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中国的超声加工

发布时间:2019-11-25   点击次数:293次

 

超声加工技术自从1950年代由日本宇都宫大学隈部淳一郎教授提出振动切削方法以来,得到了国际学者广泛关注和系统研究,到目前为止已经经历了60多个年头。随着中国经济的迅猛发展,中国超声加工技术正由研究规模向应用技术发展,201510月于厦门召开了首届超声加工技术论坛,20165月中国机械工程学会特种加工分会成立了超声加工技术委员会,201610月于大连召开了首届全国超声加工技术研讨会。为更好地了解中国超声加工技术研究的现状,本刊以“超声加工专栏”形式刊登中国超声加工技术研究的概况。本文作为专栏序文概括论述我国超声加工技术研究与应用的现状及发展趋势。

 

超声加工从狭义上看是一种高频振动能量附加到机械加工过程的一种加工方法,超声振动能量来源通常是电压驱动压电伸缩振动或电流驱动磁致伸缩振动,所以超声加工属电加工范畴;从振动切削运动学广义上看,该领域也包括低频振动加工;从超声加工工艺学广义上看,该领域以振动切削为主体外还包括超声成形、超声焊接、超声处理等;从超声加工对象广义上看,该领域主要面向工业产品制造外还可以作为医疗手术用超声手术工具。超声加工已经逐步成为提高机械加工能效的一种重要手段,特别是新材料与难加工材料、难加工结构与表面、高表面完整性加工等需求不断增多,使超声加工的可应用优势范围不断扩大,从而引起更多学者和产业界的广泛研究与应用。

 

国内真正开始系统研究超声加工技术是从1980年代开始的,具代表性的国内早期研究学者是原吉林工业大学的王立江教授、广西大学的阮世勋教授等,主要以振动切削机理试验研究为主,几乎没有走出实验室向工程应用。后来逐步扩大到1990年代的第二代研究力量,逐步研发实用性超声加工装置,并出现了椭圆超声加工技术,克服了单向超声振动切削的崩刃问题,为工程应用奠定了技术基础。再后来2000年代以后超声加工技术逐步走出实验室,通过在工程上逐步扩大应用而快速推进超声加工技术发展。近十年国内超声加工研究单位迅猛增多,导致中国超声加工研究论文在国内外期刊发表数量急剧增加,在SCIEI检索论文中中国学者的超声加工论文数量处于lingxian地位,迎来了超声加工研究中国鼎盛时期。

 

超声振动切削技术自从20世纪50年代提出以来,历经60多年发展一直没有突破切削速度限问题,即切削速度大于振动速度后振动切削效果基本消失。北京航空航天大学张德远团队2010年提出、2016年试验证实、2017年国际在线发表了“高速断续超声振动切削加工方法”,彻底打破传统振动切削反向速度分离的理念,通过切削横向分离方式实现高速断续超声切削,彻底打破了以往振动切削的切削速度限。这种新的振动切削模式不仅保持了脉冲式振动切削降低切削力特性,而且断续空切冷却润滑延长刀具寿命,实现增速不增磨的高速断续切削理念,还通过振动相位差控制表面加工质量。这一新模式同时还打破了普通切削(如车削、铣削、钻削等)的切削速度限,实现了宏观高速切削,微观高速断续切削的新机理,这对于解决难加工材料高速切削难题开辟了全新途径。振动切削领域、普通切削领域两个切削速度极限的突破,对显著提升难加工材料总体加工效率具有极其重要的应用价值。

 

超声振动磨削脆性材料是超声加工擅长的一种加工工艺方法,但是超声加工表面裂纹与出口崩边问题一直没有得到很好解决。清华大学冯平法团队对超声加工脆性材料进行了深入的理论与试验研究,理论分析与试验证实了极限切削力是保证硬脆材料超声磨钻工艺有效的首要条件,减小亚表面损伤和减小刀具端面面积可以显著降低出口崩边,磨粒横向振动轨迹可以提高脆性复合材料磨钻的孔表面质量、降低分层面积。这对于、高质超声加工脆性材料提供了新的理论基础。

 

超声切割加工是蜂窝芯复合材料的一种加工方法,但是在超声切割加工过程中依然会出现不同程度的纤维拔出、酚醛清漆层剥落等加工缺陷特征。大连理工大学康仁科团队采用直刃刀超声纵切、斜切、横切三种方式,通过提高超声刀具振幅、降低进给量显著降低了蜂窝芯加工过程中的酚醛清漆层剥落的几率。理论分析与试验验证了直刃超声切割的切削力变化规律,进给方向超声振幅和刀具前倾角对切削力的影响较大。这为实现大块、极薄精密超声切割蜂窝材料奠定了理论与技术基础。

