超声加工技术发展历程及趋势

摘要：结合近年来国内外超声加工技术的发展状况，综述了超声加工技术的发展历程和超声加工技术在超声振动切削技术、超声复合加工技术、微细超声加工、旋转超声加工等方面的最新应用成果，并综合与归纳了超声加工技术的发展趋势及研究方向。

关键词：超声加工；超声复合加工技术；发展趋势

Abstract: In recent years, combined with ultrasonic machining technology development at home and abroad, and reviewed the development process of ultrasonic machining technology and ultrasonic machining technology for the newest application of the results in terms of ultrasonic vibration cutting technology, ultrasonic composite processing technology, micro ultrasonic machining, rotary ultrasonic machining, etc. and integrated and summarized trends and research directions ultrasonic machining technology.

Keywords:ultrasonic machining;development trends;Ultrasonic composite processing technology

1 引言

随着汽车、航空航天、工程机械等行业的高速发展，对高硬度零件的需求正在日益旺盛，由此也促进了陶瓷、复合材料、硅、石英、铁氧体、宝石、玻璃和硬质合金等材料的使用。由于这些材料均具有高硬度、易脆性，以及零件形状复杂，使用传统的加工方式加工相当困难，而采用电火花加工和电化学加工却只能加工金属导电材料，不易加工不导电的非金属材料。然而超声加工不仅能加工脆硬金属材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体等不导电的非金属脆硬材料。超声加工是利用超声振动工具，在有磨料的液体介质或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击以及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声加工具有很强的工艺优势，切削力小、切削热低、工件表面质量高、精度高、切屑易处理、刀具耐用度高、加工稳定、生产率高，能很好地解决难加工材料、非金属材料、表面质量要求高的零件加工问题，作为新兴的特种加工技术受到了国内外专家和学者的广泛关注，得到了业界的公认，是机械加工行业的一个重要发展方向之一［2］。近年来，超声加工在超声加工装置、微细超声加工、拉丝模及型腔模具抛光、超声振动切削、难加工材料加工、超声复合加工、旋转超声加工等领域有着较广泛的应用研究，解决了许多关键性的问题，取得了良好的效果。 2 超声加工技术的发展历程

超声加工起源于20世纪50年代初。最早研究超声加工技术的国家是日本。70年代中期，日本对振动切削与超声磨削方面的研究已相当深入且已应用于生产。日本研究超声振切最有权威的代表人物主要有两位：一位是中央大学的岛川正憲，他出版的是《超音波工学——理论和实际》；另一位是宇都宫大学的隈部淳一郎教授，他在19xx年提出了系统的振动切削理论，发表了大量的论文，出版了《精密加工、振动切削基础及应用》专著，首先把振动切削理论成功地应用于车、刨、铣、钻、镗、铰、拉、磨削、螺纹加工、齿轮加工、抛光、珩磨、拉伸与挤压等冷热加工领域，取得了意想不到的效果与显著的经济效益。

20世纪50年代末60年代初，原苏联对超声加工研究也发表过很有价值的论文。其在超声车削、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效益。1973 年，前苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声加工的经济效果和实用价值，对这项新技术在全国的推广应用起到了积极的作用。

美国于20世纪60年代初开始对超声加工进行研究。由于当时超声加工技术还不是很成熟，包括声振系统、换能器、发生器的设计制造和质量都较差，因此停止了其研究工作。在［1］

20世纪70年代中期，其超声钻中心孔、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；通用超声振动切削系统已供工业应用，目前已形成部分标准。

我国超声加工的研究始于20世纪50年代末，由于当时超声波发生器、换能器、声振系统的不成熟，缺乏合理的组织和持续的研究工作，很快就冷了下来［3］。目前，吕正兵、徐家文对工程陶瓷超声加工进行了基础的实验研究，得出了工程陶瓷超声加工的一些规律，为今后工程陶瓷的应用提供了更为广阔的前景［4］；王超群等人利用改装后的数控超声加工装置对Al2O3 进行了工艺试验，其数控超声加工是对传统超声加工的技术创新，具有传统超声加工

［5］所无法比拟的特点，初步掌握了对Al2O3 的加工工艺规律。梁晶晶等人用超声加工技术对

陶瓷进行的加工中，介绍了超声加工的原理和特点，综述了国内外超声加工在陶瓷材料加工方面的应用研究，并对二维超声振动磨削加工技术在陶瓷加工中的可行性进行了分析，为拓展超声加工应用领域与技术发展提供借鉴。郑建新等人通过数学物理模型分析超声加工声学系统的动力学规律，探讨工具杆的局部共振现象，得出当工具杆发生局部共振时，变幅杆和工具杆连接处为位移节点，且此时系统处于谐振状态的结论；并推导了超声波发生器的可调频率范围与刀具杆的磨损率关系［7］。随着超声加工设备的不断完善和理论研究的不断深入，它将在我国技术进步和社会主义现代化建设中起到重要的作用。

