超声加工技术的现状及其发展趋势

张勤俭,杨小庆,李建勇,蔡永林,王 恒,曹宇男,赵路明,刘敏之

(北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044)

超声加工是指利用超声振动的工具,带动工件和工具间的磨料悬浮液,冲击和抛磨工件的被加工部位,使其局部材料被蚀除而成为粉末,以进行穿孔、切割和研磨等,以及利用超声波振动使工件相互结合的加工方法。

超声加工技术在工业中的应用开始于20世纪10～20年代,适合加工深小孔、薄壁件、细长杆等低刚度零件,高精度、低表面粗糙度等精密零件,以及一些难加工的金属和非金属材料,尤其在难加工材料领域突破了许多关键性的工艺问题,取得了良好的效果。

1 超声加工技术的发展现状

1.1 深小孔的超声加工

深小孔的加工一直以来都是机械制造行业中被人们广泛关注的问题之一。深孔加工是一个复杂的加工过程,深孔一般是指孔的深度与直径之比(l/d)大于5的孔。一般地,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。尤其是对于钻削难加工材料的深孔来说,更易出现许多问题,如切削液难以进入切削区,切削温度较高,刀具磨损快,产生积屑瘤,排屑困难,切削力增大等[1]。采用超声加工可有效解决上述问题。

20世纪60年代,中国成功研制了超声振动加工深小孔的机床。1984年,中国科学院声学研究所成功地研制了超声旋转加工样机,并应用于深小孔加工。该样机功率为400 W,工作频率为 7～22 kHz,加工精度为:圆柱度 0.03 mm,圆度＜0.005 mm。刘殿通等对工程陶瓷的小孔进行了超声振动磨削研究[2],该方法降低了工件的表面粗糙度值,提高了砂轮的耐磨性,从而提高了加工精度和工作效率。沈阳航空工业学院进行了精密深小孔研究,分别对超声镗孔、铰孔和钻孔进行了试验研究[3]。结果表明,超声加工能提高系统刚性,减少切削力,降低切削温度,从而提高孔的加工质量。现代机械制造业正向着精密化、集成化、智能化方向发展,因此,对于深小孔的加工要求也日益提高。王婕等对复杂壳体零件深小孔处的交叉毛刺问题进行了研究[4],提出采用超声复合方法去毛刺。该方法提高了孔的表面光整性和加工效率,可加工不同尺寸的小孔,一致性好,且具有持久性。为改善深小孔的加工质量,王天琦等在高频振动钻削原理的基础上,设计了一套超声轴向振动加工系统,来完成微小孔的超声钻削[5]。该系统结构简单,便于制造,且操作方便,能满足微小孔钻削的加工要求,尤其适用于钛合金和不锈钢类难加工材料。为完成在微细玻璃上加工深细孔,张云电等采用了超声钻削方法[6]。实验结果表明,该方法能提高加工精度和加工效率,降低表面粗糙度值,延长工具寿命。

加工大深径比微细孔时,切屑不易排出,电极损耗增大,针对这一问题,张余升等提出采用超声辅助电火花加工技术[7],并已在厚3.5 mm的不锈钢板上加工出平均直径为120 μm的通孔,深径比高达29。朱钰铧等对钛合金深小孔进行了超声电火花复合加工研究[8],实验结果认为,该方法能有效改善微粒聚积现象,利于电蚀产物的排出,从而提高加工稳定性和加工速度。

1.2 难加工材料的超声加工

随着科学技术的发展,耐热钢、钛合金、不锈钢、高温合金和工程陶瓷等材料广泛应用在机械制造、国防及宇航工业等领域。这些材料具有良好的耐热性、耐腐蚀性、高的比强、优异的常温和高温力学性能,但由于它们的强度高、导热性差,加工硬化严重,用传统的加工方法不易加工,采用超声加工可解决以上问题。

兵器工业五二研究所对Al2O3陶瓷材料的超声车削加工进行了研究[9]。试验结果表明,超声振动车削与普通车削、磨削相比,具有较高的加工精度和较低的表面粗糙度值,减小了切削力,降低了切削温度,改善了加工特性。为了探索利用简单形状砂轮对陶瓷材料进行数控展成型面超声磨削,对Al2O3陶瓷进行了蠕动进给超声磨削试验[10]。结果表明,超声振动方向和蠕动进给方向平行时,可降低表面粗糙度值;为提高加工质量,应采用较小的磨削深度、较低的进给速度和适当高的磨削速度以及复合进给磨削方式。与传统的工程陶瓷相比,纳米陶瓷具有优越的机械性能和物理特性,故对其进行了超声研磨实验[11]。结果表明,超声磨削纳米氧化锆工件的磨削深度扩大了约30%。大连理工大学提出超声分层铣削加工三维陶瓷工件[3],该技术的关键是工件损耗的在线补偿和控制。超声数控分层仿铣可对传统成形加工有困难、甚至无法加工的工件进行加工,极大简化了工艺过程,保证了加工过程的可控性和加工精度。美国内布拉斯加大学和内华达大学对Al2O3陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究[12]。研究发现,低冲击力会引起陶瓷材料的结构变化和晶粒错位,而高冲击力会导致产生中心裂纹和凹痕。

