超声波旋转加工设备的详细介绍

1旋转超声加工技术简介随着科学技术的发展，硬质合金、钛合金、耐热钢、淬硬钢、金刚石、石英以及钨、硅等各种金属和非金属硬脆材料在现代工业中的应用范围越来越广，尤其是在航空航天、兵器装备、汽车制造等领域，硬脆性材料的出现为产品向高速度、耐高温、高压等方向的发展提供了广阔的空间。

例如，近年来陶瓷常被用于制作叶轮、义齿、人造髋关节球、切削刀具和燃料腔体；硬质合金和淬硬钢被广泛用于工模具的制造；玻璃陶瓷可用于制造车用反光镜；碳纤维可用于制作汽车上的刹车片等等。

然而，由于硬脆材料本身的硬度高、脆性大，因此对它们的加工一直非常困难，尤其是当工件形状复杂，精度、表面粗超度要求较高时，传统加工方法很难实现预期的效果，甚至某些工件的加工费用可达到总成本的90％。

直到上世纪六十年代，旋转超声加工(Rotary UltrasonicMachining，RUM)技术才产生并逐渐应用到硬脆材料加工。

作为传统磨削加工和超声加工(Ultrasonic Machining，USM)的结合体，旋转超声磨削集成了二者的优点。

在随机床主轴旋转的同时，刀具还参与了沿主轴轴向的高速振动，这使得刀具中的磨粒(一般为金刚石颗粒)在静载荷、超声振动和主轴旋转的共同作用下不断冲击、滑擦被加工表面，从而将被加工材料粉碎成很多微小的颗粒，促进了加工的进展。

多年来，人们一直致力于改进和完善超声加工技术与设备。

通过不懈的努力，加工效率已经得到了明显提高，适用的加工领域也在不断扩大，但是它仍存在着许多缺陷需要改进。

2 旋转超声加工国内外发展现状到目前为止，英、美、苏、法、日、中等国家己对旋转超声加工方法作了一些研究，包括设备研制和工艺研究[1-4]。

英国Kerry超声公司研制生产了“Sonicmill”落地式旋转超声加工机。

前苏联莫斯科航空工艺研究所在20 世纪60 年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。

法国Extrude Hone 公司生产销售SoneX 型旋转超声加工机。

超声波电机介绍及其应用一、超声波电机的工作原理超声学科结合的新技术。

超声电机不像传统的电机那样，利用电磁的交叉力来获得其运动和力矩。

超声电机则是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。

二、超声波电机的产生20 世纪90 年代日本佳能公司研制出一种压电电动机，这种电动机的工作原理是利用逆压电效应把电能转换成机械能。

常见的压电电机也是由定子和转子组成，但定子是由压电材料和金属材料组合制成，转子是由金属材料制成；压电材料把电能转换成机械振动能，激励定子金属体振动；转子与定子相接触，通过摩擦力，定子的振动驱动转子运动。

由于定子的振动频率一般在大于20kHz 的超声频段，因此人们也将压电电机称为超声电机。

三、超声波电机的特点（1）超声电机可以得到较低转速，因此输出力矩较大，可以省去减速机构直接带动负载。

（2）因为超声电机不使用电磁场作为驱动力，因此电磁辐射小。

许多情况下，不希望有电机产生强电磁干扰，或者在强磁场环境中，电磁电机的正常工作会受到影响，而超声电机不需要做太多的电磁屏蔽处理就可以在这些条件下工作。

（3）超声电机依靠定、转子之间的接触摩擦作为驱动方式，关闭电源后转子就会马上停止，并在摩擦力的作用下固定不动（4）超声电机的响应时间较短，一般在十几毫秒以内。

（5）超声电机没有电磁线圈，可以不用铜材，节省原料造价。

（6）超声电机的转速可以通过改变驱动频率进行调节，比较灵活。

（7）超声电机在很小尺寸上都可以有效工作。

四、超声电机的分类（1）环形行波超声波电机。

在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的振动来传递能量，属连续驱动方式，其基础理论和应用技术均较成熟。

