超声振动加工在科研和企业生产中的应用

    王栋梁

    摘 要 随着经济的发展和科技的进步，各个行业逐步实现产业升级，航空航天、精密电子仪器仪表、自动化设施对机械零件的加工精度和表面质量标准不断提高。与此同时伴随着我国化学合成工业的发展壮大，研发生产出各种硬度高、密度大等加工难度大的新型材料，高效加工技术成为企业产业升级技术壁垒。超声振动加工技术可有效优化加工过程，提高加工质量。本文主要研究超声振动加工技术，阐述超声振动加工在科研和企业生产中的应用。

    关键词 超声振动 加工 应用

    中图分类号：TH16 文献标识码：A

    1超声振动加工的研究应用领域

    1.1微细制造

    超声振动加工可用于微细制造，有效避免因加工深径比大导致加工过程中切削温度高、散热不良、钻头易损坏、出屑不畅等一系列影响加工效率、质量问题。日本在超声微细加工领域有一定实力，日本东京大学生产技术研究所已成功利用超声加工技术在石英玻璃上加工出直径最小可达5 m的微孔。日本京都工业大学经过反复实验研究，制造出微细群孔，使用电极、孔、轴反复打磨创造研究新方向。我国北京航空航天大学姜鹏飞研发了一种新型深小孔轴向振动超声加工系统，入钻容易，定心精度提高，加工过程中不易产生“积食现象”，加工效率提高可提高3倍以上。德国西门子公司在微细制造领域实力雄厚，超声系统设备设施齐全，超声振动加工专利数量惊人。

    1.2研磨抛光

    在超声作用下金属丝可发生拉拔变形，实现截面缩减工艺。超声振动加工技术运用到拉拔过程中，可有效降低拉拔力，确保加工效率和质量。采用超声波加工技术可有效提高模具型腔面制造精度，确保生产模具质量。哈尔滨工业大学谢涛研究团队主要研究超声振动对金属拉拔过程影响，在采用有限元法分别对传统拉丝和超声拉丝过程进行仿真之后， 根据 1/4 波长理论研究制造出一种超声拉丝专用换能器，最终验证了超声振动可明显降低金属拉丝过程中的拉拔力，金属丝变形均匀度有一定提高，表面质量也得到良好改善。格力集团将超声振动加工技术应用到模具研磨抛光过程中，有效提高制造质量，保障工业4.0改革顺利进行。

    1.3难加工材料的超声加工

    硬度极高和脆性强的工程陶瓷以及工程塑料等材料，加工生产困难重重，海内外众多专家和学家纷纷展开研究，普遍认为超声振动加工技术研究前景广阔。国内的张辽远研究团队立足于沈阳理工大学现有研究基础，对电镀金刚石线锯超声切割并加工脆硬性材料展开研究。苏州大学的陈欢等人专门研究高精度超薄水晶片的超声加工方法，对其他陶瓷材料延性域磨削研究起启示作用。许庆顺研究队伍与企业合作组建实验室，通过研究不锈钢磨削试验，以普通砂带磨削作对照组实验，实验验证得超声振动精密砂带磨削可实现工件加工无划痕、粗糙值非常小、工件应力小、形状保持完整、无热损伤、磨削力极小，具有更高的经济使用价值。

    2超声振动加工技术的研究方向

    2.1超声振动切削技术

    超声振动加工工艺优势明显，切削过程中工件受力小、发热低，工件表面质量好、精度高，残留切削易处理，有效解决金属材料、難加工材料以及表面质量要求高的材料。超声振动加工技术被认为是机械加工行业重要发展方向。超声振动技术解决了很多切削关键性技术难题，获得良好反馈。超声振动切削属于脉冲切削，刀具和工件在切削的一个脉冲周期内实现接触和分离，完成加工过程。脉冲切削力仅为普通切削十分之一到三分之一大小。周期性的切削过程使得切削液在工件与刀具分离时可充分进入切削区，切削液及时填充到刀具与工件之间，可减少刀具磨损，切屑不易堆积，工件表面更耐磨、防腐蚀。根据超声振动理论研究，设计新型超声振动系统，制造实用新型设备设施已成为超声振动发展趋势与研究方向。超声椭圆振动切削、超声铣削加工技术都已成为超声振动切削技术的研究热点。

    2.2超声复合加工技术

    随着我国经济持续增长，我国化学工业水平不断提高，涌现大量新型材料，其中一些材料加工难度高，即使使用超声振动技术进行加工，加工效果也不理想。为解决新材料加工难题，使用超声加工与传统机械加工相结合形成复合加工技术，或者将材料经特种加工之后再使用超声复合加工技术。复合加工技术综合了超声振动加工和传统机械加工的优点，加工效果胜过单一加工技术。超声电解抛光加工、超声钻孔、超声激光复合加工以及超声振动磨削等复合加工技术凭借实用性强、加工效率高、耗能低的核心优势，成为机械制造加工领域的重要技术研究方向。

    2.3绿色超声振动加工技术

    在中国制造2025战略中，绿色制造是我国传统制造业转型升级时期的重要发展方向，制造型企业应深入贯彻执行环境保护相关管理条例和法案，在关注企业经济效益的同时，更要重视环境保护工作。目前机械加工领域普遍运用的大多数超声振动切削技术会产生切削废液造成环境污染，相关研究人员和研究机构已经开始研究环境友好加工方式，例如不使用切削液的干式切削以及使用惰性气体作为切削介质的超声振动电火花加工方式。在未来的制造业中，绿色制造将会成为核心指导思想。

    3结语

    国家经济的蓬勃发展推动工业水平提升，新材料合成工业的进步又促进了机械加工技术的革新。为解决脆硬新材料加工问题，超声振动加工方式应运而生。超声振动加工方法在科学研究以及企业生产制造中广泛应用。超声振动加工技术以及超声复合加工技术在微细制造以及模具腔面研磨抛光应用领域极具优势，绿色超声振动加工技术是今后超声加工技术的发展趋势。

    基金项目：甘肃省高等学校科研项目（2018A-130）。

    参考文献

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