数控雕刻机中英文对照外文翻译文献

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(文档含英文原文和中文翻译)

超声波加工综述

摘要

超声波加工适合切削不导电、脆性材料，例如工程陶瓷。与其他非传统加工，如激光束、电火花加工等不同，超声波加工不会导致工件表面热损伤或显著的残余应力，这对脆性材料尤其重要。超声波加工的基本原理，包括材料去除原理，各类操作参数对材料切除率、刀具磨损、工件精确度要求都有叙述，并着重表述了在加工工程陶瓷上的应用，制造复杂的三维立体陶瓷的问题也在叙述当中。

1 概述超声波加工及其应用

超声波加工是一种非传统机械切削技术，通常与低材料去除率有关，它并不被加工材料的导电率和化学特性所限制，它用于加工金属和非金属材料，非常适合于脆性大，硬度高于40HRC[6–12]的材料，比如无机玻璃、硅片、镍、钛合金等等 [13–24]，有了它，76um 的小孔也能加工，但是被加工的孔深度与直径之比限制在 3 比 1 之内 [8, 12]。

超声波加工的历史可以追溯到 1927 年，R. W. Wood 和 A. L. Loomis 发表的论文，1945年。有关于超声波的第一项专利给了 L. Balamuth，现在超声波加工已经分化很多领域，超声波钻削、超声波切削、超声波尺寸加工、超声波研磨技术和悬浮液钻孔法，然而，在 20世纪 50 年代初只普遍知道超声波冲磨或 USM[8,25, 28, 30, 31]。

在超声波加工中，高频率的电能通过换能器/增幅器被转变为机械振动，之后通过一个能量集中装置被传送出去, 例如变幅杆/刀具组件[1, 17, 18, 30, 32]。这导致刀具沿着其纵向轴线以振幅 0-50μm 高频率振动（通常≥20KHz）[16, 33, 34]，典型额定功率范围从50～3000W[35]不等，在某些机器上可以达到 4kw。一个受控静负载被施加于刀具和磨料悬浮液（由研磨材料的混合物组成、例如碳化硅，碳化硼等等，悬浮在水或油中）被泵传送到切削区域，刀具的振动导致磨料颗粒悬浮在刀具和工件表面间，通过微型片冲击工件表面从而去除材料[19]。图 1 展示了设置 USM 使用磁致伸缩或压电换能器钎焊和螺纹加工。

基本的结构变更包括：

·旋转超声波加工。刀具启动同时开始旋转，这样可以将圆柱度降低至传统超声波加工所达到的值的 1/3[41]，典型回转速度约为 300rpm，但若使用金刚石镶嵌刀具，回转速度可高达 5000rpm。

·超声波加工结合电火花加工[16, 18, 20, 26, 34, 36]。

·超声波辅助常规/非常规加工 [16, 18, 20, 26, 34, 36]。相对于传统的车削加工，超声辅助车学加工声称可减少加工时间、工件的残余应力和加工硬化，提高工件表面质量和刀具寿命[12, 36, 42, 45]。

·非加工超声波应用，例如清洁、塑料/金属焊接、化学制品加工、涂层和金属成形。

1.1 超声波加工技术应用于仿形加工

很多超声波加工涉及一些用简单或者复合的工具轴向穿透横截面进入工件的钻削，用于得到合乎要求的通孔和盲孔，三维的孔也需要（就是一个面上有不同深度的孔），一个类同于开模的加工过程通常包括[7, 10, 27, 37, 43, 46–

48]，如图 2 ，使用这种石墨电极技术的放电机能够在 30 分钟内成型零件，而不是用仿形铣削花 20 小时完成它[2, 4,49, 50]，使用复合刀具的问题在于它受加工面上相同加工效率和磨耗率，这些都会影响产品的成型，另外有一个更大问题，就是怎样跟传统刀具相比最大幅度地发挥复合刀具的性能。

图 1 USM 上端基本组成部分

图 2 利用 USM 进行氮化硅涡轮叶片钻孔

一种替代的方法是使用一种简单的“笔状”刀具和使用数控程序仿形，见图 3。最近，使用这种技术的可行性已经引起关注并且已被一些国家研究，包括英国、法国、瑞士、日本等等[26, 52]，一些 CNC 控制回路的旋转超声加工系统已在市面上有售，比如来自 ExtrudeHone Limited (法国）的 SoneX 300，来自 Erosonic AG (瑞士)的 he Erosonic US400/US800。