（2）小型柱体摇摆型超声波电机目前行波型超声波电机已有较成熟的设计方法，但该型电机在小直径（小于20mm）条件下，输出性能逐渐失去低速大扭矩的特点，而且由于其结构的限制，效率也很难提高。

旋转超声加工振动系统的研究近年来，随着制造业的发展和技术的进步，超声加工作为一种新型的金属加工方法，受到了广泛的关注和研究。

旋转超声加工振动系统作为超声加工的一种变体，具有独特的优势和应用潜力。

本文将对旋转超声加工振动系统的研究进行探讨。

首先，我们需要了解旋转超声加工振动系统的基本原理。

旋转超声加工振动系统是在超声加工的基础上，引入旋转运动来增加加工过程中的能量传递效率。

在该系统中，工件被固定在旋转台上，超声振动器通过旋转台向工件施加旋转和振动力。

这种旋转振动力能够使材料表面产生剪切应力，从而实现高效的金属加工。

旋转超声加工振动系统具有几个显著的优点。

首先，由于旋转振动力的引入，系统能够实现更高的加工速度和更大的加工深度。

其次，旋转振动力能够增加材料表面的塑性变形，改善加工表面的质量和光洁度。

此外，旋转超声加工振动系统还可以有效地改善材料的力学性能和耐磨性，提高材料的综合性能。

在旋转超声加工振动系统的研究中，有几个关键问题需要解决。

首先是振动力的设计和优化。

旋转超声加工振动系统的振动力需要同时满足旋转和振动的要求，而且需要具备足够的能量传递效率。

其次是旋转台的设计和制造。

旋转台需要具备足够的刚性和稳定性，以确保加工过程中的准确性和稳定性。

最后是加工参数的选择和优化。

加工参数的选择将直接影响到加工质量和效率，需要进行合理的优化和控制。

旋转超声加工振动系统具有广泛的应用潜力。

在航空航天、汽车制造、电子设备等领域，旋转超声加工振动系统可以用于加工各种金属材料，如铝合金、钛合金等。

通过优化系统设计和加工参数，旋转超声加工振动系统可以实现更高效、更精确的金属加工，满足不同行业对零件加工质量和效率的要求。

总之，旋转超声加工振动系统作为一种新型的金属加工方法，具有独特的优势和应用潜力。

通过对其基本原理和关键问题的研究，可以进一步推动其在制造业中的应用和发展，为金属加工领域带来更多的创新和进步。

超声波加工机床
名词解释：
超声波加工机床是由超声电源(超声发生器)、超声振动系统及加工机床本体三部分组成，适用于加工各种不同不导电的硬脆材料，不易于加工出各种复杂形状的型孔、型腔、成型表面和薄壁、薄片等不能承受较大机械应力的零件的机械设备。

超声波加工机床的分类：
（1）超声波焊接机床；
（2）超声波熔接机床；
（3）超声波切割机床；
（4）超声波复合钻孔机床；
（5）超声波铣削机床；
（6）超声波打孔机床。

超声波加工的优点：
（1）与传统加工相比，超声波加工可以最多在5个面内进行高质量的加工。

（2）加工后表面光洁度可达到Ra < 0.2 mm。

（3）由于采用了整体式自适应控制（ADR）和声学控制方法（ACC），提高了加工过程的安全性。

（4）精确钻孔时，孔径最小可达0.3mm。

（5）由于力度和热负荷小，有利于保护工件和刀具。

（6）可自行磨刀的金刚石刀具可以保证较高的切削效率并延长使用寿命。

旋转式超声波加工机理的有限元分析纪宇，轧刚（太原理工大学机械工程学院，山西太原030024）来稿日期：2014-03-25基金项目：山西省自然科学基金项目（2005-1051）作者简介：纪宇，（1988-），男，江苏人，在读硕士研究生，主要研究方向：特种加工技术；轧刚，（1958-），男，天津人，硕士，教授，主要研究方向：特种加工技术1引言旋转式超声加工是加工玻璃、陶瓷等硬脆材料的有效方法，具有精度高、去除率高、切削力小、耗能少等优点，其在机械加工领域应用越来越广泛[1]。