3 发展趋势与研究方向

3.1 超声振动切削技术

（1）设计和发展新型超声振动系统与实用高效的设备装置

通过改变某个单独的零部件，配之以相应的控制系统，而不需要改变机床或装置的整体结构，设计一个或数个机床附件，实现超声加工；采用大功率的振动切削系统不断地提高加工效率、减少能耗；针对不同领域加工的需要，开辟新型超声加工系统，如对变幅杆进行不同于以往结构形式的设计，设计超声拉丝换能器等，这些都是未来超声振动系统及其相应设备装置设计研究的重要考虑方向。

（2）对超声振动机理的研究

目前，虽然对超声振动切削机理的研究内容相对较多，且取得一定的成果，但由于受到理论分析和检测手段等诸多原因的限制，对其机理的研究大都是根据各自的试验表象以及所得到的工艺效果分析而得，尚缺乏统一的、科学的定量描述和认识，对其机理的研究也成为这一技术能否在实际生产中进行大规模推广利用的前提。今后研究主要集中在以下几个方面：（a） 研究超声振动状态下工件上多余金属是如何与工件相分离并形成切屑的，位错理论是超声振动切削过程中切屑形成的较好解释。（b）对超声振动切削过程进行动力学分析，得出超声振动切削过程中的位移、速度、加速度以及刀具与工件的相互力学作用。（c）对超声振动切削工艺过程进行数学描述并建立数学模型。对超声振动切削过程的数学描述和数学模型建立是我国超声振动技术研究的重要内容，通过数学模型的建立，能够为超声振动切削的深入研究和超声振动技术的实际应用提供良好的理论基础。（d）对超声振动切削机理研究向着微观方向突破。随着电子仿真和众多力学、电磁学等工程分析软件的运用使得对超声振动切削微观机理的研究进入新的阶段，诸如利用有限元分析软件Ansys 等分析振动切削过程中的应力、应变，在微观层面分析切削机理。

（3）超声椭圆振动切削

超声椭圆振动切削技术使刀具以椭圆振动轨迹对工件进行切削，避免了刀具后刀面与已加工表面的摩擦，有效抑制了刀具的崩刃破损，超声椭圆振动切削中切屑与刀具前刀面之间的摩擦力可以有助于切屑的排出，有效地抑制了毛刺和刀具处积屑瘤的产生，提高了加工精度和刀具寿命。我国自行研制的超声椭圆车削系统用金刚石刀具在瑞士SI-235车床上对YL12进行试验，得到的工件表面粗糙度为Ra0.06，工件外圆表面接近镜面，当车削距离达［6］

到3000m后，金刚石刀具没有出现崩刃现象，磨损也很小。北京航空航天大学李勋等［8］［9］对超声椭圆振动切削过程和三维切削模型进行了分析，阐述了超声椭圆振动切削表面微观形貌的形成机理主要是由进给方向上的刀纹残留面积高度和切削方向上的振纹相互交织而形成的。国内外学术界和企业界对超声椭圆振动切削展开了研究，取得了一定的成绩，但是，在理论和应用方面仍有大量工作需要去做，尤其在硬脆材料的精密、超精密加工领域的推广研究方面需进一步研究。

（4）超声铣削加工技术

超声铣削加工是比较新的加工方法，关于加工参数优化方面的资料较少，需要加强研究，

［10］以便为超声铣削提供参考。有学者提出了基于分层制造原理的超声波铣削加工技术，该

技术采用简单形状工具，依靠机床的成型运动逐层加工复杂的三维型面，使复杂的工具形状补偿问题转化为简单工具轴向补偿问题，极大地简化了工艺过程和数控工具补偿的难度，从而有效地保证加工过程的可控性和被加工工件的精度，未来需加大对该技术的优化研究和实际生产应用推广。

3.2 超声复合加工技术

3.2.1 与多种加工方式结合

随着新材料特别是难加工材料的不断涌现，即使采用一般的超声加工也难以获得理想的加工效果，而采用超声复合加工技术则可以获得更理想的效果，将超声加工与其他一种或数种加工方式结合起来进行生产加工，可以综合超声加工和其他加工的优点，获得良好的加工效果，如将超声振动研磨与脉冲电解加工相结合，可以获得比一般的脉冲电解加工更快的速度，比一般超声振动研磨加工更高的精度，超声复合加工具有独特的威力，将成为未来发展的重要趋势。