 

超声加工界面微观机理极为复杂,直接关系到超声加工效果的合理发挥和能力挖潜,值得微观表征深入研究。其中有四项问题入选《一万个科学难题-制造卷》,分别是北京航空航天大学张德远团队提出的“超声加工的强冲击变形机制问题”和“超声手术的组织选择性作用机理”,集美大学皮钧团队提出的“超声振动切削过程接触界面材料塑性动力变形和粘弹润滑机理问题”,天津大学宫虎团队提出的“金刚石刀具超声辅助超精密车削黑色金属的机理问题”。有待于今后通过多学科交叉深入解析超声加工界面的多场作用机理,通过仿生技术、微纳技术、新材料技术等改善界面条件,从而不断提升超声加工技术的工艺效果,扩大其优势应用范围。

 

超声加工装备是实现工程应用的关键,包括超声载能装备(机床、主轴、刀柄、刀具载能)、超声激励装备(超声换能器、供电环、发生器)等,超声能量的适应性、稳定性是超声加工应用的基本条件。目前,国内外超声加工的主要差距就体现在超声加工装备的产品化上。德国DMG公司的超声铣磨机床,主要加工脆性材料;美国EFM公司的超声切割机床,主要用于蜂窝芯切割与铣切。这些数控机床配上性能稳定、适应性强的超声加工装置就形成的价格昂贵的专用超声加工机床。为赶上或超过国外超声加工装备的技术水平,必须突破以下几项关键技术:机床本体化才能有超声加工装备高性能化的成本空间,这需要我国数控机床技术的突破;超声加工装备与机床本体高度融合化才能形成性能匹配的专用超声加工机床,这需要机床企业与超声加工装置研发单位之间合作机制上的突破;超声谐振刀具与超声加工刀柄之间批量互换匹配才能实现超声加工工艺大面积推广应用,这需要刀具厂商与超声加工装备制造商之间联合制定超声加工刀具设计标准;超声加工装备本身的陶瓷堆、感应供电、阻抗匹配、变幅杆、发生器组成的谐振系统的谐振频率、阻抗一致性好才能保证产品互换,这需要各子系统制造质量的稳定性与互换标准。这些问题恰恰是我国工业基础件水平低、工业创新机制落后的具体表现,需要扎扎实实的努力尽快解决。

 

超声加工应用领域在我国目前主要集中在国防领域,按其有效性划分,分为对难加工材料极强的切削能力上的应用、对弱刚度工艺系统极小的切削抗力上的应用、对精细光整表面极微细的光整能力上的应用、对抗疲劳表面极高的强化能力上的应用等,还有对生物活体组织微创手术中的极小创伤上的应用。因此,超声加工应用领域划分主要是从工件材料、结构、表面形貌、表面力学等方面划分,超声加工已经几乎渗透到了切削磨削、特种加工的各种工艺中。从超声加工的应用行业来看,应用多的是航空航天行业,因为这一行业的难加工材料居多、产品质量要求高,使超声加工工艺效果显示度大;同时这一行业的零件批量小、生产节拍并不快,使以往超声加工的极限速度弱势没有显现出来。在兵器、核工业、船舶等国防其他行业也有大量的超声加工应用优势,主要体现在难加工材料与难加工结构加工的精密加工效果。随着北航提出的高速超声加工技术的不断完善与提升,高速超声加工在众多行业均有广阔的应用前景。首先扩大高速超声加工在民用行业中的应用,高速超声加工工艺用于精密仪器、光学零件、微细零件、脆性材料、精密模具等行业,再扩展到快节拍的汽车制造业中应用高速超声加工技术。随着高速超声加工技术的不断进步和制造要求的不断提高,高速超声加工的应用领域、应用行业会不断扩大,在机械制造行业中的作用会不断加大,还会在生物制造、仿生制造、微纳制造等新型行业中发挥不可替代的关键作用。

 

超声加工领域人才培养主要集中在高校和研究所,覆盖面比较宽,但缺乏超声加工精品教材,缺乏学科交叉基础性专著,缺乏超声加工行业标准,缺乏相关研究计划的学科目录,缺乏超声加工的专业杂志。因此,超声加工技术与其他电加工技术相比,总体上还处于初期发展与应用阶段,必须在超声加工人才培养过程中,不断实现超声加工理论与应用技术的突破,为我国制造业做出重大贡献。

张德远(北京航空航天大学机械工程与自动化学院)

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