国内外学者对超声波加工进行了大量的研究，但其加工机理并不完全清楚。

文献[2]通过实验分析得到超声加工中材料去除的主要形式是大片剥落，而大片剥落是磨粒对工件锤击造成的。

文献[3]认为硬脆材料的断裂是微观和宏观裂纹产生并扩展到一定深度的结果，在工件表面相互交织的裂纹形成一个弱化层，这个弱化层在磨料颗粒的反复锤击作用下，特别容易发生断裂。

文献[4]通过试验证明旋转式超声加工包含脆性去除和韧性去除两种材料去除方式，并提出改变振幅、静压力等加工参数可以调节韧性去除和脆性去除的比例。

旋转式超声加工受振幅、静压力、转速、磨粒形状等因素综合影响，加工过程非常复杂，且可控性比较差，利用目前的观测技术很难得到单颗磨粒与工件的相互作用过程和被加工工件裂纹形成与扩展情况，从而很难进行定量分析和数值计算。

利用有限元软件LS-DYNA 对金刚石磨粒冲击玻璃材料的过程进行数值模拟，计算冲击过程的形变和切削力，研究工件表面和内部裂纹的产生与扩展过程，分析材料去除机理。

2旋转式超声加工仿真模型的建立2.1旋转式超声加工磨粒运动过程分析和几何模型建立旋转式超声加工是传统超声加工和普通磨削的两种加工方法的结合。

金刚石磨粒烧结在连接变幅杆的中空圆柱形工具头上，工具头随着变幅杆沿轴向做正弦振动，同时绕轴线转动，超声加工原理，如图1所示。

工具头底部旋转磨粒工具头工件超声振动ZX图1旋转式超声加工示意Fig.1Schematic Diagram of Rotary Ultrasonic Machining工具头底部的磨粒也随工具头沿轴向做正弦振动，不断的冲击工件，同时磨粒绕轴线做匀速圆周运动，磨削工件。

旋转超声波加工0 前言陶瓷、石材、光学玻璃和硬质合金等材料具备优越的物理、化学和机械性能，在航空、电子、汽车、冶金、生物工程和国防等工业领域正得到越来越广泛的应用，并且其应用还在不断向新的领域发展。

为了实现这些硬脆材料的高效高质加工，依靠高强度刀具对工件材料的传统机械切削加工方式正逐步让位于采用机与电、化学、光、声等能量相结合的特种加工方式，超声加工技术因此应运而生。

超声技术在工业中的应用开始于上个世纪10到20年代，是以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。

超声技术的应用可划分为功率超声和检测超声两大领域。

其中，功率超声是利用超声振动形成的能量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种状态改变加快的一门技术。

功率超声在机械加工方面的应用按其加工工艺特征，大致分为两类：一类是带磨料的超声磨料加工(包括游离磨料和固结磨料)即传统超声波加工，另一类是采用切削工具与其它加工方法相结合形成的超声复合加工即旋转超声波加工。

1传统超声波加工传统超声波加工(Conventional Ultrasonic Machining)是利用磨粒对工件的冲击进行加工。

其加工原理是超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，再通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动。

此时振幅比较小，再通过变幅杆，使固定在变幅杆端部的工具振幅扩大到加工所需的振动，如图1所示。

将含有磨粒(通常为立方氮化硼或碳化硅)的磨料悬浮液输入到工具和工件表面之间，工具以约20 kHz的频率振动，磨粒在工具的振动下高速冲击工件表面，导致工件表面被冲击处的微小体积材料碎裂脱落，这样就得到了与工具表面相反的工件表面外形。

