超聲振動(dòng)磨削技術(shù)、

1、超聲振動(dòng)精密磨削技術(shù)的發(fā)展1、引言隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，金屬間化合物、工程陶瓷、石英、光學(xué)玻璃等硬脆材料以及各種增韌、增強(qiáng)的新型復(fù)合材料因其高硬度、耐磨損、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)在航空航天、國(guó)防科技、生物工程、計(jì)算機(jī)工程等尖端領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛；但由于這些材料的脆硬特性，傳統(tǒng)加工方法已不能滿足對(duì)這些材料零件的精密加工要求，，因此有關(guān)其精密超精密磨削加工技術(shù)便成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。超聲振動(dòng)精密磨削技術(shù)便是順應(yīng)這一需要而發(fā)展起

2、來的技術(shù)之一。超聲振動(dòng)磨削技術(shù)的基本原理為：由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電振蕩信號(hào)（一般為16～25KHz）經(jīng)超聲換能器轉(zhuǎn)換成超聲頻機(jī)械振動(dòng)，超聲振動(dòng)振幅由變幅桿放大后驅(qū)動(dòng)工具砂輪產(chǎn)生相應(yīng)頻率的振動(dòng)，使刀具與工件之間形成周期性的切削。即工具砂輪在旋轉(zhuǎn)磨削的同時(shí)做高頻振動(dòng)。超聲加工技術(shù)的經(jīng)歷了從傳統(tǒng)超聲波加工到旋轉(zhuǎn)超聲波加工的發(fā)展階段，旋轉(zhuǎn)式超聲加工是在傳統(tǒng)超聲加工的工具上疊加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種加工用水帶走被去除的材料并冷卻工具，不需要傳統(tǒng)

3、超聲加工中的磨料懸浮液，因此，這種方法被廣泛的運(yùn)用于超聲振動(dòng)磨削加工中[6]。2、超聲振動(dòng)磨削技術(shù)發(fā)展回顧、超聲振動(dòng)磨削技術(shù)發(fā)展回顧1927年，R.W.Wood和A.L.Loomis就發(fā)表了有關(guān)超聲波加工的論文，超聲加工首次提出。1945年L.Balamuth就申請(qǐng)了關(guān)于超聲加工的專利。20世紀(jì)50～60年代日本學(xué)者隈部淳一郎發(fā)表了許多對(duì)振動(dòng)切削進(jìn)行系統(tǒng)研究的論文，提出了振動(dòng)切削理論，并成功實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)磨削等加工[8]。1960年左右，英

4、國(guó)Hawell原子能研究中心的科學(xué)家發(fā)明了新的超聲磨削復(fù)合加工方法。超聲振動(dòng)磨削加工在難加工材料和高精度零件的加工方面顯示了很大的優(yōu)越性。1986年日本學(xué)者石川健一受超聲電機(jī)橢圓振動(dòng)特性啟發(fā)，首次提出了“橢圓振動(dòng)低的切削力和相對(duì)高的材料去除率。1996年東京大學(xué)的增澤隆久等人用超聲激振方式在結(jié)構(gòu)陶瓷材料上加工出了直徑為5m的微孔。19981998年德國(guó)工業(yè)大學(xué)年德國(guó)工業(yè)大學(xué)E.UhlmanE.Uhlman、G.SpurG.Spur等人在

5、等人在4848屆CIPRCIPR年會(huì)上提出在加工表面年會(huì)上提出在加工表面的法向施加超聲振動(dòng)，材料的去除率大大提高，并試驗(yàn)證明了在提高材料去除率的同的法向施加超聲振動(dòng)，材料的去除率大大提高，并試驗(yàn)證明了在提高材料去除率的同時(shí)，并不會(huì)對(duì)表層造成損傷。時(shí)，并不會(huì)對(duì)表層造成損傷。1999年，德國(guó)Kaiserslautern大學(xué)的GWarnecke指出，在磨削新型陶瓷和硬金屬等硬脆材料時(shí)，磨削過程及結(jié)果與材料去除機(jī)理緊密相關(guān)。美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)和

6、內(nèi)華達(dá)大學(xué)對(duì)Al2O3陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術(shù)進(jìn)行了研究。通過模擬陶瓷材料超聲加工的力學(xué)特性對(duì)材料去除機(jī)制進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊力會(huì)引起陶瓷材料結(jié)構(gòu)的變化和晶粒的錯(cuò)位，而高沖擊力會(huì)導(dǎo)致中心裂紋和凹痕。美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)還第一次分析了Al2O3陶瓷精密超聲加工的機(jī)理、過程動(dòng)力學(xué)以及發(fā)展趨勢(shì)，并詳細(xì)討論了超聲技術(shù)在陶瓷加工方面的應(yīng)用情況。巴西的研究人員對(duì)石英晶體的超聲研磨技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體的材料去除率取決于晶體的晶向，

7、研磨晶粒的尺寸影響材料去除率和表面粗糙度。研究指出，加工過程中材料產(chǎn)生微裂紋是材料去除的主要原因。日本的吳勇波等人建立了超聲振動(dòng)輔助磨削的實(shí)驗(yàn)裝置（裝置如圖14）并研究了磨削不銹鋼內(nèi)孔時(shí)超聲振動(dòng)對(duì)表面粗糙度和切削力的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加19.2KHz超聲振動(dòng)后，表面粗糙度可以減少20％；法向力減少65％，切向力減少70％。3.23.2超聲振動(dòng)磨削技術(shù)超聲振動(dòng)磨削技術(shù)國(guó)內(nèi)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)眾多知名院校均對(duì)超聲振動(dòng)加工方面進(jìn)行了研究