超聲振動(dòng)加工在科研和企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

王棟梁

摘 要 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，各個(gè)行業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，航空航天、精密電子儀器儀表、自動(dòng)化設(shè)施對(duì)機(jī)械零件的加工精度和表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。與此同時(shí)伴隨著我國(guó)化學(xué)合成工業(yè)的發(fā)展壯大，研發(fā)生產(chǎn)出各種硬度高、密度大等加工難度大的新型材料，高效加工技術(shù)成為企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)技術(shù)壁壘。超聲振動(dòng)加工技術(shù)可有效優(yōu)化加工過(guò)程，提高加工質(zhì)量。本文主要研究超聲振動(dòng)加工技術(shù)，闡述超聲振動(dòng)加工在科研和企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 超聲振動(dòng) 加工 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1超聲振動(dòng)加工的研究應(yīng)用領(lǐng)域

1.1微細(xì)制造

超聲振動(dòng)加工可用于微細(xì)制造，有效避免因加工深徑比大導(dǎo)致加工過(guò)程中切削溫度高、散熱不良、鉆頭易損壞、出屑不暢等一系列影響加工效率、質(zhì)量問(wèn)題。日本在超聲微細(xì)加工領(lǐng)域有一定實(shí)力，日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所已成功利用超聲加工技術(shù)在石英玻璃上加工出直徑最小可達(dá)5 m的微孔。日本京都工業(yè)大學(xué)經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，制造出微細(xì)群孔，使用電極、孔、軸反復(fù)打磨創(chuàng)造研究新方向。我國(guó)北京航空航天大學(xué)姜鵬飛研發(fā)了一種新型深小孔軸向振動(dòng)超聲加工系統(tǒng)，入鉆容易，定心精度提高，加工過(guò)程中不易產(chǎn)生“積食現(xiàn)象”，加工效率提高可提高3倍以上。德國(guó)西門子公司在微細(xì)制造領(lǐng)域?qū)嵙π酆瘢曄到y(tǒng)設(shè)備設(shè)施齊全，超聲振動(dòng)加工專利數(shù)量驚人。

1.2研磨拋光

在超聲作用下金屬絲可發(fā)生拉拔變形，實(shí)現(xiàn)截面縮減工藝。超聲振動(dòng)加工技術(shù)運(yùn)用到拉拔過(guò)程中，可有效降低拉拔力，確保加工效率和質(zhì)量。采用超聲波加工技術(shù)可有效提高模具型腔面制造精度，確保生產(chǎn)模具質(zhì)量。哈爾濱工業(yè)大學(xué)謝濤研究團(tuán)隊(duì)主要研究超聲振動(dòng)對(duì)金屬拉拔過(guò)程影響，在采用有限元法分別對(duì)傳統(tǒng)拉絲和超聲拉絲過(guò)程進(jìn)行仿真之后， 根據(jù) 1/4 波長(zhǎng)理論研究制造出一種超聲拉絲專用換能器，最終驗(yàn)證了超聲振動(dòng)可明顯降低金屬拉絲過(guò)程中的拉拔力，金屬絲變形均勻度有一定提高，表面質(zhì)量也得到良好改善。格力集團(tuán)將超聲振動(dòng)加工技術(shù)應(yīng)用到模具研磨拋光過(guò)程中，有效提高制造質(zhì)量，保障工業(yè)4.0改革順利進(jìn)行。

1.3難加工材料的超聲加工

硬度極高和脆性強(qiáng)的工程陶瓷以及工程塑料等材料，加工生產(chǎn)困難重重，海內(nèi)外眾多專家和學(xué)家紛紛展開(kāi)研究，普遍認(rèn)為超聲振動(dòng)加工技術(shù)研究前景廣闊。國(guó)內(nèi)的張遼遠(yuǎn)研究團(tuán)隊(duì)立足于沈陽(yáng)理工大學(xué)現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，對(duì)電鍍金剛石線鋸超聲切割并加工脆硬性材料展開(kāi)研究。蘇州大學(xué)的陳歡等人專門研究高精度超薄水晶片的超聲加工方法，對(duì)其他陶瓷材料延性域磨削研究起啟示作用。許慶順研究隊(duì)伍與企業(yè)合作組建實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)研究不銹鋼磨削試驗(yàn)，以普通砂帶磨削作對(duì)照組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得超聲振動(dòng)精密砂帶磨削可實(shí)現(xiàn)工件加工無(wú)劃痕、粗糙值非常小、工件應(yīng)力小、形狀保持完整、無(wú)熱損傷、磨削力極小，具有更高的經(jīng)濟(jì)使用價(jià)值。

