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超声加工的技术发展与行业应用(下)

超声加工的技术发展与行业应用(下)

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【概要描述】

超声加工的技术发展与行业应用(下)

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02

超声加工的标志性进展

2.1   加工模式

    超声振动切削技术最早由日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授在1950年提出,振动形式如图15a所示,刀尖振动的方向平行于切削速度方向,因此又称其为一维超声振动切削。椭圆超声振动切削由日本学者MORIWAKI1995年提出,其振动方向包含平行于切削速度和切削深度方向的两个分量,如图15b,因此切削机理不同于一维超声振动切削。从刀具运动的角度来说,由于刀具存在平行于切削深度方向的振动,在一个振动周期的切削过程里,刀具存在切入和切出过程,该过程引起了切深和刀具前后角的动态变化。张德远等提出了高速超声振动切削(HUVC)方法,如图15c,突破了传统超声振动切削的临界切削速度,在钛合金、镍基高温合金等难加工材料上得到很好的应用。

    一维传统超声振动切削方法的临界切削速度定义为:

    式中:vc为切削速度;vt为刀具的振动速度;f为进给量;A为超声振动单边振幅。

    水平速比HSRhorizontal speed ratio)为:

    当HSR1时,为断续切削过程,刀具与工件周期性地分离;当HSR≥1时,为连续切削过程,刀具与工件不再分离。二维椭圆超声振动切削HSR的定义与一维传统超声振动切削中给出的相同。对于一维传统超声振动切削和二维椭圆超声振动切削,超声振动加工所带来的各种优点,随着HSR的增大逐渐减弱,当HSR超过1之后效果消失。

    高速超声振动切削实现分离的临界条件为:

    式中:φ为相邻两转切削轨迹的相位差。

    传统超声振动切削的分离条件由频率、振幅、切削速度3个参数共同决定,而高速超声振动切削分离条件由进给量、振幅、相邻两转切削轨迹的相位差3个参数共同决定。张德远团队在提出高速超声振动切削方法之后,从加工表面形貌建模分析、分离效果、瞬态切削力解析模型、降低切削力和切削热的机理及仿生原型等方面进一步发展了高速超声振动切削,从切削力、切屑特征、刀具磨损、表面形貌、表面质量、冷却方式等方面研究了高速超声振动铣削。未来,钻削有望实现高速超声加工。

2.2   装备

2.2.1   超声刀柄

    超声刀柄和与之匹配的超声换能器是超声加工系统的重要组成部分,尤其是对超声加工的实际应用起决定性作用。在旋转超声加工中,能量通过松散耦合变压器(LCT)传递到配备有旋转超声刀柄的超声换能器。如图16所示,LCT的主要部分固定在静止的机架上,与LCT的第二部分紧固的换能器安装在刀柄底部,整体以可拆卸的方式安装在机床主轴上并可与主轴一起旋转。由于LCT的初级铁芯和次级铁芯之间存在气隙,导致漏电感增加,磁化电感降低,降低了能量传递能力和效率。姜兴刚等提出了一种称为自补偿系统的简化结构,以克服在LCT的漏电感补偿和换能器电容补偿期间外部补偿元件占据有限的刀柄空间的缺点,当换能器为自补偿时,LCT能量转移效率高达92.0%

 

    施加在夹心式换能器上的预紧力矩存在一个合适的范围,姜兴刚等提出了一种确定夹心式换能器最佳预紧力的方法,可通过确定最小共振电阻来确定最佳预紧力。换能器需额外的电感来匹配其固有电容,使换能器处于谐振状态,姜兴刚等提出了压机械共振区超声换能器阻抗匹配理论。超声振动系统的振动特性对超声加工的稳定性和加工效果起着重要的作用。赵波等研究了热机械载荷对超声振动系统振动特性的影响(图17)。祝锡晶等研究了时效对功率超声换能器用压电陶瓷谐振频率的影响。除过常用的压电超声换能器外,超声换能器还可由磁致伸缩材料驱动。冯平法等研制了一种大振幅稳定输出的超磁致伸缩旋转超声机床,用于硬脆材料的加工。

 

2.2.2   控制系统

    控制系统在超声加工过程中对电源输出和超声刀柄起调控匹配的作用,以实现相位控制、频率跟踪、功率控制等目的,更好地满足实际超声加工过程中的变化情况对电源供给的需求,充分利用超声加工的优势。与轴向高速超声振动切削(刀具沿进给方向振动)相比,径向高速超声振动切削的刀具垂直于加工表面振动,当切削深度小于振幅时,刀具可完全与工件分离,在加工难加工材料时具有提高刀具寿命的潜在优势,进一步提高精加工的加工效率。张德远等提出了一种相位控制方法,其目的是使凹坑以规则的方式重叠,以降低径向刀具振动导致的表面粗糙度增加。超声换能器工作时,温升引起换能器的等效电容和介电常数的变化导致换能器的谐振频率发生漂移,换能器谐振不稳定甚至失谐。为使换能器保持谐振状态,超声电源的输出电压频率必须跟踪换能器的谐振频率。上海电力大学采用锁相环原理跟踪系统频率,频率跟踪精度可达92.86%。河南科技大学的丁喆等提出了一种DDS与模糊控制相结合的新型混合控制策略,具有频率跟踪快速准确的优点。

