所提出的“超硬工具材料電火花超聲波復(fù)合拋光方法”，其特點是：采用超聲頻信號調(diào)制高頻電火花脈沖電源與超聲加工復(fù)合進行聚晶金剛石拉絲模研磨拋光。該技術(shù)已獲得國家專利，并在生產(chǎn)中獲得應(yīng)用。 臺灣的H.Hocheng等人對模具鋼的超聲拋光進行了基礎(chǔ)性研究，研制了一套高效的超聲拋光系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)對模具鋼進行了拋光試驗，研究結(jié)果表明此系統(tǒng)大大提高了模具鋼的拋光質(zhì)量。 日本研制的UMA-1型數(shù)控超聲研磨機，其研磨時間在1～999 s范圍內(nèi)可任意設(shè)定；頻率自動跟蹤；研磨鋼針夾持可靠，發(fā)熱少，鋼針磨耗能自動修整；鋼針以固定速度進給，具有研磨時間短、精度高的優(yōu)點。 浙江大學(xué)進行了超聲波-電化學(xué)復(fù)合研磨硬質(zhì)合金拉絲模的實驗研究。 吉林大學(xué)對機器人超聲-電火花復(fù)合加工模具曲面進行了研究，結(jié)果證明該方法可改善加工質(zhì)量，模具曲面精加工效率提高4倍以上。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對目前模具光整加工難以實現(xiàn)高精度、高效率加工的實際問題，將電解加工、機械研磨及超聲加工相復(fù)合，提出了一種新型的光整加工方法——電化學(xué)超精密研磨技術(shù)，開發(fā)研制了一種數(shù)控展成超精密光整加工的新工藝及設(shè)備。通過對模具型腔高效鏡面加工的實驗，表明選配適當(dāng)工藝參數(shù)進行光整加工，可以獲得表面粗糙度Ra0.025μm的鏡面，效率較普通研磨提高10倍以上，較電解研磨提高1倍以上。 2.3 難加工材料的超聲加工 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。然而，由于工程陶瓷等難加工材料具有極高的硬度和脆性，其成形加工十分困難，特別是成形孔的加工尤為困難，嚴重阻礙了應(yīng)用推廣。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。 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，建立了間斷性沖擊過程的非線性模型，對沖擊力的特性進行了研究，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)華達大學(xué)對Al2O3陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術(shù)進行了研究。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Al2O3陶瓷精密超聲加工的機理、過程動力學(xué)以及發(fā)展趨勢，并詳細討論了超聲技術(shù)在陶瓷加工方面的應(yīng)用情況。 巴西的研究人員對石英晶體的超聲研磨技術(shù)進行了研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體的材料去除率取決于晶體的晶向，研磨晶粒的尺寸影響材料去除率和表面粗糙度。研究指出，加工過程中材料產(chǎn)生微裂紋是材料去除的主要原因。 美國堪薩斯州立大學(xué)提出了一種超聲旋轉(zhuǎn)加工陶瓷材料去除率模型的計算方法，并將其應(yīng)用到氧化鋯陶瓷的加工中，確定了材料去除率和加工參數(shù)之間的關(guān)系，該研究大大推動了陶瓷材料旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)的發(fā)展。 山東大學(xué)研究開發(fā)了工程陶瓷小孔的超聲振動脈沖放電加工技術(shù)，工具電極的超聲振動引起脈沖放電，從而代替了傳統(tǒng)電火花加工的專用脈沖發(fā)生器。另外，工具電極的超聲振動還可以起到清洗縫隙的作用，并采用該技術(shù)對Al2O3/(W，Ti)C、Al 2O3/Ti B2、Al2O3/TiB2/SiCw3種Al2O3基陶瓷刀具材料表面定位方孔進行加工，研究了其加工機理和加工參數(shù)對不同陶瓷材料加工效率、加工表面粗糙度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，該復(fù)合加工技術(shù)有效地結(jié)合了超聲加工和放電加工的特點，能高效、高質(zhì)量地加工陶瓷材料。 山東大學(xué)還利用超聲加工技術(shù)對大理石的孔加工進行了研究，并與陶瓷材料進行了對比研究。結(jié)果表明，材料去除率與大理石的力學(xué)性能有關(guān)，在同樣的加工條件下，材料的強度和斷裂韌性越高，其去除率越低，加工精度越高。 天津理工學(xué)院對大理石超聲精密雕刻技術(shù)進行了研究，開發(fā)了大理石超聲精雕系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了大理石雕刻中微小異形表面高效精加工的難題，使大理石精雕質(zhì)量和水平跨上了新臺階。 