它的缺陷在于：随着加工深度的增加磨料悬浮液要进入到工具与工件表面之间变得越来越困难，加工效率随之降低；另外，随着磨料悬浮液的流动，孔径变太，孔加工精度降低。

超声波旋转打孔设备的特点超声波加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。

超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步尊定了在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。

超声旋转加工系统属于复合加工范畴，使工具以很小的力轻轻作用在工件上，由换能器产生超声频的纵向振动，并借助于变幅杆将振幅放大，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面。

相对传统加工,超声旋转加工可使刀具阻力降低、促进排屑率、提高刀具强度，从而可以加工更脆更硬性的材料，并且使加工后的孔壁及平面粗糙度大幅提高。

超声波钻铣床的特点超声钻铣床可以使切削力大幅度降低,使摩擦热减小、寿命提高和已加工表面粗糙度值减少,即有以下特点:第一、在钻铣过程中,前面不是始终与工件保持接触状态,而是处于有规律的接触、分离状态；有规律的脉冲冲击切削力取代了连续切削力；(或工件)的有规律强迫振动取代了和工件无规律的自激振动；切削力大部分来自(或工件)的振动,(或工件)的运动仅是为了满足工件加工几何形状而设置的。

第二、在振动钻铣中,因振动提高了实际的瞬间钻铣速度,并以动态冲击力作用于工件,使得局部变形减少,作用力集中,瞬间切削力增大。

从而获得较大的波前切应力,有利于金属的塑性脆化；减小塑性变形,利于切削；在超硬材料的加工方面,这一优点更为突出。

第三、在超声波的作用下有利于的冷却。

的高速振动对的散热十分有利,同时由于的前面周期性脱离工件,使得切削液更容易进入和工件之间,也增加了系统的散热能力。

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超声波超硬材料钻孔设备的原理及应用超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步尊定了在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。

超声旋转加工系统属于复合加工范畴，使工具以很小的力轻轻作用在工件上，由换能器产生超声频的纵向振动，并借助于变幅杆将振幅放大，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面。

相对传统加工,超声旋转加工可使刀具阻力降低、促进排屑率、提高刀具强度，从而可以加工更脆更硬性的材料，并且使加工后的孔壁及平面粗糙度大幅提高。

超声的驱动电源采用固态全晶体式，具有全自动频率跟踪功能，调频范围广，调节方便，可靠性高，设有过流、过热、失谐报警，数字频率显示。

本系统可应用于加工中心、精密钻床实现数控，扩展了原设备对加工材料的应用范围，更加经济实惠。

超声波加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。

超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。

加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。

虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。

与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。

超声波加工应用范围1．可加工高硬高脆性材料如硬质合金、钛合金、淬硬钢、金刚石、石英以及钨、硅、光学玻璃等；2．适合深小孔、薄壁件、细长杆、低刚度和形状复杂、要求较高零件的加工；3．适合高精度、低表面粗糙度等精密零件的精密加工，尺寸精度可达0.005～0.03mm，表面粗糙度Ra值为0.05～0.8，被加工表面无残余应力、烧伤等现象。

资产评估师《机电设备》知识点：超声波加工资产评估师《机电设备》知识点：超声波加工导语：超声波可以根据原理分可以分为检测超声和功率超声。

在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。

大家跟着店铺来看看超声波加工的相关内容吧。

(一)超声波加工原理超声波换能器利用铁、钴、镍等合金磁性材料在交变磁场作用下其尺寸发生伸长和缩短这一特性(这种现象称之为磁致伸缩效应)，将高频电振荡变为高频机械振动，再借助变幅杆把振幅放大，驱使工具振动，从而锤击工件表面的磨料，通过磨料加工工件的表面。