2.3   应用

2.3.1   航空制造高质高效

    超声振动切削在很大程度上提高了难加工材料的加工能力和加工质量,尤其是高速超声振动切削(HUVC)。HUVC加工Ti-6A1-4V时,与常规车削(CC)相比,在最佳条件下的刀具寿命延长300%、切削效率明显提高90%、切削力约显著降低50%。当HUVC与先进冷却技术结合后,进一步提高加工能力,比如在HUVC加工Ti-6A1-4V时使用20 MPa的高压冷却液(HPC),当切削速度为400 m/min时,刀具寿命可达到CC时的6.3倍(图18);在切削速度为300 m/min时,降温速率最高约达55%(图19)。

 

        HUVC加工Ti-6Al-4V时还有切削-挤压现象,即后刀面干涉作用。与CC时相比,其表面残余应力向压缩应力转变(图20)。HUVC提高了涂层硬质合金刀具切削Inconel 718的能力,与CC时相比,通过显著降低刀具磨损可使刀具寿命延长250%、切削力降低32.59%(图21)、切削温度降低约20%。在连续切削过程中,可获得更好的表面粗糙度。若采用HUVC加工薄壁钛合金筒体,可增加临界切削厚度,且采用HUVC的直径误差不超过10%,而采用CC法的直径误差率为51%、切削力降低40%。以HUVC加工薄壁钛合金筒体还获得了更高的加工精度和表面粗糙度。

 

 

    与采用常规铣削(CM)相比,采用高速旋转超声椭圆铣削(HRUEM)加工Ti-6Al-4V时,HPC增至20 MPa,在切削速度为80 m/min时的切削温度降低了24.1%、刀具寿命可延长6.6倍,在切削速度为160 m/min时的刀具寿命可延长2.4倍,新端铣刀的最大材料去除量(MRV)约增加657%HRUEM为表面完整性的有效控制提供了一种新方法,在加工Ti-6Al-4V时于亚表面获得了强烈塑性变形,且在加工表面上制造了具有10~100 nm晶粒尺寸的纳米晶体层。在低切削速度时,表面压缩残余应力会随着振幅的减小而减小,而在高切削速度(160 m/min)时则相反(图22);此时,亚表面的变形层厚度和表面显微硬度均会随着振幅增大而增大,当切削速度增至160 m/min,硬化效果逐渐减弱(图23)。

 

    在无冷却条件下,钛合金八面钻超声振动钻削(RUAD)时,与常规钻削(CD)相比,其轴向力降低了16.79%~20.2%、扭矩降低了31.5%~33.6%、钻削孔出口附近的切削温度降低了18.54%~21.68%、钻削孔表面粗糙度值降低了24.87%~25.36%、钻削孔直径的膨胀系数增量降低了46.75%~57.63%(图24)、钻削孔出口的毛刺高度降低了82.2%~89.18%(图25)。

 

    与CFRP的普通套磨钻孔(CCD)相比,超声振动套磨钻孔(UVCD)极大地提高了料芯和切屑粉尘的排屑效果,有效地防止了料芯堵刀和切屑粉尘粘刀现象,其钻削力、切削温度、孔表面粗糙度值分别降低了12%20%16%24%33%39%,明显改善了CFRP孔加工质量并延长了刀具寿命。UVCD可抑制CFRP分层,在50~100 μm/r进给速率下,与CCD相比,UVCD1/2层和2/3层之间能有效降低孔出口分层率,分别降低5.4%~19.3%0.7%~8.4%。与常规磨削(CG)相比,旋转超声振动铣磨(RUHM)的轴向力和横向力最大分别减小了71.3%61.5%,孔边缘质量和表面完整性均有显著提高,孔出口分层系数降低了12.8%~25.7%,孔内表面粗糙度值降低了51.9%~53.2%,该方法是一种很有前途的加工小直径CFRP孔的方法。相较于常规钻孔,在CFRP/Ti叠层旋转超声振动单次钻孔时,CFRP的平均轴向力和扭矩分别降低了41.2%~46.8%、36.2%~48.9%,Ti的轴向力和扭矩分别降低了15.2%26.1%和21.4%29.0%,CFRP/Ti界面最高温度从普通加工时的468.1 °C降至超声加工时的353.4 °C,孔直径精度和孔表面质量都得到了显着提高,刀具磨损得到了显着缓解。在超声振动钻孔中观察到窄截面的带状Ti碎片和分离的Ti碎片,而在常规钻孔中获得了锯齿状的连续带状Ti碎片。

