1、 3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工 超声加工（USM）又称为超声波加工。超声波是指频率超过人耳频率上限的一种振动波，通常频率在16kHz以上的振动声波就属于超声波。其特点是频率高、波长短、能量大，传播过程中有显著的反射、折射、共振、损耗等现象。超声加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.1 超声加工的基本原理和加工装置 （1）超声加工的基本原理 超声加工是利用超声波作为动力，带动工具
2、作超声振动，通过工具与工件之间加入的磨料悬浮液（工作液与磨料的混合液）冲击工件表面而进行加工的一种成形方法。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.1 超声加工的基本原理和加工装置 （1）超声加工的基本原理 超声加工的原理如图3-17所示。1、15-工件 2、13-工具头3-冷却水人口 4-换能器5-励磁线圈 6-银钎料接缝7-谐振支座 8-冷却水出口 9、12-变幅杆 10-磨料射流11-磨料悬浮液14-磨料粒子16-工件材料碎粒 3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.1 超声加工的基本原理和加工装置 （2）超声加工装
3、置 一般超声加工装置的基本组成都包括超声发生器、超声振动系统、机床本体和磨料工作液循环系统等。除了有能将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频振荡、为加工提供能量的超声发生器以外，超声振动系统也是加工装置的关键部件。超声振动系统一般由换能器、变幅杆及工具组成（如图3-17所示）。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （1）超声加工的主要特点 1）适应范围广。超声加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料。2）因脆性和硬度不大的材料对超声振动有缓冲作用，因此工具可用较
4、软的材料做成较复杂的形状，使机床运动简化，机床结构3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.2 超声加工的特点和应用简单，操作维修方便。3）超声加工时，工件表面宏观切削力较小，使得切削应力、切削热较小，不会引起变形和表面烧伤等质量问题，因此其加工精度和表面质量较高，如超声加工孔的尺寸精度可达 0.010.02mm，甚至更高，表面粗糙度值一般可达Ra1.60.1m。4）超声加工生产效率一般较低。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 超声加工虽然生产率比电火花和电解加工等低，但其
5、加工精度和表面粗糙度都比它们好，而且材料的加工范围广，因此应用也比较广泛，常常作为电火花等加工后的抛光和光整加工。图3-18为超声加工的几种应用。图3-19为一种电解加工与超声磨削相结合的复合加工方法示意图，其加工速率比单独用超声加工快8倍之多。近年来，超声加工与其他加工方法相结合而进行的复合加工方法发展迅速，除超声电解加工外，还有超声电火花加工、超声调制激光打孔、超声振动切削加工（如图3-20所示）等，它们使加工精度、表面质量和生产率得到了综合提高。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 图3-18 超声加工
6、的应用 3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 图3-19 超声电解复合加工1-电解液槽 2-振动头 3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 图3-20 超声振动切削1-车刀 2-换能器3-变幅杆 4-工件 3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 1）采用刀具的超声振动孔加工 该加工方法的超声波振动方向有两种，即与进给方向一致的超声纵振（图a）和
7、与切削方向一致的扭振（图b）。超声纵振孔加工又可分为刀具振动和工件振动两类。虽然振动体不同，但它们刀具与工件的相对振动都是轴向的，因此加工效果基本一致。超声纵振孔加工的主要特点有：生产率高，特别对于难加工材料，生产率比普通钻削高23倍；不需退刀排屑，易实现机械化；加工精度和表面质量的很大提高，表面粗糙度值可达Ra0.8m，而且不出现毛刺；可降低切削温度。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 超声扭振孔加工一般是将超声振动于刀具上，振动方向与切削方向一致。这种孔加工机构复杂，制造困难，但效果较好。超声扭振孔加工
8、的主要特点是：易实现机械化，不需退刀排屑，适应于加工细长深孔；切削力小；表面质量高。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 2）孔的超声光整强化 这是一种新型的孔加工方法，主要是对孔进行精加工，目前正处于研究之中。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 超声孔加工技术是一种先进的孔加工技术，但由于影响因素很多，在许多方面仍不完善，其应用受到限制。要全面推广超声孔加工技术，应注意下述问题：完善带磨料孔加工设备，扩大其应用范围，并使
9、其系列化、标准化；3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.1 超声加工3.3.1.2 超声加工的特点和应用 （2）超声加工的应用 努力解决用刀具超声振动孔加工时出现的崩刃及断刀问题，寻求合适的刀具材料、振动频率、振幅、进给量等工艺参数间的关系；进一步探索超声一机械光整强化工艺参数，提高现场加工的稳定性；深入研究超声一机械光整强化孔加工机理。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.2 振动切削 振动切削是在普通切削加工的基础上，人为地给刀具或工件施加一个有规律的振动，改变了刀具和工件之间的瞬时运动关系，使切削过程在动态下进行的一种复合加工方法。从频率方面把振动切削分为高频
10、振动切削（超声波振动）和低频振动切削两种。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.2 振动切削 （1）振动切削原理 振动切削加工是在刀具或工件上附加一定可控的振动，使加工过程变为间断、瞬间、往复的微观断续切削过程。振动切削方法首先由日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授于60年代提出的。目前，在日本、中国、俄罗斯、德国、韩国、印度、美国、奥地利、英国等开展了广泛的研究与生产应用。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.2 振动切削 （1）振动切削原理 振动切削理论是在切削过程中加入了超声振动。由工业金刚石颗粒制成的铣刀、钻头或砂轮，在加工过程中对零件表面进行20000次/秒的连
11、续敲击，即使是高硬材料，在如此高频的振动敲击下，一个很小的切削力也可将其瓦解，如图3-22所示。当然，振动切削机床的进给力还是很大的，因此在振幅的最高点，附在刀具上的金刚石颗粒以撞击方式将零件表面材料以微小颗粒形式分离出来。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.2 振动切削 （1）振动切削原理 这种加工方式的效率要比传统方式提高5倍，零件表面光洁度Ra0.2m，可加工0.3mm的精密小孔，切削温升低。故可保护刀具及延长寿命。振动切削的应用解决了我国飞机起落架、涡轮盘、薄壁件等国防关键制造难题，降低废品率带来上千万元的经济效益。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.2
12、 振动切削 （2）振动切削现象及效果 因振动切削机理与普通切削不同，使其具有如下现象及效果。1）切削抗力显著降低。2）加工精度明显提高。3）切削温度显著降低。4）切削过程比较顺利。5）加工表面质量可以得到改善。3.3 超声加工及振动切削超声加工及振动切削3.3.2 振动切削 （3）振动切削及深孔加工技术 在切削过程中，人为的使刀具或工件产生有规律的振动，边振动边切削。只要振动参数与切削用量匹配适当，不论加工何种材料均能可靠的断屑，从而提高质量和效率。把断屑效果最好的振动切削技术和各种深孔加工方法结合起来，形成更加完善的“振动切削加工技术”。在加工过程中可根据加工需要改变振动频率和振幅，达到更好的切削效果。
