旋转超声复合 辅助加工技术的研究与应用

Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2020, 9(4), 329-342

Published Online August 2020 in Hans. https://www.sodocs.net/doc/e38655202.html,/journal/met

https://https://www.sodocs.net/doc/e38655202.html,/10.12677/met.2020.94035

Research Results and Applications of

Rotating Ultrasonic Composite/Auxiliary

Machining

Tao Wang, Jing Li, Zhigang Yan, Nengjian Ji, Yongwei Zhu*

College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou Jiangsu

Received: Aug. 5th, 2020; accepted: Aug. 20th, 2020; published: Aug. 27th, 2020

Abstract

Ultrasonic machining is an efficient and fine machining method for hard and brittle materials, and it is widely used in practical production. The rotating ultrasonic effect combined with the rotation is easy to be combined with technologies, such as: mechanical machining, electrical discharge & electrolysis, and welding; a variety of rotating ultrasonic composite & auxiliary machining tech-nologies could be achieved; the machining efficiency and the accuracy can be effectively improved.

The current research results of the rotating ultrasonic auxiliary mechanical processing are ana-lyzed and summarized; the research progress and the application of ultrasonic and rotary ultra-sonic composite electrical machining technology are given; the rotating ultrasonic-assisted weld-ing, extraction, sawing sapphire technologies are introduced. Finally, the technical advantages and the limitations are discussed about rotary ultrasonic composite & auxiliary machining; the re-search assumptions and research directions are given.

Keywords

Rotating Ultrasonic Machining, Ultrasonic Effect, Auxiliary Machining,

Composite Electrical Machining, Accuracy and Efficiency

旋转超声复合/辅助加工技术的研究与应用

王涛，李晶，闫志刚，纪能建，朱永伟*

扬州大学，机械工程学院，江苏扬州

收稿日期：2020年8月5日；录用日期：2020年8月20日；发布日期：2020年8月27日

*通讯作者。

王涛 等

摘 要

超声加工是硬脆材料的一种高效、精细加工方法，已在工程中得到广泛应用。超声效应与旋转运动与机械切削加工、放电及电解加工、焊接及萃取等技术有机结合，可形成各种旋转超声复合/辅助加工技术，能有效提高加工效率、改进加工精度。本文分析与总结超声辅助机械加工技术研究与应用；阐述超声及旋转超声复合电加工技术的研究进展；介绍旋转超声辅助焊接、萃取等新技术。最后进一步探讨旋转超声复合/辅助加工技术的技术优势与局限性，并对旋转超声复合/辅助加工技术的完善与发展提出研究设想与展望。

关键词

旋转超声加工，超声效应，辅助机械加工，复合电加工，精度与效率

Copyright ? 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). https://www.sodocs.net/doc/e38655202.html,/licenses/by/4.0/

1. 引言

超声加工(ultrasonic machining, USM)是一种对工具施加超声运动，使得有磨料的液体介质与工件产生相对运动，达到超声频冲击、抛磨、液压冲击的效果并借此产生的气蚀作用来除去材料的加工方式[1] [2] [3]。

超声加工过程如图1，超声发生器将工频交流电转变为超声频电振荡，经换能器转变为超声高频振动，超声振幅经变幅杆放大传递到工具末端，工具与工件间隙中的超声频振动，使悬浮液中的磨料连续击打被加工件面，由于磨料硬度很高且高频快速撞击工件，工件表面逐步破碎并去除，同时空气被卷入悬浮液形成气体空腔，进入加工裂缝中，这种超声“空化”效应可加速材料去除，并带走剥落碎屑，可有效地增强加工进程[4]。超声加工是硬脆材料的一种高效、精细加工方法。

Figure 1. Principle of ultrasonic machining 图1. 超声加工原理

Open Access

王涛等

将超声效应与旋转运动结合可大大增强超声作用效应，与其他加工方法有机结合，可形成各种旋转超声复合/辅助加工技术[4]。

1964年英国莱格[5]首次使用了旋转超声磨削加工(rotary ultrasonic machining, RUM)方法，即对烧结或镀金刚石的工具头，既施加超声频振动，又围绕自身轴线高速旋转，如图2所示。RUM比单超声加工和磨削具备更高的生产率和加工质量。

RUM结合了传统金刚石磨削加工技术和USM技术，与USM相比有两大主要区别[6]：

1) RUM使用的磨粒固结在工具杆上，而USM中利用在工具杆端部和工件之间的游离于液体中的磨粒对工件表面进行撞击而去除材料。

2) RUM中工具杆在旋转的同时工具头也做超声振动，而USM中工具杆只作超声振动。

Figure 2. Grinding principle of rotary

ultrasonic machining

图2.旋转超声加工磨削原理

在磨削加工中，利用砂轮的旋转和超声振动的辅助作用，既可克服单一超声加工金属材料时加工率低，又可减少磨削加工的磨削力与磨削热，有效提高加工效率、保证加工精度，减小磨头磨损问题，已成功应用到陶瓷、玻璃及硬脆性金属的加工中[7]。

超声辅助是指利用超声效应，但超声效应不直接参加去除材料加工；超声复合是指利用超声效应，同时超声效也直接参与去除材料作用。

本文针对旋转超声加工方式，分析与总结旋转超声辅助机械加工技术的研究与应用、阐述超声及旋转超声复合电加工技术研究进展、介绍旋转超声加工的其他应用，并对该技术的完善与发展提出研究设想与展望。

2. 旋转超声辅助机械加工技术

超声辅助机械加工是利用超声频振动效应辅助进行机械加工，即刀具(或工件)在所需的方向上给以一定的超声频振动，以改善其切削功效的超声切削方法[8]。

超声辅助机械加工，主要包括超声辅助车削、超声辅助钻孔、超声辅助铣削、超声辅助磨削，超声作用只是起辅助作用，超声振动的引入，使作用在刀具上的切削力形成连续有规律的脉冲切削力波形，减小了切削力、切削热，达到提高加工质量和加工效率的目的。

2.1. 超声辅助车削

超声辅助车削工件作旋转。周忠明等[9]鉴于高温合金材料的难加工性，对GH4169镍基高温合金进行超声辅助螺纹车削加工对比实验，通过超景深三维显示系统对工件表面及切削表面进行放大对比，利用三维表面轮廓仪测量三维表面形貌和表面粗糙度值。结果表明，超声加工纹牙表面更加光整，纹牙表

面粗糙度值明显降低。如图3为两种加工方式下得到的切屑30倍放大图。

王涛 等

(a) 无超声加工V = 19 m/min (b) 超声加工V = 19 m/min

Figure 3. Turning micrograph of superalloy thread turning 图3. 高温合金螺纹车削切削显微图

从图3(a)中可以看出，无超声加工产生的切屑效果很粗糙，这种粗糙的边缘很容易损坏加工表面，影响加工表面质量。从图3(b)中可以看出加入超声振动后，相对于无超声加工的切屑状态，超声振动车削产生的切屑表面非常平整。