2.3.2   3C应用成熟广泛

    超声加工方法在3C行业已得到成熟的、广泛的应用,发展出了超声辅助磨削、铣削、钻削、车削、锯削、抛光、研磨、珩磨以及电解等多种加工方法,在石英玻璃、光学K9玻璃、光学BK7玻璃、KDP晶体、水晶、蓝宝石、红宝石、单晶硅、玻璃陶瓷、SiCZrO2Al2O3Si3N4等多种以光学晶体、特种陶瓷为代表的硬脆材料的加工上得到了良好应用。

    超声振动加工硬脆材料,可以提高材料去除率(MRR)。超声辅助磨削ZrO2陶瓷,其MRR高于常规磨削,主要原因是在磨削过程中施加高频振动,改变了磨料颗粒的运动轨迹,增加了单位时间内磨料颗粒与物料的接触次数,提高了磨料颗粒的锐度,从而提高了MRR。利用超声雾化液的超声辅助抛光光学玻璃透镜的MRR优于一维超声抛光和普通抛光。超声辅助珩磨ZTA陶瓷, MRR比常规研磨的大得多。超声研磨中的磨粒不仅像常规研磨一样对材料进行犁划,而且对材料进行高频率、高速度的冲击。

    多个研究已证明:超声振动加工硬脆材料,可降低切削力。间歇加工是降低切削力的主要原因:刀具与工件以超声频周期性地接触和分离,改善了冷却和润滑环境,有利于降低切削力;磨粒的超声频锤击作用使材料表面产生大量微小裂纹而粉末化,实现材料去除只需较小的力。超声频率远大于工艺系统的自然频率,工艺系统只能对冲击力的直流成分有足够响应。超声振动加工硬脆材料,能否显著降低加工表面粗糙度值和亚表面损伤目前尚无定论,结论不一致可能与材料、加工参数、工艺系统等有关。超声振动加工硬脆材料,可减小崩边尺寸。超声辅助锯切单晶硅,防止了脆性裂纹的持续扩展,使崩边尺寸变小。在常规锯切中,磨粒的切割过程是连续的,裂纹在切削力的作用下会不断扩展(图26)。

 

03

   

    (1)超声加工最早应用于机械制造行业,目前已结合了多种传统加工方法,开发了多种超声加工模式。研究者对普通合金、难加工合金、复合材料、硬脆材料等众多材料进行了切削研究,取得了良好的工艺效果。虽然目前已形成了一定规模,但发展还不充分,仍处于试验阶段,比如在加工参数的合理选定方面,还未形成可作为参考的加工参数数据库,超声加工的加工能力范围尚未界定,很多研究中的良好加工效果的取得通常是在特定参数条件下。因此,未来仍需进行大量研究,特别是要在较宽泛的参数范围里探究超声加工的加工能力。

    (2)超声加工方法加工难加工材料的研究主要集中在切削力、切削热、表面粗糙度、刀具磨损和刀具寿命等方面,而与加工表面质量相关的表面损伤、白层、塑性变形、加工硬化、残余应力等参数的研究很少,超声加工技术的发展不仅要提高切削能力,更要实现高质量加工。

    (3)大量的工艺实验已证明,与普通加工相比,超声加工具有降低切削热、降低切削力、提高刀具寿命、抑制颤振、抑制粘结、减少毛刺和提高加工质量等众多优势。然而,超声加工在实际的应用市场上仍缺乏竞争力,大规模应用仍存在挑战,其主要原因是缺乏成熟的、产业化的超声机床、超声刀柄、超声换能器和超声电源。目前超声加工的应用一般是在普通机床上采用自行设计的超声换能器和刀柄,而标准化、批量化、可互换、产业化的超声刀柄和超声换能器对于推动超声加工技术的发展和应用更具有里程碑式的意义。

    (4)超声手术刀具有操作简单、切割精度高、力和热损伤小、有效止血、抗组织粘结和恢复速度快等优点,已逐渐得到医务人员的青睐,目前已发展了多种多样的微创手术超声刀具,但是对应的切削机理没有研究透彻,部分产品的稳定性也不够,特别是很多研究还处于试验阶段,对于产业化的成熟应用还有很大的努力空间。

    (5)开创新的跨学科应用领域,开发新的超声复合加工技术。超声加工从最初的在机械制造领域的应用逐渐扩展到了生医制造、微纳制造等领域,未来还需要继续开拓新的应用领域和行业。此外,超声加工技术的发展常结合现有的加工技术,已从最初的车削、铣削、磨削发展出了十多种加工方法。如何结合其他能场来开发新的超声复合加工技术是一个重要的发展思路。

   者:张德远,黄志勇,张翔宇

   源:《电加工与模具》2021年第4 

   文:《超声加工的技术发展与行业应用》

 

 

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