同濟大學(xué)對超聲加工建筑玻璃小孔的實驗進行了研究，探討了工具振動的振幅、頻率、工件材料、進給壓力、工作介質(zhì)等主要加工參數(shù)對材料去除率的影響規(guī)律。結(jié)果表明，超聲加工建筑玻璃小孔的精度、表面質(zhì)量均可滿足建筑安裝、裝潢的要求。該研究對其他玻璃材料的加工具有一定參考價值。 (源自：) 北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)將超聲振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)和去除機理的基礎(chǔ)上，對PCD超聲振動研磨機理進行了深入研究。研究指出，研磨軌跡的增長和超聲振動脈沖力的作用是提高研磨效率的根本原因。
淮海工學(xué)院對燒結(jié)永磁體材料超聲振動加工過程中的材料去除機理進行了理論研究。該研究指出，磨料顆粒的尺寸與加工效率有密切的關(guān)系，對實際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。 沈陽工業(yè)學(xué)院研究了采用電鍍金剛石工具頭對瑪瑙進行鉆孔的可行性以及加工參數(shù)與材料去除率的關(guān)系。研究表明，該方法不僅大大提高了材料的去除率，而且加工成本也有所降低。同時，借助于SEM分析了該方法加工瑪瑙的材料去除機理。 2.4 超聲振動切削 超聲振動切削作為新興的特種加工技術(shù)，引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛興趣和極大關(guān)注。最早對振動切削進行比較系統(tǒng)的研究、可以稱為振動切削理論與應(yīng)用技術(shù)奠基人的是日本學(xué)者隈部淳一郎。他在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，并成功地實現(xiàn)了振動車削、振動銑削、振動鏜削、振動刨削、振動磨削等。隨后美國也對振動切削進行研究，到20世紀(jì)70年代中葉，振動車削、振動鉆孔、振動磨削、光整加工等均已達到實用階段，超聲加工在難加工材料和高精度零件的加工方面顯示了很大的優(yōu)越性，取得了一系列研究成果，并在生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用。 俄羅斯科學(xué)院和英國拉伯運大學(xué)對超聲振動切削的非線性過程進行了深入研究，利用流變模型對超聲振動切削實驗結(jié)果進行了理論解釋。通過對超聲切削的動力學(xué)研究，得到了振動工具的非線性振幅特性曲線，并討論了超聲振動切削的優(yōu)越性及其應(yīng)用領(lǐng)域。 日本工業(yè)大學(xué)提出了采用稍低頻率(3 000～5 000 Hz)的振動切削方法，并用于切削纖維型材料(如金屬短纖維)。另外，美國、英國、德國和新加坡等國的大學(xué)以及日本企業(yè)界如日立、多賀和Towa公司等還進行了超聲橢圓振動切削的研究。 我國對振動切削的研究起步稍晚。自廣西大學(xué)、南京電影機械廠和南京刃具廠聯(lián)合開發(fā)了我國第一臺“CZQ—250A型超聲波振動切削系統(tǒng)”之后，許多大專院校、科研院所和工廠都開展了對振動切削的研究，取得了很多重要成果。研究內(nèi)容從振動切削實驗到實際工藝應(yīng)用，從振動切削實驗系統(tǒng)設(shè)計到對振動切削機理，范圍較廣泛，內(nèi)容較深入。 山東大學(xué)對工程陶瓷的超聲振動鉆削加工進行了深入的研究，探討了超聲振動鉆削中各項工藝參數(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理。
東南大學(xué)在研究超聲振動切削的刀具振動規(guī)律時得出：刀具與切削的分離作用是振動切削最根本的特點，正是這一特點才使得刀尖每次能以極大的加速度沖擊工件進行切割。 上海交通大學(xué)對超聲橢圓振動切削技術(shù)進行了研究，闡述了超聲波橢圓振動切削原理和刀具橢圓振動系統(tǒng)，分析了超聲波橢圓振動切削運動特性，介紹了超聲波橢圓振動切削的實際切削效果。 兵器工業(yè)五二研究所進行了超聲振動車削與普通車削、磨削加工陶瓷材料的對比試驗研究。研究結(jié)果表明，振動車削可明顯地提高陶瓷加工表面的質(zhì)量，有效地消除普通車削、磨削中形成的表面微裂紋，因此是陶瓷精密加工的一種新方法。 長春汽車工業(yè)高等�？茖W(xué)校采用超聲振動切削方法對一汽變速箱廠生產(chǎn)的一直齒齒輪的滾齒加工進行了工藝實驗，通過生產(chǎn)現(xiàn)場各種工藝參數(shù)實驗及小批量試生產(chǎn)，收到了令人滿意的效果，具有較好的發(fā)展前景。 北京裝甲兵技術(shù)學(xué)院提出了一種超聲微振車削的新工藝。其特點是功率小(50 W)、振幅小(2～5μm)，同樣可獲得一般振動車削的效果。 2.5 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)。 