先进磨削技术论文.docx

东北大学研究生考试试卷评 分考试科目： 先进切削加工技术课程编号： 阅卷人： 考试日期： 2012.12 姓 名： 赵娜 学 号： 1200525 注意事项1．考 前 研 究 生 将 上 述 项 目 填 写 清 楚2．字 迹 要 清 楚，保 持 卷 面 清 洁3．交 卷 时 请 将 本 试 卷 和 题 签 一 起 上 交东北大学研究生超声加工技术的研究超声磨削加工技术摘要本文结合近年来超声加工技术的发展状况，并着重对超声磨削加工技术的发展现状 加以阐述，并对超声磨削加工技术在难加工材料（陶瓷）的应用进行了详细的分析，在 文章最后指出了超声加工技术的发展前景关键词：超声；磨削；难加工；陶瓷；The research on the Ultrasonic processingtechnology——Ultrasonic grinding processing technologyAbstractThis paper combined ultrasonic machining technology in recent years, and focused on the ultrasonic grinding processing technology development under present condition.And then the explanation on the ultrasonic grinding technology in difficult-to-machine materials (ceramic) application are analyzed in detail. At the end, the paper pointed out that the ultrasonic machining technology development prospects.Key words: ultrasonic ; grinding; difficult-to-machine materials; ceramic.引言随着科学技术的进步，金属间化合物、工程陶瓷、石英、光学玻璃等硬脆材料以及 各种增韧、增强的新型复合材料因其高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、耐腐蚀 等优点在航空航天、国防科技、生物工程、计算机工程等尖端领域中的应用日益广泛； 但由于这些材料的脆硬特性，传统加工方法已不能满足对这些材料零件的精密加工要 求，因此有关其精密超精密磨削加工技术便成为世界各国研究的热点。

超声振动精密磨 削技术便是顺应这一需要而发展起来的技术之一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［1］，尤其是在难加工 材料的领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果超声加工技术的经历了从传统超声波加工到旋转超声波加工的发展阶段，旋转式超 声加工是在传统超声加工的工具上叠加了一个旋转运动这种加工用水带走被去除的材 料并冷却工具，不需要传统超声加工中的磨料悬浮液，因此，这种方法被广泛的运用于 超声振动磨削加工中1.超声振动磨削加工技术的基本理论“超声波”用来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于 16kHz 以上的所有频率超声波的上限频率范围主要是取决于发生器，实际用的最高频 率的界限，是在 5000MHz 的范围之内在不同介质中波长范围非常广阔，例如在固介 质中传播频率为25kHz的波长约为200mm；而频率为500MHz的波长约为0.008mm超声波发生器将工频交流电能转变为一定功率输出的超声频电振荡，换能器将超声 频电振荡转变为超声机械振动，通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具 振产生超声波振动，迫使磨料悬浮液高速的不断撞击、抛磨被加工表面使工件成型。

因 此超声加工是利用超声振动的工具，带动工件和工具间的磨料悬浮液，冲击和抛磨工件 的被加工部位，使其局部材料被蚀除而成粉末，以进行穿孔、切割和研磨等，以及利用 超声波振动使工件相互结合的加工方法（见图 1）超声振动磨削技术的基本原理为：由超声波发生器产生的高频电振荡信号（一般为 16〜25KHz ）经超声换能器转换成超声频机械振动，超声振动振幅由变幅杆放大后驱动 工具砂轮产生相应频率的振动，使刀具与工件之间形成周期性的切削即工具砂轮在旋 转磨削的同时做高频振动超声振动磨削技术是由超声波发生器产生的高频电振荡信号（一般为 16〜25KHz） 经超声换能器转换成超声频机械振动，超声振动振幅由变幅杆放大后驱动工具砂轮产生 相应频率的振动，使刀具与工件之间形成周期性的切削即工具砂轮在旋转磨削的同时 做高频振动2.超声振动磨削加工技术的研究现状2.1 超声振动磨削技术的发展表1 超声振动磨削技术的进展时间人物或国家技术进展1927 年R.W.Wood 和A.L.Loomis首次提出“超声加工”概念1945 年L.Balam uth申请超声加工的专利20世纪50〜60年代日本学者隈部淳一郎提出振动切削理论并成功实现振动磨削加工1960 年英国Hawell原子能研究中心发表了许多对振动切削进行系统研究的论文1986 年日本学者石川健一首次提出了“椭圆振动切削方法”20世纪90年代初日本神户大学社本英二等人解决了金刚石不能加工黑色金属的难题，使这项技术达到了实用化阶段20世纪50年代中国对超声振动磨削机理进行了探索研究1976 年我国再次开展超声加工的试验研究和理论探索1983 年《机械工艺师》杂志社召开了中国首次“振动与切削专题讨论会”1985 年机械电子工业部第11研究所研制成功超声旋转加工机1987 年北京市电加工研究所成功研发超硬材料超声电火花复合抛光技术80年代后期天津大学李天基等提出了咼效的超声磨削复合加工方法90年代后成为科研机构和大学院校的研究热点2.2 超声振动磨削技术在国内外的研究现状2.2.1 国外研究现状1993 年，美国堪萨斯州立大学 D.Prabhakar 等人提出了一种超声旋转加工陶瓷材料 去除率的理论模型，并试验证明了与普通磨削相同的条件下旋转超声加工工具具有低的 切削力和相对高的材料去除率。