广西大学的科研工作者利用1 kW超声车削装置对某厂提供的花岗岩压辊进行了切削试验。结果表明,当刀具材料采用YG8N、进给量 s=0.08 mm/r、切削深度ap=0.20 mm时,切削效果最好。为了提高材料去除率和表面质量,提出了一种新的二维(即椭圆)超声波辅助磨削技术,加工硬而脆的单晶硅材料[13]。实验证明,与传统磨削相比,其最大的优点在于表面质量的改善和磨削力的减小,有利于高效率和高品质的单晶硅研磨。

超声加工在材料的弹性和结构特性的研究中越来越受欢迎。在多组分玻璃系统中,超声波的纵向和切向速度很大程度上依赖于用来形成玻璃的化学成分的性质和组成[14],因此引入了人工神经网络模型。该模型用作快速预测超声波速度的工具,从而更好地加工玻璃。近年来,对蓝宝石的需求越来越多,但其硬度高,脆性大,不易加工,因此,提出采用椭圆超声波辅助磨削技术加工蓝宝石[15]。实验表明,砂轮的磨削效果好,降低了磨削力,改善了表面粗糙度。

聚晶金刚石(Polycrystalline diamond,PCD)是20世纪70年代兴起的一种新型材料,它具有良好的磨削性能:高去除率和韧性,具有自锐性,与单晶金刚石相比,更不易产生表面划伤,更适用于研磨表面由不同硬度材料构成的工件,用作精密磨料、切割刀具等,但表面成形和光整加工具有一定难度。上海交通大学采用微细超声电火花技术加工聚晶金刚石[16],能改善放电状态,提高放电频率,减少工具电极上的附着物,在适当的超声振幅(2 μm)下可扩大加工参数范围,提高加工精度和表面质量。南京航空航天大学在超声电火花加工PCD的过程中,对影响加工效率的因素(如:脉冲宽度、超声振幅、磨粒大小等)进行了研究[17],试验结果表明,随着脉冲宽度、超声振幅的增大,材料去除率和加工表面粗糙度值也增大,磨粒大小也影响了加工表面粗糙度。邓朝晖等采用金刚石砂轮对PCD复合片进行了精密平面磨削试验,分析了磨削参数和砂轮特性对磨削力的影响[18],结果表明,随着砂轮速度的减小、磨削深度的增加、进给速度的增大及磨粒粒度号越大,切向和法向磨削力都增加。张勤俭、李建勇等采用青铜结合剂金刚石砂轮完成了PCD超声电火花机械复合加工[19],实验表明,这是一种非常有效的加工方法,且超声振幅、脉冲宽度、脉冲间隙、峰值电流、开路电压等对复合加工中的工艺结果有较明显的影响。纳米金刚石的制造是近年来各国科学家的热门研究课题之一,已在金属镀层、润滑油、化工、医学等领域开始获得应用,且应用领域还在不断扩展。Claire Mangeney等采用超声辅助化学加工方法对纳米金刚石进行表面处理[20],其优点是操作简单且环保,对于由碳-碳键形成的纳米金刚石的制备是一种有效的方法,化学稳定性也较高。

1.3 超声光整加工

零件的表面质量对零件的耐磨性、耐腐蚀性、密封性及配合性等使用性能有很大影响。超声抛光可显著降低表面粗糙度值(可达 Ra0.1 μm),大大提高了生产效率,设备简单,操作容易,成本较低,可提高已加工表面的耐磨性和耐腐蚀性,可方便加工硬脆材料及复杂型腔的抛光。

无磨粒超声抛光工艺可降低零件表面粗糙度值,提高表面硬度,改善表面物理性能,是一种高效、精密的表面光整工艺,也是一种表面强化工艺[21]。以直径40 mm的45号钢棒料为加工对象,在不同工艺参数下进行无磨粒超声抛光和常规无磨粒抛光对比加工,探索各工艺参数对表面质量的影响规律[22]。实验结果表明,无磨粒超声抛光加工能显著降低轴件的表面粗糙度值,Ra值由5.2 μm降低到0.74 μm,使轴件的表面硬度由原来的190 HB提高到232 HB。

