超聲加工及振動切削

1、3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 超聲加工（USM）又稱為超聲波加工。超聲波是指頻率超過人耳頻率上限的一種振動波，通常頻率在16kHz以上的振動聲波就屬于超聲波。其特點是頻率高、波長短、能量大，傳播過程中有顯著的反射、折射、共振、損耗等現(xiàn)象。超聲加工不僅能加工硬質合金、淬火鋼等脆硬金屬材料，而且更適合于加工玻璃、陶瓷、半導體鍺和硅片等不導電的非金屬脆硬材料，同時還可以用于清洗、焊接和探傷,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 3.3.1.1 超聲加工的基本原理和加工裝置 （1）超聲加工的基本原理 超聲加工是利用超聲波作為動力，帶動工具作超聲振動，通過工具與工件之間加

2、入的磨料懸浮液（工作液與磨料的混合液）沖擊工件表面而進行加工的一種成形方法,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 3.3.1.1 超聲加工的基本原理和加工裝置 （1）超聲加工的基本原理 超聲加工的原理如圖3-17所示,1、15-工件 2、13-工具頭 3-冷卻水人口 4-換能器 5-勵磁線圈 6-銀釬料接縫 7-諧振支座 8-冷卻水出口 9、12-變幅桿 10-磨料射流 11-磨料懸浮液14-磨料粒子 16-工件材料碎粒,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 3.3.1.1 超聲加工的基本原理和加工裝置 （2）超聲加工裝置 一般超聲加工裝置的基本組成都包括超聲發(fā)生器、超

3、聲振動系統(tǒng)、機床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)等。除了有能將工頻交流電轉變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l振蕩、為加工提供能量的超聲發(fā)生器以外，超聲振動系統(tǒng)也是加工裝置的關鍵部件。 超聲振動系統(tǒng)一般由換能器、變幅桿及工具組成（如圖3-17所示,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 3.3.1.2 超聲加工的特點和應用 （1）超聲加工的主要特點 1）適應范圍廣。超聲加工不僅能加工硬質合金、淬火鋼等脆硬材料，而且更適合于加工玻璃、陶瓷、半導體鍺和硅片等不導電的非金屬脆硬材料。 2）因脆性和硬度不大的材料對超聲振動有緩沖作用，因此工具可用較軟的材料做成較復雜的形狀，使機床運動簡化，機床結構,3.3 超

4、聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 3.3.1.2 超聲加工的特點和應用 簡單，操作維修方便。 3）超聲加工時，工件表面宏觀切削力較小，使得切削應力、切削熱較小，不會引起變形和表面燒傷等質量問題，因此其加工精度和表面質量較高，如超聲加工孔的尺寸精度可達 0.010.02mm，甚至更高，表面粗糙度值一般可達Ra1.60.1m。 4）超聲加工生產效率一般較低,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 3.3.1.2 超聲加工的特點和應用 （2）超聲加工的應用 超聲加工雖然生產率比電火花和電解加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比它們好，而且材料的加工范圍廣，因此應用也比較廣泛，常常作為

5、電火花等加工后的拋光和光整加工。圖3-18為超聲加工的幾種應用。圖3-19為一種電解加工與超聲磨削相結合的復合加工方法示意圖 ，其加工速率比單獨用超聲加工快8倍之多。近年來，超聲加工與其他加工方法相結合而進行的復合加工方法發(fā)展迅速，除超聲電解加工外，還有超聲電火花加工、超聲調制激光打孔、超聲振動切削加工（如圖3-20所示）等，它們使加工精度、表面質量和生產率得到了綜合提高,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 3.3.1.2 超聲加工的特點和應用 （2）超聲加工的應用 圖3-18 超聲加工的應用,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 3.3.1.2 超聲加工的特點和應用

6、 （2）超聲加工的應用 圖3-19 超聲電解復合加工,1-電解液槽 2-振動頭,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 3.3.1.2 超聲加工的特點和應用 （2）超聲加工的應用 圖3-20 超聲振動切削,1-車刀 2-換能器 3-變幅桿 4-工件,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 3.3.1.2 超聲加工的特點和應用 （2）超聲加工的應用 1）采用刀具的超聲振動孔加工 該加工方法的超聲波振動方向有兩種，即與進給方向一致的超聲縱振（圖a）和與切削方向一致的扭振（圖b）。超聲縱振孔加工又可分為刀具振動和工件振動兩類。雖然振動體不同，但它們刀具與工件的相對振動都是軸向的，