闫德鑫[10]对于超声波辅助车削切削力变化规律进行仿真研究，结果表明：超声振动车削产生的切削力比普通车削时产生的切削力要小的多。

2.2. 超声辅助钻孔

如图4，超声辅助钻孔钻头在高速旋转同时沿其轴线做超声频率微米级振动，超声振动改变钻头与工件材料之间作用机理，有利于减小切削力和切削温度，延长刀具寿命，改善加工质量[6]。

Figure 4. Ultrasonic vibration assisted cutting principle diagram

图4. 超声辅助钻削加工原理图

日本早在1977年就已经运用超声振动进行切削和磨削的加工，并且可以为大型船用柴油机缸套镗出Φ600 mm 的孔[11]。20世纪70年代中期，美国在超声车削、超声钻孔、超声镗孔等方面的生产设备已进入试验性成形阶段[12]。

顾翔等[13] [14]对PZT 压电陶瓷钻孔进行了旋转超声加工和单超声加工实验对比。如图5所示，

王涛 等

(a) 旋转超声加工效果 (b) 单超声加工效果

深度为2 mm 深度为0.8 mm

Figure 5. Magnified micrograph of PZT piezoelectric ceramic processing

图5. PZT 压电陶瓷加工显微放大图

PZT 压电陶瓷加工结果表明：旋转超声辅助加工加工钻孔深度大于单超声加工深度，说明旋转超声钻孔加工比单超声加工有更好的加工效率。

2.3. 超声辅助铣削

如图6所示，铣刀在高速旋转的同时会沿其刀具进给方向做超声频率的微米级振动。超声振动改变了刀具切削刃与工件材料之间的作用机理，有利于减小切削力和切削温度，从而延长刀具寿命，改善加工质量[6]。

Figure 6. Ultrasonic-assisted milling schematic

图6. 超声辅助铣削加工原理图

山东大学沈学会[15]研究超声振动辅助微细铣削，结果表明：沿进给方向超声振动辅助微细铣削可获得近似脉冲状切削力，获得均匀细小切屑，有助于提高加工尺寸精度。如图7所示为传统铣削加工和超声振动辅助铣削加工的切屑对比图。

(a) 无超声 (b) 有超声

Figure 7. Traditional milling and ultrasonic vibration milling chip

图7. 传统铣削与超声振动铣削切屑

王涛 等

哈尔滨工业大学胡海军[16]建立超声振动微铣削系统，研究铣削力和残余应力，通过观察加工件表面形貌，发现加入超声振动后，脆性材料的切削力明显降低，切屑的崩裂减少，工件表面的残余应力降低，铣削表面质量得到改善。

2.4. 旋转超声辅助锯切蓝宝石

旋转超声加工的刀具头部一般会电镀有金刚石等高硬度材料，不同于单一的超声加工，旋转超声加工的刀具在作微米级的超声振动时也会旋转，这样能够减小切削力、应力，从而提高表面加工质量，并且延长刀具的使用寿命[17]。

加工效果如图8所示，由此图可以看出在加入超声振动后，塑性去除比例得以减少，加工表面质量提升，大块剥落现象消失。材料去除机理如图9。

(a) 无超声 (b) 有超声

Figure 8. Effect of ultrasonic vibration on surface morphology of sawed

sapphire

图8. 超声振动对锯切蓝宝石表面形貌的影响

Figure 9. The abrasive trajectory and material removal mechanism of rotary ultrasonic machining

图9. 旋转超声加工磨料运动轨迹和材料去除机理

2.5. 多轴联动超声辅助曲面展成

超声与数控、自动控制技术结合，可进行各类硬脆难加工材料、复杂形面的展成加工[18] [19] [20] [21] [22]。

德国DMG [23]公司ULTRASONIC 系列数控超声加工中心，如图10所示。 此加工中心可利用多轴联动超声辅助机械加工进行复杂曲面的数控展成加工。

王涛 等

(a) ULTRASONIC 数控超声加工中心

(b) 硬质钢压铸模具加工 (c) 加工玻璃陶瓷反射镜

Figure 10. DMG ultrasonic equipment and processing 图10. DMG 公司超声设备及加工

3. 旋转超声复合电加工

3.1. 超声复合电解/放电加工

超声复合电解加工是将超声和电解复合的加工工艺，如图11所示。利用磨粒抛光、超声“空化”及电解液冲击作用，可有效地去除工件表面的钝化膜，同时超声振动引起的空化作用加速了钝化膜的破坏以及磨料的循环，使得超声复合电解加工效率大大提高，加工精度得到改善。

1-换能器、2-变幅杆、3-工具电极、4-电解液及磨料、5-工作台、6-工件

Figure 11. Ultrasonic composite elec-trolytic machining schematic diagram 图11. 超声复合电解加工原理图

波兰克拉科夫工业大学[24]运用流体动力学，对电解加工的阴极、阳极之间的电解液进行了研究，并发现超声振动可提高电解间隙内的电解液流动效率。

王涛 等

波兰先进制造技术研究所的A. Ruszaj 等[25]分别采用脉冲电解加工、超声电解加工以及在电解液中加入混粉的超声电解加工进行试验，分析实验结果得知：超声电解加工的表面质量好于脉冲电解加工，而加入混粉后的超声电解加工表面质量最好[26]。

山东大学闫鹏[26]利用电火花加工、超声加工的优势，与单一的磨削有机结合，形成一种新的工艺，取得了良好的加工结果。从加工表面粗糙度、加工表面微观特征两个方面，比较了单一磨削、超声辅助磨削、磨削一电火花加工、超声辅助磨削一电火花加工的加工效果，如图12所示。得出结论：超声辅助磨削一电火花加工能够有效减少裂纹和热应力的出现，从而提升加工表面质量。

(a) 单一磨削加工效果图 (b) 超声辅助磨削加工效果图

(c) 磨削一电火花加工 (d) 超声辅助磨削一电火花

Figure 12. Comparison of grinding, ultrasonic vibration assist and grind-ing-EDM effects

图12. 磨削、超声振动辅助、磨削一电火花加工效果对比

山东大学李晨光[27]在分析了超声振动辅助磨削一脉冲放电复合加工的放电状态基础上，利用电阻分压对间隙电压进行采样，并选用C8051F340芯片进行数据处理，应用芯片内部可编程电压比较器对间隙电压进行比较。然后将数据通过USB 口传送给上位机。试验结果表明，检测系统工作正常，性能良好，能满足使用要求。超声复合放电加工是将超声振动引与电火花加工进行有机的结合，电火花一边放电，一边依靠超声空化作用和泵吸作用，快速去除杂质，加快电解液的流动效率，提高生产率，稳定振幅，就能提高加工精度[28]。