(二)超声波加工机床的组成1.超声电源。

将50Hz的交流电变为15kHz～30kHz的高频振荡(超声波)电源，供给超声波换能器。

其功率为20～4000W.2.超声振动系统。

由超声换能器和变幅杆组成。

变幅杆可以做成锥形、曲线形和阶梯形。

3.超声波加工机床本体。

由超声波加工机床本体由工作头、工作台、立柱、磨料、工作液循环系统部分组成。

(三)超声波加工特点1.适用于加工各种硬脆材料，尤其是电火花难以加工的不导电材料，如玻璃、陶瓷、金刚石等;2.由于在加工中工具通常不需要旋转，因此易于加工出各种复杂形状的型孔、型腔、成型表面等;3.加工过程中受力很小，适于加工薄壁、薄片等不能承受较大机械应力的零件。

激光加工激光是一种亮度高、方向性强、单色性好的相干光，它可以把能量高度集中在特定的小面积上，激光加工就是利用这一特性实现的。

(一)加工原理利用激光的高温高能量，把被加工的材料急剧熔化或气化，并利用冲击波去除多余物质。

目前主要用于打孔和切割。

(二)激光加工装置激光加工装置由激光器、电源、光学系统和机械系统四大部分组成。

(三)激光加工特点1.不受材料性能限制，几乎所有金属材料和非金属材料都能加工;2.加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形;3.加工速度极高，热影响区小，易于实现自动化生产和流水作业;4.可通过透明介质(如玻璃)进行加工，这对某些特殊情况(例如在真空中加工)是十分有利的。

2、超声辅助磨削的发展超声辅助磨削技术的发展：超声辅助磨削通常分为：一维超声辅助磨削技术、二维振动磨削技术和旋转超声磨削技术，如图1所示。

一维超声辅助磨削技术可归结为三类①砂轮轴向振动磨削，即工件相对于砂轮做轴向反复振动；②砂轮径向振动磨削；③砂轮切向振动磨削。

二维振动磨削技术有两类：①平行于工件平面的二维振动磨削，即对工件同时施加砂轮切向和砂轮轴向的超声振动；②平行于砂轮端面的二维振动磨削。

一维轴向超声振动磨削关注的焦点在于加工表面质量的显著提高；一维径向超声辅助磨削关注的焦点在于加工效率的大幅度提高。

二维振动磨削技术充分利用了一维振动磨削的特点，具有优越的综合加工性能，但是加工过程中磨削速度较低，这在一定程度上限制了该技术的广泛应用。

（a）一维轴向超声磨削（b）一维径向超声磨削（c）一维切向超声磨削（d）二维超声磨削（e）旋转超声磨削旋转超声辅助磨削加工技术是在传统的超声游离磨粒加工技术的基础上发展而来的。

旋转超声辅助磨削加工分为两种，一种采用悬浮液游离磨粒，另一种则采用固着磨粒，通常所说的旋转超声辅助磨削加工技术是指采用固着磨粒的超声加工。

（通过烧结或者电镀的方式把磨粒固定在刀具上，带有中心孔的磨削刀具沿着刀轴方向高频振动的同时，也进行着高速的回转运动，切削液不再含有磨粒，并从刀具中心孔流出带走切屑并对加工区域进行冷却。

）超声加工机床的发展：旋转超声加工技术始于1964 年，早期的旋转超声加工设备只能用于孔结构的加工，而随着数控加工技术的发展，旋转超声加工设备已经可以用于复杂三维结构的加工。

2007 年德国的DMG/Sauer 公司研制的Ultrasonic 20 五轴联动超声振动高速加工中心，实现了多种加工功能的集成，不仅可以钻孔、攻螺纹，还可以加工复杂形状的硬脆材料零件，被认为是旋转超声加工设备的新飞跃。

国内：对于旋转超声加工技术和设备的研究主要集中在部分高校戴向国探索了旋转超声加工机床的研制，该机床采用具有频率自动跟踪功能超声波电源;赵福令开发出基于Windows平台的旋转超声加工机床的数控系统，2002 年于思远等人开发了配置气浮工作台的旋转超声加工机2008 年，天津大学的房丰洲开发出集大电流放电铣削粗加工、旋转超声辅助磨削加工、超声辅助放电加工和传统铣削加工为一体的五轴超声复合加工机床。