超声研磨也是一种表面光整工艺,和普通研磨相比,具有研磨力小、研磨温度低、加工效率高、加工质量好等优点。与其他半导体材料相比,SiC单晶片硬度高、脆性较大,导致加工效率低、易产生裂纹和缺陷,不易得到低表面粗糙度值、浅变质层和无晶格畸变的完美表面。超声波研磨能高效、高精度地对SiC单晶片进行超精密加工,可获得高精度的表面质量[23]。Al2O3工程陶瓷等硬脆材料具有低塑性、易脆性、微裂纹及不导电等特性,加工十分困难,经实验证明,超声振动研磨是适合Al2O3工程陶瓷等硬脆材料的一种高效加工方法[24]。对硬化AISI 52100钢使用无粘结碳化硅磨粒,采用超声波辅助磁研磨方法加工[25]。实验结果表明,与传统的磁研磨加工相比,在相同条件下,该方法有较好的加工潜能,工件表面粗糙度值可达Ra22 nm。

超声压光工艺是在传统的压光工艺基础上发展起来的一种新工艺。与传统的压光工艺相比,它具有弹性压力小、摩擦力小、表面更光滑、表面粗糙度值进一步降低、表面耐磨性增加等优点。济南山科数控设备有限公司研发了纳米磨床,它利用超声波技术,给予金属表面以高频驱动,对金属表面进行挤压并光整,使金属表面粗糙度达到镜面效果,Ra值一般在0.1 μm以下,从而提高金属表面的微观硬度、耐磨度、疲劳强度和疲劳寿命。

1.4 超声复合加工

超声加工和传统机械加工或特种加工方法相结合,就形成了各种超声复合加工工艺,如:超声电解抛光加工、超声电火花加工、超声振动切削、超声旋转套料加工、超声钻孔、超声振动磨削加工等。超声复合加工提高了加工效率,改善了工件的加工质量,实现了低耗高效的目标。

西安工业学院研制了DFM-1型超声-电解复合抛光机,并进行了超声电解复合抛光试验研究。北京市电加工研究所于1985年起就开始对聚晶金刚石等超硬材料的研磨、抛光进行研究,并于1987年成功地研究了超硬材料超声电火花复合抛光技术,大大提高了加工效率,并节约了大量金刚石磨料。山东大学进行了超声振动辅助气体介质电火花加工的研究,探讨了各加工参数对加工效率、工件表面粗糙度和电极损耗的影响。该技术对难加工材料的高效、高质量加工有重要意义。陈源丰等采用在介质中添加TiC颗粒的超声电火花复合方法加工铝镁锌合金,测试其硬度和耐磨性[26]。实验结果表明,它能在表面形成一层合金层,提高了加工表面的硬度和耐磨性,改善了加工性能。

普通钻削小直径深孔时,切屑不易排出,且易刮伤孔的表面,降低孔的表面质量,同时切削液不易进入切削区,导致刀具耐用度降低,因此,刘战锋等提出在摇臂钻床上附加一个超声振动装置[27]。这种新的工艺方法能有效改善切削条件,提高孔的精度和加工质量。硬脆材料加工十分困难,尤其是孔加工,易出现钻头出口处的崩边现象,针对这一问题,哈尔滨工业大学研发了一套大直径孔超声旋转套料加工系统[28],并对该系统进行了性能测试。实验验证了超声加工解决硬脆材料崩边问题的可行性,得到了较好的加工效果,其成本低,应用范围广泛。河南理工大学对纳米复相陶瓷进行了超声振动作业下的蠕变特性研究[29],包括高温下的拉伸试验和三点弯曲试验,分析了超声振动时的断口形貌,表明超声振动辅助磨削方法可减小蠕变裂纹的可能性,提高陶瓷使用寿命,改善表面质量。为了实现以车代磨的工艺要求,提高加工精度和改善表面粗糙度,华东交通大学使用二维超声振动车削技术代替磨削加工[30],分析了与超声换能器匹配的电路,采用窄端带圆柱杆的复合圆锥形变幅杆,并借助ANSYS软件对其进行模态分析和谐响应分析,达到了提高换能器输出效率的目的,提高了二维超声振动车削的加工质量。烧结碳化钨(WC)是一个非常硬而脆的材料,在工具制造行业得到广泛使用。Chandra Nath等采用超声波椭圆振动切削方法[31],使用PCD刀具对钨硬质合金进行加工,分析其切削性能。结果表明,当法向速度和切向速度之比减小时,由此产生的切削力和刀具后刀面的磨损减少,而表面粗糙度值降低;当速度比小于0.107时,平均表面粗糙度值在 Ra0.030～0.050 μm 之间。因此,在超声波椭圆振动切削技术中,PCD刀具可用于加工烧结碳化钨,从而实现超精密表面加工,这将是一种有效的微型切割技术。使用PCD刀具应用于超声波椭圆振动切削技术加工淬硬钢尚未得到广泛使用,Kumar等提出了采用PCD刀具,使用超声波椭圆振动切削技术加工一种硬化不锈钢(一种典型的STAVAX,硬度49 HRC)的实验研究[32],分析了公称切削深度、切削速度及进给率对输出特性,如:切削力、刀具后刀面磨损、表面粗糙度、切屑形成等的影响。实验结果表明,公称切削速度影响最大,表面粗糙度随切削速度的减小而得以改善;在生产精密硬化钢模具时,采用PCD刀具代替单晶金刚石刀具,能更有效地获得较好的光学表面。