3.2. 超声复合同步电加工

采用调制斩波电路通过超声频电信号转换，实现超声频振动与/放电加电的同步方案，如图13(a)，

基

王涛等

准电压为U R1、U R2，超声频交变电压电解/放电加电区与关断区如图所示，这样能够在保持加工的同时，防止电源短路[29]。

(a) 斩波方案

(b) 超声斩波器

Figure 13. Ultrasonic synchronous chopping

图13. 超声同步斩波

利用超声同步斩波器的加工系统可实现单超声、超声同步超声复合电加工系统如图14所示。

Figure 14. Ultrasonic composite synchronous machining system diagram

图14.超声复合同步电加工系统图

王涛等

超声复合同步电加工的阵列圆坑显微图，如图15所示。通过比较(a)、(b)、(c)三图可知，超声复合电解加工与同步超声复合电解加工加工的孔深均大于单一超声作用的加工孔深，这是超声与电解复合作用的结果。

Figure 15. Micro-pits of array circular holes

图15. 阵列圆孔微凹坑显微图

同步超声复合电解加工的圆孔，圆度精可以达到±1 μm，是这三种加工方式中精度最高的，这是由于同步超声复合电解加工产物排除与除去材料过程协调同步，优化了局部加工的不良效应，加工精度得到改善[30]。

3.3. 旋转超声复合电加工

旋转超声复合电加工系统如图16所示[23]。赵青青等[31][32][33]在材料机械磨削、旋转超声、旋转超声复合电加工加工对比试验。

Figure 16. Rotary ultrasonic composite electronic system

图16.旋转超声复合电加工系统

采用金刚石固结磨粒工具头，加工材料为高速钢，设置旋转超声主轴转速设为5000 rpm，静压力5.0 N，加工时间2 min，超声功率为150 w，超声振幅16 μm，电压为4 V，脉冲频率5000 Hz，占空比5:5，电解液为5%硝酸钠，进行机械磨削加工、旋转超声加工和旋转超声复合电加工对比试验，在体视显微镜下加工结果对比如图17所示。

对比三种加工方式试验结果可知，机械磨削加工圆孔深度小于旋转超声加工和旋转超声复合电加工，因为切削力较大，较难加工，加入超声振动后，磨粒更容易嵌入表面去除材料，圆孔深度比机械磨削稍大，旋转超声复合电解加工圆孔加工深度最大，加工效率最大。图18为三种加工试验结果对比图。

王涛等

(a) 磨削加工(b) 旋转超声加工(c) 旋转超声复合加工

Figure 17. Comparison chart of three processing test results

图17. 三种加工试验结果对比图

Figure 18. Comparison chart of three processing test results

图18.三种加工试验结果对比图

采用金刚石固结磨料工具，加工材料为硬质合金YT15，设置旋转主轴转速为5000 rpm，5%的硝酸钠溶液为电解液，脉冲频率5000 Hz，脉冲电压占空比5:5，超声功率为150 W，超声振幅16 μm，静压力5.0 N，加工时间5 min，脉冲电压幅值2 V、4 V和6 V，进行旋转超声复合电加工，在体视显微镜下加工结果如图19所示。

(a) 2 V (b) 4 V (c) 6 V

Figure 19. Processing results at different voltages

图19.不同电压下旋转超声复合电加工结果图

图20所示为三种加工方式深度曲线图，随着电压增加，加工深度增加，圆孔尺寸略有增大，电压为6 V时的圆孔深度明显比2 V和4 V时深，说明电压越大，加工效率越高，这一结果与上述机理分析的结果相一致，但同时杂散腐蚀现象也越严重，因此采用4 V脉冲电压较为合适。

4. 旋转超声加工的其他应用

旋转超声有很强的动力学和催化效应，其在辅助摩擦焊接、辅助抛光、辅助清洗以及物质有效成份

王涛等

分离、萃取等方面还有重要应用。

Figure 20. Comparison of processing test results

图20. 超声复合电加工试验结果对比图

4.1. 旋转超声辅助焊接

高速旋转工具头，作用于焊接件界面产生摩擦并通过超声振动挤压流动成型的焊接方法，不仅能充分发挥摩擦生热的优势，而且超声的施加将能量导入到焊接区域深层细化了焊缝晶粒、提高材料塑性流动、焊后残余应力小、焊缝强度高[34]。

目前对摩擦辅助超声波焊接新技术的研究要集中在黄铜、铝合金等金属焊接的机理分析和性能探讨。

4.2. 超声抛光

超声抛光的原理：利用超声频振动的工件或变幅杆，在有磨料的液体介质中，产生超声频的振动、抛磨，借此优化抛光的均匀性与精度。Jeffrey等对变幅杆与抛光盘施加横向超声频振动，发现横向超声频振动以搅动有磨料的液体介质的形式作用于硅片，能够提升抛光均匀性。许文虎等通过对比有无超声抛光蓝宝石的加工表面，如图21所示，得出结论：无超声的抛光去除率只有超声抛光是的一半。

(a) 传统抛光 (b) 振动辅助抛光

Figure 21. With or without ultrasonic vibration polishing the sapphire surface

图21. 有无超声振动抛光蓝宝石表面

王涛等

超声抛光在机械抛光、化学抛光、磁流变抛光、离子束抛光等多个抛光类别均有应用，并取得了一定的改善效果。但是，当前超声抛光的材料去除机理是如何影响已加工表面的完整性的，还有待深入研究。

4.3. 超声萃取

广州中医药大学[35]用USMM (ultrasonic machining macroporous)联用技术从丹参中进行有效成份的提取、分离。USMM联用技术是指超临界流体萃取、超声波提取等有机的结合在一起，旨在研究目的USMM技术是否可行，进一步提升丹参提取中有机溶剂用量和受热时间，改善丹参活性成分的提取效率和产品纯度，为优质丹参制剂的开发提供一个思路。实验证明：USMM技术应用于丹参活性成分提取分离基本可行，但此技术还需进一步的优化改良。

5. 旋转超声复合/辅助加工技术展望

旋转超声复合/辅助加工技术是近年来对难加工材料进行加工的有效方法，随着科研的深入，越来越多的实验证明，超声复合加工相对于传统加工业的优势，但也有特定问题有待研究完善。

1) 旋转超声加工是一种将旋转运动与传统超声相复合的新型加工方式，具有热损伤小、不易产生裂纹等优势，对硬脆材料的高效加工有重要应用价值。但在制造业内，对旋转超声加工技术研究不够深入，旋转超声加工机理及效应研究还待深入。

2) 旋转超声辅助机械加工：与传统加工技术相比，其优势在于环保、高效、精度高等，对于硬脆材料的高效加工具有重要工程应用价值。但是旋转超声也会带来自身一些问题，如因旋转与振动参数处理不好，易引起摩擦发热、产生形状误差，加工复杂曲面不能采用超声的拷贝式复制成型，需要采用多轴联动展成方式，增加了系统复杂性。

3) 旋转超声电解复合加工可增强电解加工的间隙作用，电解产物的排除条件大大改善，加工过程稳定性及加工质量均可大大提高。但是此方法加工参数多且变化复杂，不进行实时有效控制，亦会影响加工效率与精度，其参数选择有待优化。

基金项目

国家自然科学基金(51775484)、“十三五”装备预研领域基金资助项目(61409230304)。

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3104-3107.

