旋转超声加工技术现状及发展趋势

徐超亮，汤晓华

（北京工商大学 材料与机械工程学院，北京 100048)

0 引言

旋转超声加工是集传统金刚石磨削加工和超声加工于一体的复合加工技术，是加工硬脆材料的一种有效加工方式[1]，刀具随主轴做高速旋转的同时沿着轴向做超声频振动。材料的去除主要依靠传统超声加工和磨削加工的复合，具有加工精度高、切削力小以及加工表面质量好等优点，是加工硬脆材料比较理想的方法。

1 旋转超声加工技术的发展历程

旋转超声加工原理如图1所示[2]，1927年，美国物理学家伍德（R W.Wood）和卢米斯（A.E Loomis）做了超声加工试验，利用超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔。1951年，美国的科恩（Koln）制成第一台实用的超声加工机[3]。1964年，英国人Legge 提出使用烧结或电镀金刚石刀具的旋转超声加工的方法，克服了一般超声加工深孔时加工速度低和精度差的缺点。在70年代中期，美国在超声钻中心孔、声光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已处于生产应用阶段。超声车削、钻孔、镗孔、已处于试验性生产设备原形阶段；通过超声振动切削系统已供工业应用，目前已形成部分标准[4]。

我国超声加工的研究始于20 世纪50年代末。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，1973年，上海超声波电子仪器厂研制了CNM-2 型超声研磨机。1984年，中国科学院声学研究所成功研制了超声旋转加工样机，该样机功率为400W，工作频率为7～22kHz，加工精度为：圆柱度0.03mm，圆度＜0.005mm[5]。清华大学已经开发出了完全数控化的旋转超声加工机床，其数控系统由Z轴进给控制、旋转电机控制、自动频率跟踪控制等功能模块组成[6]。天津大学也在旋转超声加工方面做出了很多研究[7]，对机床进行了模块化设计研究。河南理工大学研究设计了旋转超声铣头装置，该装置作为立式数控铣床的一种附件，可安装在立式数控铣床上，方便装卸[8]。

图1 旋转超声加工原理图Fig.1 Principle of rotary ultrasonic machining graph

2 旋转超声加工的研究现状

（1）美国内布拉斯加大学和内华达大学对氧化铝陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究[9]。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。

（2）美国堪萨斯州立大学提出一种旋转超声加工陶瓷材料去除率模型的计算方法[10]，确定了材料去除率和加工参数之间的关系。该研究大大推动了陶瓷材料旋转超声加工技术的发展。

（3）巴西的研究人员对石英晶体的超声研磨技术进行了研究[11]，发现石英晶体的材料去除率取决于晶体的晶向，研磨晶粒的尺寸影响材料去除率和表面粗糙度。

（4）德马吉的超声波加工设备是目前最先进的加工设备之一，最近提供了适应各种工件尺寸和加工任务的高速切削技术以及五轴联动高速超声加工中心，其中包括：①HSC20linear 紧凑型高速加工中心，其特点是紧凑型结构设计，轮廓精度和准确性高，表面质量可达＜0.2μm；自动换刀；②HSC20linear 高速精密加工中心，其特点是：所有轴全部采用高动态性能和高精度直线驱动技术，标配28000r/min 高速切削主轴HSK-A63，切削性能高，刀具使用寿命长，成本低，表面质量高[12]。

（5）大连理工大学提出了基于分层去除技术的超声铣削加工方法[13]，研制了超声数控铣削机床，开辟了利用超声加工技术数控加工工程陶瓷零件的途径。基于分层去除思想的超声铣削加工技术，解决了传统超声加工中工具损耗严重且不能在线补偿的难题。

（6）河南理工大学对纳米复相陶瓷二维超声磨削进行了加工表面粗糙度的特征性研究，二维超声振动磨削大大扩展了复相陶瓷磨削的塑性加工区域[14]。

3 旋转超声加工技术的发展趋势

旋转超声加工技术正在向高精度、微细化方向发展，有望成为微电子机械系统（MEMS）技术的有力补充[15]。旋转超声加工的研究日益深入主要表现在以下几个方面：

（1）旋转超声机理的探讨[16]。近几十年来，国内外学者对旋转超声加工机理进行了大量的研究，概括为：①超声振动的锤击作用；②金刚石刀具的磨抛作用；③超声空化作用；但是这些都只是在大量试验基础上做出的定性研究[17]，能够给出定量分析和具体数值计算的结论并不多见，通过计算机进行数值模拟，对加工材料去除量和表面应力分布进行计算，从定量方面研究分析超声机理，将是今后的一个重要研究方向。

（2）超声机头振动系统的研究[18]。旋转超声机头是旋转超声加工的核心和关键部件，超声加工要求工具端面具有比较高的振动频率或位移振幅，在机头设计中，换能器与变幅杆之间、变幅杆与工具杆之间存在分界面，需要进行连接，各杆之间一定要紧密连接，消除间隙，否则会影响超声振动系统能量的定向传递，造成能量损失。所以对超声机头振动系统的优化设计，是旋转超声加工研究中至关重要的工作。

（3）研制和采用新的刀具材料[19]。为了更好地发挥刀具的效能，除了选择合适的刀具几何参数外，在振动切削中，人们将更多的注意力转向刀具材料的开发与应用上，其中金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。

（4）旋转超声加工表面质量研究。相对于传统超声加工，旋转超声加工能够获得更好的工件表面质量，主要表现在表面粗糙度更低，表面光整度更好。但不同的加工工艺参数对旋转超声加工表面质量又有着不同的影响，如转速、进给速度、切削深度、磨料粒度、超声功率等。如何从各组不同的工艺参数中得到一组最优解，也是今后的一个研究热点。

4 结束语

旋转超声加工作为加工硬脆材料的新型复合加工方式，将是今后一个重要的研究方向。随着高新科技的发展，一些新型复合材料的出现以及加工需要必将推动和促进旋转超声加工技术的发展，特别是上述研究热点问题的解决，将促进旋转超声加工在国防、航空、医疗、汽车电子等领域的应用。展望未来，旋转超声加工技术的发展前景是可观的。

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[7]王怀斌，宫虎.旋转超声加工系统的研究[J].航空精密制造技术，2010.

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