7、因此加工效果基本一致。超聲縱振孔加工的主要特點有： 生產率高，特別對于難加工材料， 生產率比普通鉆削高23倍； 不需退刀排屑，易實現(xiàn)機械化； 加工精度和表面質量的很大提高， 表面粗糙度值可達Ra0.8m，而且不 出現(xiàn)毛刺； 可降低切削溫度,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 3.3.1.2 超聲加工的特點和應用 （2）超聲加工的應用 超聲扭振孔加工一般是將超聲振動于刀具上，振動方向與切削方向一致。這種孔加工機構復雜，制造困難，但效果較好。超聲扭振孔加工的主要特點是： 易實現(xiàn)機械化，不需退刀排屑，適應于加工細長深孔； 切削力小； 表面質量高,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1

8、超聲加工 3.3.1.2 超聲加工的特點和應用 （2）超聲加工的應用 2）孔的超聲光整強化 這是一種新型的孔加工方法，主要是對孔進行精加工，目前正處于研究之中,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 3.3.1.2 超聲加工的特點和應用 （2）超聲加工的應用 超聲孔加工技術是一種先進的孔加工技術，但由于影響因素很多，在許多方面仍不完善，其應用受到限制。要全面推廣超聲孔加工技術，應注意下述問題： 完善帶磨料孔加工設備，擴大其應用范圍，并使其系列化、標準化,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.1 超聲加工 3.3.1.2 超聲加工的特點和應用 （2）超聲加工的應用 努力解決用刀具超聲振動

9、孔加工時出現(xiàn)的崩刃及斷刀問題，尋求合適的刀具材料、振動頻率、振幅、進給量等工藝參數(shù)間的關系； 進一步探索超聲一機械光整強化工藝參數(shù)，提高現(xiàn)場加工的穩(wěn)定性； 深入研究超聲一機械光整強化孔加工機理,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.2 振動切削,振動切削是在普通切削加工的基礎上，人為地給刀具或工件施加一個有規(guī)律的振動，改變了刀具和工件之間的瞬時運動關系，使切削過程在動態(tài)下進行的一種復合加工方法。從頻率方面把振動切削分為高頻振動切削（超聲波振動）和低頻振動切削兩種,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.2 振動切削 （1）振動切削原理 振動切削加工是在刀具或工件上附加一定可控的振動，使加工過程變?yōu)殚g

10、斷、瞬間、往復的微觀斷續(xù)切削過程。振動切削方法首先由日本宇都宮大學的隈部淳一郎教授于60年代提出的。目前，在日本、中國、俄羅斯、德國、韓國、印度、美國、奧地利、英國等開展了廣泛的研究與生產應用,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.2 振動切削 （1）振動切削原理 振動切削理論是在切削過程中加入了超聲振動。由工業(yè)金剛石顆粒制成的銑刀、鉆頭或砂輪，在加工過程中對零件表面進行20000次/秒的連續(xù)敲擊，即使是高硬材料，在如此高頻的振動敲擊下，一個很小的切削力也可將其瓦解，如圖3-22所示。當然，振動切削機床 的進給力還是很大的，因 此在振幅的最高點，附在 刀具上的金剛石顆粒以撞 擊方式將零件表面材料

11、以 微小顆粒形式分離出來,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.2 振動切削 （1）振動切削原理 這種加工方式的效率要比傳統(tǒng)方式提高5倍，零件表面光潔度Ra0.2m，可加工0.3mm的精密小孔，切削溫升低。故可保護刀具及延長壽命。 振動切削的應用解決了我國飛機起落架、渦輪盤、薄壁件等國防關鍵制造難題，降低廢品率帶來上千萬元的經濟效益,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.2 振動切削 （2）振動切削現(xiàn)象及效果 因振動切削機理與普通切削不同，使其具有如下現(xiàn)象及效果。 1）切削抗力顯著降低。 2）加工精度明顯提高。 3）切削溫度顯著降低。 4）切削過程比較順利。 5）加工表面質量可以得到改善,3.3 超聲加工及振動切削,3.3.