工程陶瓷的旋转超声加工方法

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。

以陶瓷为例的新型材料超声加工研究发表时间：2013-09-09T09:16:52.373Z 来源：《科教新时代》2013年9月供稿作者：张云芳[导读] 超声振动精密磨削技术就是能满足像陶瓷这类硬脆材料的加工需要而发展起来的技术之一。

云南开放大学张云芳【摘要】高科技对材料性能的要求越来越高，而能滿足使用性能的新型材料具有硬而脆、难加工的特点，结合近年来国内外超声加工技术发展状况，对超声磨削加工技术发展进行探索。

通过以陶瓷为例的难加工材料的超声磨削加工原理试验分析，发现超声加工有效解决了硬脆材料难加工的工艺问题，并指出超声加工技术的发展前景。

【关键词】新型材料；陶瓷；硬脆；超声加工【中图分类号】G422.64 【文章标识码】B 【文章编号】1326-3587（2013）09-0002-02高速发展的世界各国，金属与非金属硬脆材料的使用越来越广泛，特别是具有高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好，不易氧化特点的陶瓷材料需求日愈广泛，但是工程陶瓷与其它硬脆材料一样存在共同的缺点，即在具有高硬度的同时也具有极高的脆性，造成加工十分困难，特别是成形孔加工尤为困难，严重阻碍了陶瓷材料的应用及推广。

因此，陶瓷等硬脆材料的加工技术值得探究。

一、新型材料的引入在科学技术高速发展的今天，新型材料在航空航天业、国防科技、生物工程及计算机工程等尖端领域的应用日益广泛，特别是核工业、兵器工业、航空航天业及化工、电子工业和现代化机械工业，对产品零件材料的性能有着各种各样的高标准要求。

从使用条件上看，有的要求能绝缘，有的要求高导电率；有的要求耐磨损、耐腐蚀；有的要求在高温、高应力状态下工作。

从材料的化学成份上看，仅仅只用一般的碳素结构钢、铸铁（灰口、可锻、球墨）黑色金属根本满足不了现代发展的要求，还需用高强度钢（高锰钢、不锈钢）、合金钢（铜合金、铝合金、钛合金）及其它有色金属。

从材料的金相组织上看，不仅只用一般的铁碳合金，局限于铁素体、珠光体为主的普通钢材，还需要用以索氏体、托氏体为主的中硬钢和马氏体淬硬钢。

《工程陶瓷复频旋转超声加工系统设计及研究》篇一一、引言随着现代制造业的快速发展，工程陶瓷作为一种高性能材料，在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域得到了广泛应用。

然而，工程陶瓷的加工难度大、效率低等问题一直困扰着制造业。

为了解决这一问题，本文提出了一种复频旋转超声加工系统设计及研究方案，旨在提高工程陶瓷的加工效率和加工质量。

二、系统设计1. 系统结构本系统主要由复频旋转超声发生器、超声振动系统、加工工具、工作台等部分组成。

其中，复频旋转超声发生器为系统提供稳定的电源和复频旋转信号；超声振动系统通过压电效应将电能转换为机械能，实现对工具的振动；加工工具根据具体加工需求进行选择；工作台则用于固定和移动待加工的工程陶瓷材料。

2. 复频旋转超声发生器设计复频旋转超声发生器是本系统的核心部分，其性能直接影响着整个系统的加工效果。

本设计采用先进的DSP数字信号处理技术，实现复频信号的生成和调制。

同时，采用闭环控制技术，确保复频信号的稳定性和准确性。

3. 超声振动系统设计超声振动系统是实现工具振动的重要部分。

本设计采用压电陶瓷片作为换能器，将电能转换为机械能，实现对工具的振动。

通过合理选择压电陶瓷片参数和结构，实现对振动频率和振幅的控制。

4. 加工工具和工件夹具设计根据具体加工需求，选择合适的加工工具和工件夹具。

对于工具，选择高精度、高刚度的工具头；对于工件夹具，设计具有夹持稳定、定位准确的机构，以确保加工过程中的精度和稳定性。

三、系统研究1. 复频旋转超声加工原理研究本部分主要研究复频旋转超声加工的原理和特点，包括复频信号对工具振动的影响、工具与工件之间的相互作用等。

通过理论分析和实验验证，得出复频旋转超声加工的优势和适用范围。

2. 工艺参数优化研究本部分主要研究工艺参数对工程陶瓷加工效果的影响，包括振动频率、振幅、切削速度等。

通过设计一系列的实验，找出最佳的工艺参数组合，提高工程陶瓷的加工效率和加工质量。

3. 系统性能评估与优化本部分主要对系统性能进行评估和优化。