羅馬尼亞的學(xué)者對工具電極在振動力作用下的電火花加工進行了研究，建立了電極在外力振動情形下的數(shù)學(xué)模型，該外力來源于放電區(qū)的氣化和空化作用所形成的放電間隙中壓力波的變動，通過這種振動提高了材料的去除率及加工過程的穩(wěn)定性。該研究直接預(yù)示超聲-電火花復(fù)合加工必將改善EDM的加工性能。 日本的研究人員研究了壓電高頻響應(yīng)驅(qū)動器對電火花加工速度的影響，指出高頻振動對240μm微孔的加工可提高速度1.5～2.5倍。 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)，使間隙充分消電離；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。 (源自：) 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、拋光進行研究。于1987年研究成功了超硬材料超聲電火花復(fù)合拋光技術(shù)。這項發(fā)明技術(shù)是世界上首次提出并實現(xiàn)采用超聲頻調(diào)制電火花與超聲波復(fù)合的研磨、拋光加工技術(shù)。與純超聲波研磨、拋光相比，效率提高5倍以上，并節(jié)約了大量的金剛石磨料。
山東大學(xué)機械工程學(xué)院對超聲頻間隙脈沖放電技術(shù)進行了研究，并對工程陶瓷進行了加工實驗，分析了該技術(shù)放電特性和加工特性。結(jié)果表明，超聲頻間隙脈沖放電加工的加工效率高于普通電火花加工的效率，而其加工表面粗糙度和加工形狀精度接近于普通電火花加工。 南京航空航天大學(xué)進行了工件激振式超聲復(fù)合電火花微細孔加工的研究，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電火花加工工作液的循環(huán)，進而提高微細電火花加工的脈沖利用率和微細孔加工的深徑比。研究結(jié)果表明，工件越薄，排屑越有利，加工速度提高的越快。研究者認為，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，使加工速度及微細孔電火花加工的深徑比得到提高。 南京航空航天大學(xué)對硬脆金屬材料的超聲電解復(fù)合加工工藝進行了實驗研究。結(jié)果表明，該復(fù)合加工方法使加工速度、精度及表面質(zhì)量較單一加工工藝有顯著改善。 3 超聲加工技術(shù)的發(fā)展趨勢和未來展望 3.1 超聲振動切削技術(shù) 隨著傳統(tǒng)加工技術(shù)和高新技術(shù)的發(fā)展，超聲振動切削技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，振動切削研究日趨深入，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。 (1) 研制和采用新的刀具材料 在現(xiàn)代制造業(yè)中，鈦合金、純鎢、鎳基高溫合金等難加工材料所使用的范圍越來越大，對機械零件加工質(zhì)量的要求越來越高。為了更好地發(fā)揮刀具的效能，除了選用合適的刀具幾何參數(shù)外，在振動切削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)為對刀具材料的開發(fā)與研究上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應(yīng)用為主要方向。 (2) 研制和采用高效的振動切削系統(tǒng) 現(xiàn)有的實驗及實用振動切削加工系統(tǒng)輸出功率尚小、能耗高，因此，期待實用的大功率振動切削系統(tǒng)早日問世。到目前為止，輸出能量為4 kW的振動切削系統(tǒng)已研制出來并投產(chǎn)使用。在日本，超聲振動切削裝置通�？奢敵龉β�1 kW，切削深度為0.01～0.06 mm。 (3) 對振動切削機理深入研究
當(dāng)前和今后一個時期對振動切削機理的研究將主要集中以下幾個方面：① 在振動切削狀態(tài)下工件材料是如何與工件分離并形成屑的。 ② 振動切削中刀具與工件相互作用的力學(xué)分析。 ③ 振動切削機理的微觀研究及數(shù)學(xué)描述。 (4) 超聲橢圓振動切削的研究與推廣 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、微細部位和微細模具的超精密切削加工等方面還需要進一步研究。 (5) 超聲銑削加工技術(shù) 工程陶瓷的應(yīng)用日益廣泛，但其成形加工十分困難。尤其是具有三維復(fù)雜型面的工程陶瓷零件至今尚無有效的加工手段，嚴重影響了工程陶瓷材料的推廣應(yīng)用。大連理工大學(xué)提出了基于分層去除技術(shù)的超聲銑削加工方法，研制了超聲數(shù)控銑削機床，開辟了利用超聲加工技術(shù)數(shù)控加工工程陶瓷零件的途徑�；诜謱尤コ枷氲某曘娤骷庸ぜ夹g(shù)，解決了傳統(tǒng)超聲加工中工具損耗嚴重且不能在線補償?shù)碾y題，使加工帶有尖角和銳邊的三維復(fù)雜型面工程陶瓷零件成為可能，為工程陶瓷的廣泛應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。 