超声波加工的应用

超声波加工的应用及发展前景 摘要：随着生产发展和科学实验的需要，很多工业部门，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术向着高精度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展。因此，特种加工作为一个时代强音等上舞台，它就具备了上述特点。超声波加工是利用工具断面的超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。特别对于一些常规加工方式无法完成的或者加工精度无法达到要求的工件。目前经过几十年的发展，超声波加工技术已逐步成熟，并已在一些要求条件高、加工工艺复杂、精度要求高的领域逐步发展起来，相信随着技术的发展它的应用围及领域会越来越广。 关键词：超声波；研究前沿；应用领域；超声加工的应用 引言：超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步奠定自己在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。特别在现代这个迅猛发展的社会它的地位越来越重要，我们应该加快它的发展速度，为我们所用。 超声波加工（USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。 与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。 一、超声波加工的原理 1.1 超声波概述 “超声波”这个名词术语，用来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz以上的所有频率。超声波的上限频率围主要是取决

超声振动辅助磨削技术的现状与新进展

第31卷第11期2010年11月 兵工学报ACTA ARMAMENTARII Vol．31No．11Nov． 2010 超声振动辅助磨削技术的现状与新进展 梁志强1，2，王西彬1，吴勇波2，栗勇1，赵文祥1，庞思勤 1 （1.北京理工大学先进加工技术国防重点学科实验室，北京100081； 2.秋田県立大学系统科学技术学部，秋田290014，日本） 摘要：如何实现硬脆性材料的高效率、高质量、高精度加工是现代精密制造领域的技术难题，为解决这一难题超声波振动磨削技术被引入到硬脆性材料的加工中。综述了超声振动磨削技术的现状，基于现有的一维振动磨削与二维振动磨削技术，着重分析了不同超声振动施加方式对磨削 力、 加工表面完整性、砂轮磨损等加工特性的影响。作为二维振动磨削技术的最新进展，对垂直型椭圆振动磨削技术的加工原理以及加工特性进行初步介绍。 关键词：机械制造工艺与设备；超声辅助磨削；椭圆振动；硬脆材料；磨削力；粗糙度 中图分类号：TG156文献标志码：A 文章编号：1000- 1093（2010）11-1530-06Status and Progress of Ultrasonic Assisted Grinding Technique LIANG Zhi-qiang 1，2 ，WANG Xi-bin 1，WU Yong-bo 2，LI Yong 1，ZHAO Wen-xiang 1，PANG Si-qin 1 （1．Key Laboratory of Fundamental Science for Advanced Machining ，Beijing Institute of Technology ，Beijing 100081，China ； 2．Faculty of Systems Science and Technology ，Akita Prefectural University ，Akita 290014，Japan ） Abstract ：In current precision machining field ，there is a critical problem to achieve high efficiency ，high-quality and high-precision machining for hard brittle material．Based on this background ，the ultra-sonic assisted grinding machining is widely introduced as a promising processing technology．In this pa-per ，the machining characteristics ，especially grinding forces ，ground surface integrality and wheel wear ，of both one-dimensional and two-dimensional ultrasonic assisted grinding techniques are analyzed．As a new progress ，the principle and fundamental characteristics of vertical elliptical ultrasonic assisted grind-ing method are introduced． Key words ：machinofacturing technique and equipment ；ultrasonic assisted grinding ；elliptical vibra-tion ；hard brittle material ；grinding force ；surface roughness 收稿日期：2009－11－13 基金项目：国家自然科学基金资助项目（50935001）；国防科研资助项目（62301090103）作者简介：梁志强（1984—），男，博士研究生。E-mail ：liangdjx@yahoo．com ；王西彬（1958—），男，教授，博士生导师。E- mail ：cutting0@bit．edu．cn 随着科技的发展对硬脆性材料、难加工材料和 新型先进材料的需求日益增多，对关键零件的加工效率、加工质量和加工精度提出了更高的要求。传统磨削方法因不可避免的产生较大的磨削力以及磨削热，引起工件表面/亚表面损伤以及砂轮寿命低等一系列问题。尤其在精密与超精密加工领域，这些加工缺陷的存在严重制约着零件加工精度及加工效 率的提高。为解决这些问题，超声振动被引入到磨 削加工中。国内外广泛研究证实超声振动磨削在提高材料去除率、提高加工表面质量与加工精度、降低工件表面损伤以及延长砂轮寿命等方面具有显著优势。 一维超声振动磨削技术较早应用到工业领域，近年在超精密加工领域，日本和中国的学者又

超声波加工技术

超声波加工技术 1.绪论 人耳能感受到的声波频率在20—20000HZ范围内，声波频率超过20000HZ被称为超声波。超声波加工（Ultrasonic Machining简称USM）是近几十年来发展起来的一种加工方法，它是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工的方法，或利用超声振动的工具在有磨料的液体介质或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀来去除材料，又或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。它弥补了电火花加工的电化学加工的不足。电火花加工和电化学加工一般只能加工导电材料，不能加工不导电的非金属材料。而超声波加工不仅能加工硬脆金属材料，而且更适合于加工不导电的硬脆非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等。同时超声波还可用于清洗、焊接和探伤等。 1.1超声波加工的发展状况 超声波加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。超声波发生器的作用是将220V或380V的交流电转换成超声频电振荡信号；换能器的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动振幅放大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使工具以一定的能量与工件作用，进行加工。 超声加工技术是超声学的一个重要分支。超声加工技术是伴随着超声学的发展而逐渐发展的。 早在1830年，为探讨人耳究竟能听到多高的频率，F.Savrt曾用一多齿的齿轮，第一次人工产生了2.44 HZ的超声波，1876年加尔顿的气哨实验产生的超声波的频 10

超声加工技术的概况及其未来发展趋势分析

超声加工技术的概况及其未来发展 趋势分析 梁玉鑫 材料科学与工程学院，1309101班，1130910113 摘要：结合了近年来超声加工技术的发展情况，综述了超声振动系统的研究发展和超声加工技术在深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、难加工材料的加工、超声振动切削、超声复合加工等方面的最新应用，并阐述了超声加工技术的发展趋势。 关键词：超声加工；超声振动系统；超声复合加工；微细超声加工；超声振动切 超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。 几十年来，超声加工技术的发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。 一、超声振动系统的研究概况及其应用 超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。在传统应用中，超声振动系统大都采用一维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要，对振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展。日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。东南大学研制了一种新型超声振动切削系统。该系统采用压电换能器，由超声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调节机构及刀具等部分组成。当发生器输出超声电压时，它将使级联晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现超声振动。该装置的特点是：能量传递环节少，能量泄漏减小，机电转换效率高达90%左右，而且结构简单、体积小，便于操作。 沈阳航空工业学院建立了镗孔用超声扭转振动系统[1]，采用磁致伸缩换能器，将超声波发生器在扭转变幅杆的切向作纵向振动时在扭振变幅杆的小端就输出沿圆周方向的扭转振动，镗刀与扭振变幅杆之间采用莫氏锥及螺纹连接，输出功率小于500W，频率为16～23 kH z，具有频率自动跟踪性能。西北工业大学设计了一种可在内圆磨床上加工硬脆材料的超声振动磨削装置。该装置由超声振动系统、冷却循环系统、磨床连接系统和超声波发生器等组成，其超声换能器采用纵向复合式换能器结构，冷却循环系统中使用磨削液作为冷却液；磨床连接系统由辅助支承、制动机构和内圆磨床连接杆等组成。该磨削装置工具头旋转精度由内圆磨床主轴精度保证，结构比专用超声波磨床的主轴系统要简单得多，因此成本低廉，适合于在生产中应用。另一种超声扭转振动系统已在“加工中心”用超声扭转振动装置上应用。主要用作电火花加工后的模具异形(如三角形、多边形)孔和槽底部尖角研磨抛光，以及非导电材料异形孔加工。该振动系统的换能器是采用按圆周方向极化的8块扇形压电陶瓷片构成，产生扭转振动。 二、超声加工技术应用研究