3.2.2 向绿色制造方向发展，实现无污染加工

绿色制造已成为21世纪制造业的重要发展方向。目前大多数的超声加工中由于采用切削液体而给环境造成了污染，人们已经开始探索对环境污染少甚至没有污染的加工方式，如在无切削液条件下进行超声振动干式切削，在超声振动电火花加工中用气体作为介质进行加工，避免了一般超声加工过程中使用工作液而产生有害气体造成的环境污染问题，未来研究新的绿色制造方法和新型工作介质是实现少污染、无污染的关键问题。

3.3 微细超声加工

目前有两种微细超声加工模式用于微结构和微型零件的加工，即：成形加工和分层扫描加工，微细超声加工中工具损耗严重，现在的工具损耗主要集中在成形加工工艺方面，所以未来需要在分层扫描工艺方面研究工具损耗率和损耗特性。迄今为止，尚无针对微细超声加工的实用的材料去除率模型，需要在现有的常规模型基础上，综合考虑工具硬度、磨料粒度、材料韧性、进给和振动参数等因素建立新的材料去除率模型。尽管在微细超声加工方面已有大量的实验研究，但理论研究相对不足，需要科研人员做进一步的分析研究。

3.4 旋转超声加工

国内先进超声加工机床的研制十分落后，至今还找不到市场化的旋转超声加工机床；在旋转超声加工中，如何实现工具与超声振动系统之间的有效连接，平稳传递超声能量；如何实现超声加工机床的高旋转和超声能量的有效传递与耦合；材料去除机理模型只适用于研究者所用的工件材料，需通过一定方式，综合考虑多种作用机理建立新的适合硬脆材料旋转加工的材料去除机理模型；将加工过程中的力与扭矩大小和加工过程中的能量分配联系起来等等都将是未来旋转超声加工的重要研究所在［11］。

3.5 向新领域拓展

超声加工在制造业领域已经取得了显著的成果，在军事、航空航天、汽车工业等都有广泛应用，随着超声加工技术的不断进步，该技术向新领域迅猛发展，在生物学领域、日常生

活等方面拓展，有学者［12］将超声振动引入微切割领域，开发了一套基于超声振动的显微切割系统，研制了面向生物显微切割技术的执行模块与控制模块，实现了系统的集成，并利用该系统对新生小鼠大脑组织进行超声振动显微切割实验，证明了该技术的可行性和有效性。 4 结语

对当前国内外超声加工技术研究现状的总结，能够更好地洞悉超声加工的发展动向，便于把握行业发展的脉搏。超声加工技术在其加工装置和应用领域取得了巨大的成果，加工装置的不断改进推动了应用领域的拓展；应用领域的新发展又要求加工装置必须不断更新，这样促进了科研人员、技术人员及相关从业人员不断地发挥智慧和力量，如此形成良性循环，有利于超声加工技术、机械行业及相关行业的进步。展望未来，超声加工技术的发展任重道远。

［参考文献］

［1］ 曹凤国，张勤俭.超声加工技术的研究现状及其发展趋势［J］.电加工与模具，2005（增刊）：25-31.

［2］ 刘晋春，赵家齐，赵万生.特种加工［M］.北京：机械工业出版社，2007. ［3］张云电.超声加工及应用［M］.北京：国防工业出版社，1995.

［4］吕正兵，徐家文.工程陶瓷超声加工的基础实验研究［J］.电加工与模具，2004（2）：57－60.

［5］王超群，李洁，康敏.数控超声加工Al2O3的工艺试验［C］.中国机械工程学会年会，2007.

［6］梁晶晶，刘永姜，吴雁，等.超声加工技术及其在陶瓷加工中的应用［J］.机械管理开发，2008，23（1）：63－64.

［7］郑建新，徐建文，刘传绍，等.超声加工中局部共振机理的模拟试验研究［J］.南京航空航天大学学报，2006，38（5）：644－648.

［8］ 肖华，等.实用化振动切削技术-椭圆振动车镗工艺及装备［J］.新技术新工艺，2006

（12）：36-37.

［9］ 李勋，张德远.超声椭圆振动切削表面形貌形成机理的研究［J］.中国机械工程，2009，20（7）：807-811.