2超聲振動(dòng)加工技術(shù)的研究方向

2.1超聲振動(dòng)切削技術(shù)

超聲振動(dòng)加工工藝優(yōu)勢(shì)明顯，切削過(guò)程中工件受力小、發(fā)熱低，工件表面質(zhì)量好、精度高，殘留切削易處理，有效解決金屬材料、難加工材料以及表面質(zhì)量要求高的材料。超聲振動(dòng)加工技術(shù)被認(rèn)為是機(jī)械加工行業(yè)重要發(fā)展方向。超聲振動(dòng)技術(shù)解決了很多切削關(guān)鍵性技術(shù)難題，獲得良好反饋。超聲振動(dòng)切削屬于脈沖切削，刀具和工件在切削的一個(gè)脈沖周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)接觸和分離，完成加工過(guò)程。脈沖切削力僅為普通切削十分之一到三分之一大小。周期性的切削過(guò)程使得切削液在工件與刀具分離時(shí)可充分進(jìn)入切削區(qū)，切削液及時(shí)填充到刀具與工件之間，可減少刀具磨損，切屑不易堆積，工件表面更耐磨、防腐蝕。根據(jù)超聲振動(dòng)理論研究，設(shè)計(jì)新型超聲振動(dòng)系統(tǒng)，制造實(shí)用新型設(shè)備設(shè)施已成為超聲振動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)與研究方向。超聲橢圓振動(dòng)切削、超聲銑削加工技術(shù)都已成為超聲振動(dòng)切削技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

2.2超聲復(fù)合加工技術(shù)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)化學(xué)工業(yè)水平不斷提高，涌現(xiàn)大量新型材料，其中一些材料加工難度高，即使使用超聲振動(dòng)技術(shù)進(jìn)行加工，加工效果也不理想。為解決新材料加工難題，使用超聲加工與傳統(tǒng)機(jī)械加工相結(jié)合形成復(fù)合加工技術(shù)，或者將材料經(jīng)特種加工之后再使用超聲復(fù)合加工技術(shù)。復(fù)合加工技術(shù)綜合了超聲振動(dòng)加工和傳統(tǒng)機(jī)械加工的優(yōu)點(diǎn)，加工效果勝過(guò)單一加工技術(shù)。超聲電解拋光加工、超聲鉆孔、超聲激光復(fù)合加工以及超聲振動(dòng)磨削等復(fù)合加工技術(shù)憑借實(shí)用性強(qiáng)、加工效率高、耗能低的核心優(yōu)勢(shì)，成為機(jī)械制造加工領(lǐng)域的重要技術(shù)研究方向。

2.3綠色超聲振動(dòng)加工技術(shù)

在中國(guó)制造2025戰(zhàn)略中，綠色制造是我國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)時(shí)期的重要發(fā)展方向，制造型企業(yè)應(yīng)深入貫徹執(zhí)行環(huán)境保護(hù)相關(guān)管理?xiàng)l例和法案，在關(guān)注企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，更要重視環(huán)境保護(hù)工作。目前機(jī)械加工領(lǐng)域普遍運(yùn)用的大多數(shù)超聲振動(dòng)切削技術(shù)會(huì)產(chǎn)生切削廢液造成環(huán)境污染，相關(guān)研究人員和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始研究環(huán)境友好加工方式，例如不使用切削液的干式切削以及使用惰性氣體作為切削介質(zhì)的超聲振動(dòng)電火花加工方式。在未來(lái)的制造業(yè)中，綠色制造將會(huì)成為核心指導(dǎo)思想。

3結(jié)語(yǔ)

國(guó)家經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展推動(dòng)工業(yè)水平提升，新材料合成工業(yè)的進(jìn)步又促進(jìn)了機(jī)械加工技術(shù)的革新。為解決脆硬新材料加工問(wèn)題，超聲振動(dòng)加工方式應(yīng)運(yùn)而生。超聲振動(dòng)加工方法在科學(xué)研究以及企業(yè)生產(chǎn)制造中廣泛應(yīng)用。超聲振動(dòng)加工技術(shù)以及超聲復(fù)合加工技術(shù)在微細(xì)制造以及模具腔面研磨拋光應(yīng)用領(lǐng)域極具優(yōu)勢(shì)，綠色超聲振動(dòng)加工技術(shù)是今后超聲加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

基金項(xiàng)目：甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目（2018A-130）。

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