激光加工与超声波加工技术对比分析

激光加工与超声波加工技术对比分析 赵国帅 摘要：激光加工和超声波加工都属于特种加工，本文主要介绍了激光加工和超声波加工在工作原理，发生装置上存在差异。此外还有他们各自的应用特点，以及实际加工方式都存在着的优缺点。 关键词：激光加工；超声波加工；特点对比；实例分析 Comparative Analysis of Laser Processing and Ultrasonic Machining Technology ZHAO Guo-shuai Abstract:Laser processing and ultrasonic machining belong to the special processing. The contest aim to talk about the difference of laser processing and ultrasonic machining in the working principle and generator, in addition it contains their application characteristics and their advantage and disadvantage in different actually processings. Keywords:Laser processing; Ultrasonic processing; Contrast characteristics; The example analysis

目录 摘要 (1) 前言 (2) 1 定义与原理 (2) 1.1 定义 (2) 1.1.1 激光加工技术 (2) 1.1.2 超声波加工技术 (2) 1.2原理 (2) 1.2.1 激光加工技术 (3) 1.2.2 超声波加工 (3) 1.3 激光加工与超声波加工定义和原理对比分析 (4) 2 应用和特点 (4) 2.1 激光加工与超声波加工应用特点对比分析 (4) 2.1.1 激光加工技术特点 (4) 2.1.2超声波加工技术特点 (5) 3 实例对比分析 (5) 3.1 激光加工和超声波加工焊接对比分析 (5) 3.1.1 原理对比分析 (5) 3.1.2 优缺点对比分析 (6) 3.2 激光加工和超声波加工深孔加工对比分析 (6) 3.3 激光加工和超声波加工切削加工对比分析 (6) 3.3.1 激光加工发展运用 (6) 1.2.2 超声波加工发展运用 (7) 4 结论 (7) 参考文献 (9)

超声加工论文

本科课程论文 题目超声加工的应用及发展 学院工程技术学院 专业机械设计制造及其自动化年级**级 学号*************** 姓名****** 指导教师****** 成绩 2011 年 12 月 14 日

目录 摘要 (2) 关键词 (2) 一、超声加工技术的发展 (2) 二、旋转超声加工的特点及优势 (3) 三、超声加工技术在航空航天制造中的应用潜能 (4) 1 超声加工刀具基体材料选择 (5) 2 超声加工刀具基体结构设计 (6) 3 超声加工刀具磨料层的制备......................................................................... 6. 四结束语.. (7) 参考文献 (7)

超声加工的应用及发展 摘要：陶瓷、光学玻璃、功能晶体、金刚石、宝石和先进复合材料等具有优越的物理、化学和机械性能，在航空、航天、军工、电子、汽车和生物工程等领域正得到越来越广泛的应用，并且其应用还在不断向新的领域扩展。与此同时，人们开始探索特种加工方式来加工这些难加工材料。超声加工技术就是在此背景下发展起来的，实践证明，它是加工上述难加工硬脆材料的高效和经济有效的方法之一。 超声技术在工业中的应用开始于20世纪10～20年代，它是以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。超声技术的应用可划分为功率超声和检测超声两大领域。其中，功率超声是利用超声振动形成的能量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种状态改变加快的一门技术。功率超声在机械加工方面的应用，按其加工工艺特征大致分为2类，一类是带磨料的超声磨料加工（包括游离磨料和固结磨料），另一类是采用切削刀具与其他加工方法相结合形成的超声复合加工。 关键词：超生加工发展特点及优势应用潜能 一、超声加工技术的发展 1927年，美国物理学家伍德和卢米斯最早作了超声加工试验，利用超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔。但当时超声加工并未应用到工业上，直到大约1940年在文献上第一次出现超声加工（USM－Ultrasonic Machining）工艺技术描述以后，超声加工才吸引了大家的注意，并且逐渐融入到其他的工业领域。1951年，科恩研制了第一台实用的超声加工机，为超声加工技术的发展奠定了基础。 USM提供了比常规机械加工技术更多的优点。例如，导电和非导电材料它都可以加工，并且加工复杂的三维轮廓也可以像简单形状那样快速。此外，超声加工过程不会产生有害的热区域，同时也不会在工件表面带来化学/ 电气变化，而且加工时在工件表面上所产生的有压缩力的残余应力可以增加被加工零件的高周期性疲劳强度。 然而，在USM中必须供给磨料工作液，并且要保证加工过程中能有效清除刀具和工件

CSiC复合材料旋转超声振动辅助铣削实验研究

C/SiC复合材料旋转超声振动辅助铣削实验研究通过碳纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC)是一种耐高温、耐磨损、抗氧化和力学性能出色的航空级复合材料,采用传统的机械加工工艺对其进行加工,因加工性差,精度不高且加工成本高导致无法满足当今航空航天等领域的需求。利用旋转超声振动辅助加工技术,将旋转超声振动引入到C/SiC复合材料的铣削加工中,可有效地降低铣削力、切削热,减小刀具的损耗,提高加工质量。 本文主要完成了以下工作内容:利用压电陶瓷的逆压电效应,根据夹心式压电换能器的设计理论,设计了一款可用于旋转超声铣削加工的纵振型超声振子;采用PZFlex仿真软件对影响超声振子谐振频率的因素进行了仿真分析,结果表明:超声振子的谐振频率随刀具有效长度和过渡圆柱长度的增加而减小,随预紧螺栓长度和后端盖孔深度的增加而增大;依据仿真结果加工了纵振型超声振子,并对其进行阻抗分析,测得纵振型超声振子在有无刀具及夹头螺母两种状态下的谐振频率分别为17.41 kHz、18.71kHz,与仿真结果中模型的谐振频率18.4762 kHz和19.312 kHz,误差率分别为5.7636%和3.1428%;基于超声振子的谐振频率,对有夹头螺母及刀具状态下的超声振子振幅输出进行测量,结果表明:在100 V、140 V和200 V电压激励下振子输出的振幅与电压成正比,且在200 V电压激励时纵向振幅为2.016 um,可以满足旋转超声振动辅助铣削加工的要求,证实了纵振型超声振子设计的可行性,为纵振型超声振子模型的优化设计提供参考。设计纵振型超声振子的夹持装置、桥接盘和机床主轴连接装置,实现超声振子与机床主轴的连接;设计电能传输装置对纵振型超声振子进行供电;设计保护外壳、安装插销等装置,建立起旋转超声振动辅助铣削加工系统;依据该系统采用单因素实验法和正交试验法,研究了传统铣削下不同切削参数对C/SiC复合材料铣槽和铣