［10］ 冯冬菊.超声波铣削加工原理及相关技术研究［D］.大连：大连理工大学，2005. ［11］ 郑书友，等.旋转超声加工技术研究进展［J］.清华大学学报，2009，49（11）：1799-1803. ［12］ 杨克己，吴佳杰.基于超声振动的显微切割技术［J］.工程设计学报，2009，16（1）：58-62 （编辑黄荻）

第二篇：特种加工课后答案 第四章

第四章 电化学加工

1．从原理和机理上来分析，电化学加工有无可能发展成为"纳米级加工"或"原子级加工"技术？原则上要采用哪些措施才能实现？

答：由于电化学加工从机理上看，是通过电极表面逐层地原子或分子的电子交换，使之在电解液中"阳极溶解"而被去除来实现加工的，可以控制微量、极薄层"切削"去除。因此，电化学加工有可能发展成为纳米级加工或原子级的精密、微细加工。但是真的要实现它，从技术上讲还有相当难度。主要是由于电化学加工的实质是实现选择性阳极溶解或选择性阴极沉积，只要能把这种溶解或沉积的大小、方向控制到原子级上就可以了。但是由于它们的影响因素太多，如温度、成分、浓度、材料性能、电流、电压等，故综合控制起来还很不容易。

2．为什么说电化学加工过程中的阳极溶解是氧化过程，而阴极沉积是还原过程？ 答：从电化学过程来说，凡是反应过程中原子失去电子成为正离子（溶入溶液）的，称为氧化，反之，溶液中的正离子得到电子成为中性原子（沉积在阴极上）的称为还原，即由正离子状态还原成为原来的中性原子状态。例如在精炼电解铜的时候，在电源正极上纯度不高的铜板上的铜原子在电场的作用下，失去两个电子成为Cu 2+正离子氧化而溶解入CuCl2溶液，而溶液中的Cu 2+正离子在阴极上，得到两个电子还原成为原子而沉积在阴极上。

3．原电池、微电池、干电池、蓄电池中的正极和负极，与电解加工中的阳极和阴极有何区别？两者的电流（或电子流）方向有何区别？

答：原电池、微电池、干电池和蓄电池中的正极，一般都是较不活泼的金属或导电体，而其负极，则为较活泼的金属。例如干电池，正极为不活泼的石墨（碳）棒，负极为活泼金属锌，蓄电池的正极是不活泼的铅。金属与导电液体形成的微电池中的正极往往是不活泼的碳原子或杂质。两种活泼程度不同的金属（导电体）在导电溶液中发生电化学反应能产生电位差，电位较正的称为"正极"，流出电流（流入电子流），电位较低的流入电流（流出电子流）。电解加工时人为地外部加以电源，接电源正极称阳极，接电源负极的称阴极，阳极表面流出电流（流入电子流），阴极表面流入电流（流出电子流），两者的方向仍一致，见图4 -1。

4．举例说明电极电位理论在电解加工中有什么具体应用？

答：电极电位理论在研究、分析电解加工中有很重要的作用，具体应用在：

1）分析电极上电化学反应的产物

在电解加工时，在阴阳两极都有电化学反应，可能参

与反应的有电极金属材料、电解液中的有效成分以及水的电离产物H +、OH 。但真正能在电极上完成电化学反应的是什么？则需要应用电极电位理论加以分析判断。即：在阳极上，只有电极电位最"－"的离子才能参与反应。

2）估计某种金属材料电解加工的质量和可加工性 每一种金属材料都是由不同元素所组成（真正由单一元素组成的材料极少），而在电解加工时，人们希望阳极金属的电解过程是均匀的。只有这样，加工表面的粗糙度值才会比较好，加工过程才能平稳。如果阳极金属材料的组成元素其电极电位相差很大，则在电解加工中会由于一些元素的电极电位较"＋"，而不能及时溶解，使加工表面形成一些凸出点，造成加工表面粗糙度值增大。更为严重的是这种凸出的质点会造成加工过程的短路、烧损电极，甚至使加工无法进行。例如铸铁和高碳钢中有C及Fe 3C存在，它们的电极电位高达+0.37V，而Fe/Fe 2+的电极电位仅为－0.59V，因 此C及Fe 3C在电解加工中几乎无法被阳极溶解而最终形成凸出质点，从而造成铸铁、高碳钢甚至渗碳钢的电解加工可加工性很差。