为保证孔的加工精度,Legge提出使用固结的金刚石刀具,并结合工件的旋转进行孔加工的方法,形成了原始的旋转超声加工[33]。该加工方法克服了在普通超声加工中游离的超硬磨料液在刀具和工件之间流通不畅,以及磨料对加工刀具和加工孔壁的磨蚀等问题,同时使加工精度和材料去除率得到了明显提高。韩国学者在2007年提出用单端绝缘电极做超声辅助电解加工[34]。实验观察表明,该方法提高了加工稳定性,促进了火花的产生,从而提高了加工深度。

2 超声加工技术的发展前景

2.1 超声复合加工

随着科学技术水平的日益提高,在机械加工等领域,对工件的加工精度及表面粗糙度的要求越来越高。近年来对超声复合加工技术的研究越来越多,其中应用最多的是超声电火花复合加工和超声电解复合加工。南京航空航天大学对硬脆金属材料的超声电解复合加工工艺进行了实验研究[2]。与单一加工工艺相比,该复合加工方法明显提高了加工速度、加工精度和表面质量。今后,改进和完善现有超声电加工复合技术,探索新的加工方法和加工方式,对推进电加工技术在陶瓷等难加工材料中的应用将会有很好的作用。

对于硬脆材料的深孔、高精度深小孔加工,超声旋转加工是一种有效的加工方法,但相关的加工设备、加工工艺关键技术都有待开发研究。此外,航空航天技术的发展对材料性能的要求愈来愈高,如:比强度和比刚度高、有一定的耐高温和抗低温性能、有良好的耐老化和抗腐蚀能力等。因此,高温合金、钛合金、高强度钢、先进复合材料和工程陶瓷等材料得到了越来越广泛的应用。超声旋转加工是脆性材料精密、高效加工的一种有效方法。但由于对超声加工机理和工艺缺乏系统的研究,使用效果并不理想。随着对加工原理和机床性能的不断研究和完善,它必将在航空和国防工业中广泛使用的先进复合材料及功能晶体材料的精密加工上大有作为[33]。

近年来,新材料尤其是难加工材料大量涌现,而且对产品质量和生产效益的要求不断提高,可以预见,超声复合加工将会逐渐显现出其独特的优势,在各个领域得到更广泛的应用。

2.2 微细超声加工

以微机械为代表的微细制造是现代制造技术中的一个重要组成部分。精密化、微型化是当今机电产品的重要发展方向之一。微细超声加工原理与常规超声加工相似,是通过减小工具直径、磨粒粒度和超声振幅来实现的。晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等脆硬材料在微机械中的广泛应用,使脆硬材料的高精度微细加工技术成为世界各国制造业的一个重要研究课题。目前,适用于脆硬材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。超声加工与电火花、电解、激光等加工技术相比,既不依赖材料的导电性又没有热物理作用;与光刻加工相比,可加工具有高深宽比的三维形状,这决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属脆硬材料加工方面有着得天独厚的优势[35]。

微细超声加工将大大减少加工成本,缩短加工周期,提高工件表面质量。但对于微细超声加工原理的研究还有很多不足,无论是在成形加工还是在分层扫描的加工模式下,其材料去除率、工具损耗、表面损伤、精度和加工质量等方面都需做进一步研究。随着压电材料及电力电子技术的发展,微细超声、旋转超声、超声复合等加工技术成为了当前超声加工研究的热点。

3 结论

综上所述,新材料的引入促进了加工方法的改变,从而带动新技术产生的步伐。超声加工在很大程度上改善了传统的加工方法,在各种硬脆材料加工方面得到了广泛应用,促进了材料加工技术的发展。超声加工技术的成果是丰富的,发展前景是广阔的。

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