超声加工技术的现状及发展趋势

超声加工技术的现状及 发展趋势 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】

超声加工技术的现状及发展趋势 前言：超声波加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声波加工技术是一种涉及面广且更新快的机械加工技术。结合近年来超声加工技术的发展状况，综述了超声振动系统的研究进展和超声加工技术在深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、难加工材料的加工、超声振动切削、超声复合加工等方面的最新应用，并阐述了超声加工技术的发展趋势。 关键词：超声波加工、超声振动、声复合加工、应用、发展、 正文: 1、超声振动系统的研究进展及其应用 超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。在传统应用中，超声振动系统大都采用一维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要，对振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展。 日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。日本还研制成一种新型“纵-弯”型振动系

统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。该系统压电换能器也采用半圆形压电陶瓷片产生“纵-弯”型复合振动。日本金泽工业学院的研究人员研制了加工硬脆材料的超声低频振动组合钻孔系统。将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合，制造了一台组合振动钻孔设备，该设备能检测钻孔力的变化以及钻孔精度和孔的表面质量，并用该组合设备在不同的振动条件下进行了一系列实验。实验结果表明，将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合是加工硬脆材料的一种有效方法。 另一种超声扭转振动系统已在“加工中心”用超声扭转振动装置上应用。主要用作电火花加工后的模具异形(如三角形、多边形)孔和槽底部尖角研磨抛光，以及非导电材料异形孔加工。该振动系统的换能器采用按圆周方向极化的8块扇形压电陶瓷片构成，产生扭转振动。 2、超声加工技术应用研究 深小孔加工 众所周知，在相同的要求及加工条件下，加工孔比加工轴要复杂得多。一般来说，孔加工工具的长度总是大于孔的直径，在切削力的作用下易产生变形，从而影响加工质量和加工效率。特别是对难加工材料的深孔钻削来说，会出现很多问题。例如，切削液很难进入切削区，造成切削温度高；刀刃磨损快，产生积屑瘤，使排屑困难，切削力增大等。其结果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具寿命短。采用超声加工则可有效解决上述问题。

超声波加工

第四节超声波加工 人耳能感受到的声波频率在16—16000Hz范围内。当声波频率超过16000Hz时，就是超声波。前两节所介绍的电火花加工和电解加工，一般只能加工导电材料，而利用超声波振动，则不但能加工像淬火钢、硬质合金等硬脆的导电材料，而且更适合加工像玻璃、陶瓷、宝石和金刚石等硬脆非金属材料。 1．超声波加工原理 超声波加工是利用工具端面的超声频振动，或借助于磨料悬浮液加工硬脆材料的一种工艺方法。超声波发生器产生的超声频电振荡，通过换能器转变为超声频的机械振动。变幅杆将振幅放大到0.01一0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动。在加工过程中，有“超声空化”现象产生。因此，超声波加工过程是磨粒在工具端面的超声振动下，以机械锤击和研抛为主，以超声空化为辅的综合作用过程. 2．超声波加工的特点 (1)超声波加工适宜加工各种硬脆材料，尤其是利用电火花和电解难以加工的不导电材料和半导体材料，如玻璃、陶瓷、玛瑙、宝石、金刚石以及锗和硅等。对于韧性好的材料，由于它对冲击有缓冲作用而难以加工，因此可用作工具材料，如45钢常被选作工具材料。 (2)由于超声波加工中的宏观机械力小，因此能获得良好的加工精度和表面粗糙度。尺寸精度可达0.02～0.01mm；表面粗糙度R a值可达0.8一0.1μm。 (3)采用的工具材料较软，易制成复杂形状，工具和工件无需作复杂的相对运动，因此普通的超声波加工设备结构较简单。但若需要加工复杂精密的三维结构，可以预见，仍需设计与制造三坐标数控超声波加工机床。 二、超声波加工的基本工艺规律 1．加工速度及其影响因素 加工速度指单位时间内去除材料的多少，通常以g／min或mm3／min为单位表示。影响加工速度的主要因素有： (1)进给压力的影响超声波加工时，工具对工件应有一个适当的进给压力。工具端面与工件加工表面间的间隙随进给压力的大小而改变。压力减小，间隙增大，从而减弱磨料对工件的锤击力；压力增大，间隙减小，当间隙减小到一定程度，则会降低磨料和工作液的循环更新速度，从而降低加工速度。 (2)工具振幅和频率的影响超声波加工中，设备的振幅和频率都在一定范围内可

超声波的焊接原理及技术

一．超声波应用原理 我们知道正确的波的物理定义是：振动在物体中的传递形成波。这样波的形成必须有两个条件：一是振动源，二是传播介质。波的分类一般有如下几种：一是根据振动方向和传播方向来分类。当振动方向与传播方向垂直时，称为横波。当振动方向与传播方向一致时，称为纵波。二是根据频率分类，我们知道人耳敏感的听觉范围是20HZ-20000HZ，所以在这个范围之内的波叫做声波。低于这个范围的波叫做次声波，超过这个范围的波叫超声波。 波在物体里传播，主要有以下的参数：一是速度V，二是频率F，三是波长λ。三者之间的关系如下：V=F.λ。波在同一种物质中传播的速度是一定的，所以频率不同，波长也就不同。另外，还需要考虑的一点就是波在物体里传播始终都存在着衰减，传播的距离越远，能量衰减也就越厉害，这在超声波加工中也属于考虑范围。 1、超声波在塑料加工中的应用原理： 塑料加工中所用的超声波，现有的几种工作频率有15KHZ，18KHZ，20KHZ，40KHZ。其原理是利用纵波的波峰位传递振幅到塑料件的缝隙，在加压的情况下，使两个塑料件或其它件与塑料件接触部位的分子相互撞击产生融化，使接触位塑料熔合，达到加工目的。 2、超声波焊机的组成部分 超声波焊接机主要由如下几个部分组成：发生器、气动部分、程序控制部分，换能器部分。发生器主要作用是将工频50HZ的电源利用电子线路转化成高频（例如20KHZ）的高压电波。 气动部分主要作用是在加工过程中完成加压、保压等压力工作需要。 程序控制部分控制整部机器的工作流程，做到一致的加工效果。 换能器部分是将发生器产生的高压电波转换成机械振动，经过传递、放大、达到加工表面。 3．换能器部分由三部分组成：换能器（TRANSDUCER）；增幅器（又称二级杆、变幅杆，BOOSTER）；焊头（又称焊模，HORN或SONTRODE）。 ①换能器(TRANSDUCER)：换能器的作用是将电信号转换成机械振动信号。将电信号转换成机械振动信号有两种物理效应可以应用。A：磁致伸缩效应。B：压电效应的反效应。磁致伸缩效应在早期的超声波应用中较常使用，其优点是可做的功率容量大；缺点是转化效率低，制作难度大，难于大批量工业生产。自从朗之万压电陶瓷换能器的发明，使压电效应反效应的应用得以广泛采纳。压电陶瓷换能器具有转换效率高，大批量生产等优点，缺点是制作的功率容量偏小。现有的超声波机器一般都采用压电陶瓷换能器。压电陶瓷换能器是用两个金属的前后负载块将压电陶瓷夹在中间，通过螺杆紧密连接而制成的。通常的换能器输出的振幅为10μm左右。 ②焊头（HORN）：焊头的作用是对于特定的塑料件制作，符合塑料件的形状、加工范围等要求。 换能器、变幅杆、焊头均设计为所工作的超声频率的半波长，所以它们的尺寸和形状均要经过特别的设计；任何的改动均可能引致频率、加工效果的改变，它们需专业制作。耐用根据所采用的材料不同，尺寸也会有所不同。适合做超声波的换能器、变幅杆和焊头的材料有：钛合金、铝合金、合金钢等。由于超声波是不停地以20KHZ左右高频振动的，所以材料的要求非常高，并不是普通的材料所能承受的。 二：超声波工作原理： 热可塑性塑料的超声波加工，是利用工作接面间高频率的摩擦而使分子间急速产生热量，当此热量足够熔化工作时，停止超声波发振，此时工件接面由熔融而固化，完成加工程序。