1996 年东京大学的增泽隆久等人用超声激振方式在结构陶瓷材料上加工出了直径 为5Pm的微孔1998 年德国工业大学 E.Uhlman、G.Spur 等人在 48 届 CIPR 年会上提出在加工表面 的法向施加超声振动，材料的去除率大大提高，并试验证明了在提高材料去除率的同时， 并不会对表层造成损伤1999 年，德国 Kaiserslautern 大学的 G．Warnecke 指出，在磨削新型陶瓷和硬 金属等硬脆材料时，磨削过程及结果与材料去除机理紧密相关美国内布拉斯加大学和内华达大学对A1203陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进 行了研究通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制进行分析，研究发现， 低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲击力会导致中心裂纹和凹 痕美国内布拉斯加大学还第一次分析了 A12O3陶瓷精密超声加工的机理、过程动力学 以及发展趋势，并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况巴西的研究人员对石英晶体的超声研磨技术进行了研究，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研究指出，加工 过程中材料产生微裂纹是材料去除的主要原因。

日本的吴勇波等人建立了超声振动辅助磨削的实验装置并研究了磨削不锈钢内孔 时超声振动对表面粗糙度和切削力的影响，研究发现，当施加 19.2KHz 超声振动后， 表面粗糙度可以减少 20％；法向力减少 65％，切向力减少 70％2.2.2 国内研究现状国内众多知名院校均对超声振动加工方面进行了研究，超声振动磨削机理的研究在 这一时期取得了一系列的理论成果哈尔滨工业大学的吴永孝、张广玉等人研制的超声波振动小孔内圆磨削系统在小孔 磨削提高磨削效率和加工精度等方面取得了一定的成效，但其使用的磁致伸缩换能器发 热大，需要加装制冷装置致使其结构复杂，且超声电能的供应采用的是碳刷集流环的传 统供电方式河北工学院的李健中等人对超声振动磨削的材料去除机理、表面创成机理、表面粗 糙度等进行了一系列的研究利用自行研制的超声振动磨削装置使砂轮磨削的同时作轴 向超声振动，通过试验得知，由于高频振动，砂轮不易堵塞，保持磨粒锋利性，提高了 磨削效率；磨削表面形成网状结构，加工表面质量较好1998 年前后兵器工业第五二研究所杨继先、张永宏等人通过对外圆磨床的改造进 行了超声振动内圆磨削试验研究，验证了超声振动内圆磨削可明显地提高陶瓷加工效 率，能有效地消除普通磨削产生的表面裂纹和崩坑的效果，提高磨削圆度。

1999 年上海交通大学赵波等利用自行研制的超声振动珩磨机床对工程陶瓷发动机 缸套类零件进行了超声振动磨削试验研究．加工表面微裂纹大幅度减少，加工效率和加 工表面质量均得纠很大提高，加工工具耐用度比普通磨削提高至少 3 倍 ［2］2000 年前后，天津大学于思远、刘殿通、李天基等人对各种先进陶瓷小孔加工进 行了系统研究，采用无冷压电陶瓷换能器制开发了一台陶瓷小孔超声波磨削加工机床， 在工程陶瓷小孔磨削时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效 率比传统的超声加工提高 6 倍以上，表面质量也有大幅度提高南京航空航天大学对硬脆金属材料的超声电解复合加工工艺进行了实验研究［3］结 果表明，该复合加工方法使加工速度、精度及表面质量较单一加工工艺有显著改善东北大学庞楠研究了新型陶瓷材料的超声波复合磨削加工中砂轮堵塞及自锐性分 析，砂轮修整方法及最佳砂轮修整程度的分析，提出超声振动磨削的最佳工艺参数［4］上海交通大学吴雁在陶瓷材料的超声加工方面进行了深入研究，研究了二维超声振 动磨削陶瓷材料的脆-塑性转变机理、塑性去除机理、高效去除机理等相关的超声磨削 机理，提出了微-纳米复合陶瓷二维超声振动表面变质层结构模型以及精密磨削复合陶 瓷材料是塑性变形为主的去除方式,并且还进行了纳米复相陶瓷超声振动表面微观特性 的研究，提出了在特定的磨削条件下，陶瓷材料纳米增韧改性和二维超声振动磨削技术 相结合，可实现以非弹性变形为主要去除机理的超精密磨削表面［5］。

河南理工大学闫艳燕等进行了陶瓷材料的超声磨削机理和试验研究，分析了陶瓷材 料二维超声振动研磨、磨削的去除机理和磨削表面创成机理以及硬脆材料的表面形成和 破碎状况，并建立了相关的数学模型，得出了陶瓷材料脆—塑性转化的临界公式，以及 超声磨削提高陶瓷材料表面质量的相关结论［6］山东大学张洪丽、张建华等研究了工件沿砂轮轴向、径向、切向三种超声振动条件 下的磨削特性，分析了三种情况下的运动学、磨削力、材料去除机理及表面加工质量， 建立了三种加工方式下的表面粗糙度的计算模型，并进行了实验研究［7］北京航空航天大学和哈尔滨工业大学将超声振动引入普通聚晶金刚石(PCD)的研磨 加工，显著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微观结构和去除机理的基础上，对 PCD 超声振动研磨机理进行了深入研究［8］ 研究指出，研磨轨迹的增长和超声振动脉冲 力的作用是提高研磨效率的根本原因3.超声磨削加工技术的实例分析金属和非金属硬脆性材料的使用越来越广泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨 损、耐高温、化学稳定性好、不易氧化、腐蚀等优点然而，由于工程陶瓷等难加工材 料具有极高的。