3.2 超聲復(fù)合加工技術(shù) 目前，超聲波、電火花、機械三元復(fù)合加工技術(shù)的研究較快的發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用超聲波、電火花、磨料復(fù)合加工技術(shù)對不銹鋼進行加工，解決了電火花小孔加工中生產(chǎn)率和表面質(zhì)量不能兼顧的矛盾，具有較好的應(yīng)用前景。 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，模具的應(yīng)用越來越廣泛，對模具精度和表面質(zhì)量的要求也越來越高。在模具制造過程中，光整加工工序?qū)δ＞哔|(zhì)量影響很大，但目前該工序在很大程度上仍依賴手工完成，嚴重制約了模具加工技術(shù)的發(fā)展，是一個亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。華南理工大學(xué)采用超聲電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)對形狀復(fù)雜的模具型腔光整加工進行了研究，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對加工表面粗糙度進行預(yù)測，取得了良好的效果。超聲電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)是一項新的復(fù)合加工技術(shù)，能較好地適用于形狀復(fù)雜的模具型腔光整加工。但尚有許多方面的內(nèi)容有待進一步研究，特別是各主要加工因素對加工表面粗糙度的影響以及表面金屬的去除機理等。 (源自：) 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)是解決這個問題的關(guān)鍵。近年來，日本東京農(nóng)工大學(xué)對氣體介質(zhì)中的電火花脈沖放電加工技術(shù)進行了開創(chuàng)性的研究，為電火花脈沖放電加工技術(shù)開辟了一條嶄新的途徑，但該技術(shù)在加工過程中短路頻繁。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一步研究。
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)能改善微細電火花銑削時的放電狀態(tài)，提高加工效率。 3.3 微細超聲加工技術(shù) 以微機械為代表的微細制造是現(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)電性又沒有熱物理作用，與光刻加工相比又可加工高深寬比三維形狀，這決定了超聲加工技術(shù)在陶瓷、半導(dǎo)體硅等非金屬硬脆材料加工方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。隨著東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所增澤研究室對微細工具的成功制作及微細工具裝夾、工具回轉(zhuǎn)精度等問題的合理解決，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直徑最小為5μm的微孔，從而使超聲加工作為微細加工技術(shù)成為可能。 在第八屆中國國際機床展覽會(CIMT2003)上，德國DMG公司展出了其新產(chǎn)品DMS35Ultrasonic超聲振動加工機床，該機床主軸轉(zhuǎn)速3 000～4 0000 r/min，特別適合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。與傳統(tǒng)加工方式相比，生產(chǎn)效率提高5倍，加工表面粗糙度Ra＜0.2μm，可加工0.3 mm精密小孔，堪稱硬脆材料加工設(shè)備性能的新飛躍。 超聲加工技術(shù)在不斷完善之中，正向著高精度、微細化發(fā)展，微細超聲加工技術(shù)有望成為微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的有力補充。 此外，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。可以推斷，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。
超聲加工技術(shù)的發(fā)展及其取得的應(yīng)用成果是可喜的。一方面，材料加工的客觀需要推動和促進了超聲加工技術(shù)的發(fā)展；另一方面，超聲加工技術(shù)提供的強有力加工手段，又促進了新材料的發(fā)展。材料加工中的許多課題需要我們共同去探討。展望未來，超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景是美好的。 |