先进制造——超声研磨技术

超声研磨加工技术 摘要：本文介绍了一种基于新加工原理的先进超精密研磨技术——超声研磨。首先简要介绍了磨削技术的发展现状并通过加工模型简述了其加工原理；然后从加工工艺及加工设备等方面阐述了其加工特点；最后以其在模具行业的应用为例，从加工设备、工艺分析等方面进行了简要分析。 关键词：超声加工；超声研磨；超精密加工；先进制造技术 0、引言 随着汽车、航空航天等行业的发展，陶瓷、玻璃、硬质合金等材料应用日益广泛。这些材料硬度高、零件形状复杂、加工精度高，传统的磨削方式难以满足要求[1]。超声研磨不仅能加工脆硬金属材料，而且能加工玻璃、陶瓷、半导体等不导电的非金属脆硬材料，特别适合电火花加工或铣削加工表面的研磨，对电火花线切割加工表面的软化层和电火花成型加工表面的硬化层均能快速研磨，改善其表面质量。 1、研磨技术现状 相对于传统的研磨技术而言，目前，一些基于机械作用、机械—化学作用的超精密研磨技术以及液面研磨抛光技术的研究应用[2]，在超精密磨削方面取得了不错的效果。其中基于机械作用的弹性发射加工（EEM）兼有研磨和抛光的优点具有光明的发展前景。 然而，这些加工方法存在对加工设备及条件有特殊的要求；难以控制加工精度、表面质量等问题，如基于机械作用的弹性发射加工，需要高速高精度回转轴等，所以在实际应用中受到限制，达不到高的技术经济效果。 超声波研磨是功率超声在材料加工方面的一种重要运用，是一种非接触超精密研磨方法，具有加工表面质量高、精度高、切屑易处理、能很好地解决难加工材料、非金属材料、表面质量要求高的零件加工问题等一系列优点，如今已成为一种新型的先进制造加工技术。

2、超声研磨原理 2.1超声研磨理论模型分析 超声研磨是超声加工技术的一种特殊应用[3]，其基于传统研磨加工原理，在研磨工具上附加以超声振动，工具与工件间的磨料在结合传统研磨加工运动和超声高频振动共同作用下，不断滑擦、磨削加工表面，以实现材料去除的目的，图1为超声研磨原理模型。 图1 超声研磨原理模型 研磨工具的端面和工件表面保持一固定的间隙，在其间充以微细磨料工作液，当超声振动工具以一定的频率振动时，带动微细磨料冲击工件表面，从而对工件表面进行研磨。当工作台作平面运动或曲面运动，即可对整个工件表面进行加工[4][5]。 超声研磨时，大量的磨料以与超声振动相同的频率、脉动式的冲击被加工表面，除去或改造工件表面原有的损伤层，并在其下面构成新的损伤层(即表面加工层)。如果工艺参数(如超声发生器的功率，磨料的硬度、粒度，磨液浓度，间隙等)选择恰当，则可使新生成的损伤层更薄、更均匀，从而获得较佳的表面质量，实现超精密加工，理想的状况是获得接近无损伤的表面。 2.2超声研磨系统的关键 超声研磨加工技术在加工质量、加工精度、加工效率等方面都较传统研磨加工有很大优势，其关键在于超声研磨振动系统的作用。

超声振动切削加工

超声振动切削加工的研究现状及进展 摘要：简述了超声振动切削技术的发展、优点及应用领域。通过将超声振动切削与普通切削比较以及对振动切削过程特点的描述，探讨了超声振动切削的切削机理。文章还分析了振动切削技术的最新发展, 认为超声振动切削是一项有发展前途的新型技术。 关键词：超声振动切削；难加工材料：切削机理 Research of vibration assisted turning cutting technology and

Its development Abstract：Introduces the history, advantages and application field of the ultrasonic cutting technology(UCT). By compared with ordinary cutting and the characteristics description of the ultrasonic vibration cutting process, explored Ultrasonic vibration cutting of the cutting mechanism. The paper also analyzes an up- to- date vibrating cutting technology and summarizes that the ultrasonic vibration cutting is a promising new technology. Key Words: Ultrasonically vibrating cutting; Difficult - to - machine materials; Cutting Mechanism 0 前言 超声振动切削技术是把超声波振动的力有规律地加在刀具上，使刀具周期性地切削和离开工件的加工技术, 是结合超声波技术和传统切削工艺的一种新型切削技术。在20 世纪60 年代，日本隈部淳一郎先生就对该项技术做了大量的研究工作。

超声波旋转加工设备的详细介绍

超声波旋转加工设备的详细介绍 随着传统加工技术和高新技术的发展，超声波旋转加工技术的应用日益广泛，超声波旋转加工设备机理的研究日趋深入，随着技术的发展，对零件的加工精度、加工表面粗糙度和加工表面质量提出了很高的要求，因此使超声波旋转加工设备加工向精密与超精密加工方向发展是非常必要的,因此，越来越引起人们的重视而受到世界各国的瞩目。 一、超声波旋转加工设备的工作原理 超声波加工是利用工具端面做超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。加工时，在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。 二、超声波旋转加工设备的特点 第一超声波旋转加工设备可以使切削力大幅度降低,使摩擦热减小、刀具寿命提高和已加工表面粗糙度值减少,即有以下特点:

1）在钻铣过程中,刀具前面不是始终与工件保持接触状态,而是处于有规律的接触、分离状态。 2）有规律的脉冲冲击切削力取代了连续切削力。 3）刀具(或工件)的有规律强迫振动取代了刀具和工件无规律的自激振动。 4）切削力大部分来自刀具(或工件)的振动,刀具(或工件)的运动仅是为了满足工件加工几何形状而设置的。 第二在振动钻铣中,因振动提高了实际的瞬间钻铣速度,并以动态冲击力作用于工件,使得局部变形减少、作用力集中、瞬间切削力增大。从而获得较大的波前切应力,有利于金属的塑性脆化，减小塑性变形,利于切削。在超硬材料的加工方面,这一优点更为突出。 第三超声钻铣设备，在超声波的作用下有利于刀具的冷却。刀具的高速振动对刀具的散热十分有利,同时由于刀具的前面周期性脱离工件,使得切削液更容易进入刀具和工件之间,也增加了系统的散热能力。 三、超声波钻铣设备的应用范围 超声钻铣设备可加工一些普通钻铣床加工不了的材料，难切削材料的加工。如不锈钢、淬硬钢、高速钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁以及陶瓷、玻璃、石材等非金属材料，由于力学、物理、化学等特性而难以加工的材料等。主要适用行业有航空、汽车零件、电极制作、电子、计算机等相关配件及医疗器材、光学仪器等紧密组件的制造加工业，是机械制造、模具、仪器、仪表、汽车等行业理想加工设备。

功率超声振动加工技术教案

南通大学 Nan Tong University 功率超声振动加工技术 院系： 专业：自动化 班级： 学号： 姓名：李芸 关键词： 振动加工、换能器发生机理、熔焊、功率超声车削、珩磨技术 引言： 超声加工（ultrasonic machining），起源于20世纪50年代初期，是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工的方法。超声加工系统，由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。在难加工材料和精密加工中，功率超声加工技术具有普通加工无法比拟的工艺效果，具有广泛的应用范围。由于功率超声加工技术具有许多优点，与其他加工技术相比较，常常能大幅度提高加工速度、提高加工质量和完成一般加工方法难以完成的加工工作。因此，在工业、农业、国防和医药卫生、环境保护等部门得到越来越广泛的应用。 正文：

一、超声加工的基本原理 超声加工时，高频电源联接超声换能器，由此将电振荡转换为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动，其根幅仅0．005~0．01mm，再经变幅杆放大至0．05~0．lmm，以驱动工具端面作超声振动。此时，磨料悬浮液（磨料、水或煤油等赃工具的超声振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和粉末。同时，由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面，又由于超声振动产生的空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不断地循环。磨粒的不断更新。加工产物的不断排除，实现了超声加工的目的。总之，超声加工是磨料悬浮液中 的磨粒，在超声振动下的 冲击、抛磨和空化现象综 合切蚀作用的结果。其中， 以磨粒不断冲击为主。由 此可见，脆硬的材料，受 冲击作用愈容易被破坏， 故尤其适于超声加工。 由超声发生器产生的高频 电振荡（频率一般为16～25千赫，焊接频率可更高）施加于超声换能器上（见图），将高频电振荡转换成超声频振动。超声振动通过变幅杆放大振幅（双振幅为20～80微米），并驱动以一定静压力压在工件表面上的工具产生相应频率的振动。工具端部通过磨料不断地捶击工件，使加工区的工件材料粉碎成很细的微粒，为循环的磨料悬浮液带走，工具便逐渐进入到工件中，加工出与工具相应的形状。 二、特点 ①不受材料是否导电的限制。 ②工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件。 ③被加工材料的脆性越大越容易加工；材料越硬或强度、韧性越大则越难加工。 ④由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料。 ⑤可以与其他多种加工方法结合应用，如超声振动切削、超声电火花加工和超 声电解加工等。 超声加工主要用于各种硬脆材料,如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔（包括圆孔、异形孔和弯曲孔等）、切割、开槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。超声打孔的孔径范围是0.1～90毫米，加工深度可达100毫米以上，孔的尺寸精度可达 0.02～0.05毫米。表面粗糙度在采用 W40碳化硼磨料加工玻璃时可达Rα 1.25～0.63微米，加工硬质合金时可达Rα0.63～0.32微米。 ⑥切削力大及温度幅度降低，工件寿命大幅度提高。 ⑦大大节省能源，简化机床结构。 ⑧提高已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性。

超声波加工论文

超声波加工 摘要：超声波加工是利用工具断面的超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。它能广泛应用于各个领域，特别对于一些常规加工方式无法完成的或者加工精度无法达到要求的工件。目前经过几十年的发展，超声波加工技术已逐步成熟，并已在一些要求条件高、加工工艺复杂、精度要求高的领域逐步发展起来，相信随着技术的发展它的应用范围及领域会越来越广。 关键词：超声波；研究前沿；应用领域 引言：超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步奠定自己在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。特别在现代这个迅猛发展的社会它的地位越来越重要，我们应该加快它的发展速度，为我们所用。 超声波加工（USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。 与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。 一、超声波加工的原理 1.1 超声波概述 “超声波”这个名词术语，用来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz以上的所有频率。超声波的上限频率范围主要是取决于发生器，实际用的最高频率的界限，是在5000MHz的范围以内。在不同介质中的波长范围非常广阔，例如在固体介质中传播，频率为25kHz的波长约为200mm；而频率为500MHz的波长约为0.008mm。 超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播。由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振以及损耗等现象更显著。在不同的介质中，超声波传播的速度c亦不同，例如c空气=331m/s；c水=1430m/s；

超声波加工以及机床设计-机械设计论文设计

1. 绪论 1.1 论文的提出及其应用价值 1.1.1 课题所属研究领域 由于各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的问题。对这些材料用传统加工方法十分困难，于是产生了特种加工技术，双面超声波加工就是其中一种。 超声波加工(USM)是利用超声波振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声波频振动进行振动加工，或利用超声波振动使工件相互结合的加工方法。几十年来，超声波加工技术的发展迅速，在超声波振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声波复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。超声波加工非常适合于加工硬脆材料，而且不会损害工件表面，所以是加工硅工件的理想方法[1]。 超声波加工方法是近50年来逐步发展的一种新型加工方法。在难加工材料和精密加工中，超声波加工方法具有普通加工无法比拟的工艺效果，具有广泛的应用围。超声波加工技术横跨机械学、电学、和声学三个学科，因而可把超声波加工视为交叉学科[1]。 1.1.2 课题的理论意义和应用价值 如今的一些材料，如硅晶体具有强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、比重低和自润滑等优良特性，已在电子、机械、能源、航空航天等众多领域显示出相当广泛的应用前景。然而，硅材料的加工十分困难，尤其是对于具有复杂型面的硅材料零件至今尚无有效的加工手段。目前硅材料的加工技术已成为制造业研究的热点。 材料的加工技术中，金刚石磨削方法只能加工简单型面的零件，而对于较复杂的型面，如有锐角要求的槽形零件和非回转体表面，就无能为力了；激光束加工（LBM）技术虽然可用于硅零件的加工，但会使加工表面产生达50m 的微观裂纹，很难适应航空航天重要零件的要求；此外，由于硅材料电导率低且化学稳定性好的限制，使得电火花（EDM）及电化学（ECM）加工方法不适于加工硅零件。而超声波加工（USM）不需工件导电，可加工任何超硬材料，且不属于热过程，