5．阳极钝化现象在电解加工中是优点还是缺点？举例说明。

答：电极钝化现象的存在，使电解加工中阳极溶解速度下降甚至停顿。从生产率的角度出发人们不希望选用能产生钝化现象的钝化型电解液。

但是，当采用 NaCl 等非钝化型电解液工作时，虽然生产率很高，但因为杂散腐蚀严重，成形精度较差，严重影响了电解加工的应用。而当采用钝化型电解液加工时，尽管电极工具的非工作面没有绝缘，但当加工间隙达到一定尺寸后，对应的工件表面就会产生钝化膜，可以避免产生杂散腐蚀，提高加工精度，促进电解加工的推广应用。

电解磨削、电解研磨等加工方法也是利用了阳极钝化现象的存在而开发出来的。它们利用了钝化膜对金属表面的保护作用，采用机械去除钝化膜的方法，使金属微观表面凸点的钝化膜被刮除，并迅速电解，而低凹处的钝化膜起保护作用，使局部不被电解，最终使金属表面的整平作用加快，可实现精加工。

6．在厚度为 64mm的低碳钢钢板上用电解加工方法加工通孔，已知阴极直径?24mm，端面平衡间隙? b＝0.2mm。求：（1）当阴极侧面不绝缘时，加工出的通孔在钢板上表面及下表面其孔径各是多少？（ 2）当阴极工具侧面绝缘，且阴极侧面工作圈高度 b=1mm 时，所加工出的孔径是多少？

7．电解加工（如套料、成形加工等）的自动进给系统和电火花加工的自动进给系统有何异同？为什么会形成这些不同？

答：一般电解加工自动进给系统主要是控制均匀等速的进给速度，它的大小是事先设定的。进给速度的大小与端面平衡间隙有直接关系（双曲线关系），而端面平衡间隙又直接影响到阴极形状（成形加工时）。在正常电解加工时，主要依照电流的大小来进行控制，但在电极开始进入或即将退出工件时，由于加工面积的变化，则不能按照电流的大小进行控制。电火花加工的自动进给控制系统的目的是保证某一设定加工间隙（放电状态）的稳定，它是按照电极间隙蚀除特性曲线和调节特性曲线来工作的，它的进给速度不是均匀等速的。之所以形成这种不同的进给特性，主要是电解加工中存在平衡间隙，进给速度大，平衡间隙变小。在进给方向、端面上不易短路；而电火花加工中不存在平衡间隙，进给速度稍大于蚀除速度，极易引起短路，所以必须调节进给速度以保证放电间隙。

8．电解加工时，何谓电流效率？它与电能利用率有何不同？如果用 12V 的直流电源(如汽车蓄电池)作电解加工，电路中串联一个滑杆电阻来调节电解加工时的电压和电流(例如调到两极间隙电压为 8V)，问：这样是否会降低电解加工时的电流效率？为什么？

答：电解加工时的电流效率是指按照法拉第电解定律所计算出的理论金属蚀除量与实际金属蚀除量之比。由于在电解加工阳极溶解的同时，还会出现如析氧等副反应，因此电解加工时电流效率一般小于 1。

电能利用率是指电源输入的总能量在电解加工中用了多少，在其它方面（如线路损耗）又用了多少。如题所示，利用滑杆电阻可以调节电解加工时的输入电流、电压，而滑杆电阻本身产生的热损耗与电解加工无关。滑杆电阻的热损耗愈大，电能利用率愈低。而经过滑杆电阻调节电压、电流之后进行电解加工时，它的电流效率并没有变化，仍然是按照法拉第电解定律计算，与其它因素无关。

9．电解加工时的电极间隙蚀除特性与电火花加工时的电极间隙蚀除特性有

何不同？为什么？

答：电解加工时，电极间隙蚀除特性曲线是一条双曲线，即? a ?? C（常数）如图 4-3a 所示；而电火花加工的蚀除特性曲线则是一条蚀除速度在起点和终点都为零的上凸二次曲线，如图 4-3b 所示。

电解加工时，只要电极不发生短路，电极间隙愈小，阳极工件的蚀除速度就愈高，生产率就愈高；反之，当电极间隙变大时，蚀除速度将下降。

电火花加工时，当放电间隙为零时，蚀除速度也为零。其实，当放电间隙很小时，排屑困难，短路率增加，蚀除速度将大大下降，甚至无法正常加工；而当放电间隙过大时，间隙无法击穿，蚀除速度也为零（相当于非线性电解液中电解加工时有一"切断间隙"）。

10．如何用电极间隙的理论进行电解加工阴极工具的设计？

答：电解加工时的蚀除速度应遵循双曲线规律，即? a ?? C 。对平板电极而言，当电极进给速度与阳极蚀除速度相等时，电极间隙相对平衡不变，称为端面平衡间隙。对于曲面电极各法线方向的平衡间隙等于：