超声振动精密加工研究现状与发展趋势

第２７卷第５期　热处理技术与装备　Ｖ０１．２７．Ｎｏ．５　２００６年１０月　ＲＥＣＨＵＬＩ　ＪＩＳＨＵ　ＹＵ　ＺＨＵＡＮＧＢＥＩ　Ｏｃｔ．２０ｏ６　・述　评・　超声振动精密加工研究现状与发展趋势　张存信　，杨继先　，曹文燕　（１．中国兵器科学院宁波分院，浙江　宁波３１５１０３；２．上海天合形状记忆材料公司，上海２０１４１６）　摘要：综述了国内外超声振动加工技术的研究进展，分析和探讨了超声振动在硬脆材料精密加工　的中推广应用，并对我国超声振动加工技术的发展提出了一些建议和今后研究发展的设想。　关键词：超声振动加工；精密加工；硬脆材料；研究现状；发展趋势　中图文分类号：ＴＨ１６；ＴＨ１４文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—４９７１（２００６）０５—００１７—０４　Ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ　ａｎｄ　ｔｒｅｎｄｓ　ｉｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｏｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｖｉｂｒａｔｏｎ　ｅｘａｃｔ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ＺＨＡＮＧ　Ｃｕｎ—ｘｉｎ　ＹＡＮＧ　Ｊｉ—ｘｉａｎ　ＣＡＯ　Ｗｅｎ—ｙａｎ　（１．Ｎｉｎｇｂｏ　Ｂｒａｎｃｈ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｏｒｄｎａｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎｉｎｇｂｏ　Ｚｈｅ　ｊｉａｎｇ　３１５１０３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｔｉｎａｈｅ　Ｓｈａｐｅ　Ｍｅｍｏｒｙ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｃｏ．，ｈｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１４１６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌａｔｅｓｔ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｅｘａｃｔ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｅｘｔｅｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｕｌｒｔａｓｏｎｉｃ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘａｃｔ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｏｓｍｅ　ａｄｖｉｃｅ　ａｎｄ　ａｓｓｕｍｅ　ｗａｓ　ｇｉｖｅｎ　ｏｎ　ｔｅｃｈｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｕｌｒｔａｓｏｎ—　ｉｃ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ；ｅｘａｃｔ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ；ｈａｒｄ—ｂｒｉｔｄｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｐｒｅｓｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　１国内外超声振动加工研究与发展　削、拉管和焊接方面才达到生产应用阶段，而超声车　超声加工技术起源于上世纪五十年代初期。最　削、钻孔和镗孔还处于设备原理样机阶段。目前，美　早研究超声加工硬脆材料技术的是日本。日本目前　国某些超声振动切削系统已供工业应用，并形成了　有专门研究超声振动加工技术的研究所，而且各大　部分标准。此外，德国和英国也对超声加工技术进　专院校也开设展本技术的研究工作。他们不仅已将　行了大量的研究工作，并发表了许多有价值的研究　超声加工用于普通设备上，还用于精密机床和数控　报告，在生产上也得到了一些积极的应用。　机床，并试图将超声加工引入超精密加工机床。前　我国超声加工技术的研究工作始于上世纪五十　苏联也是开展超声振动加工技术研究工作较早的国　年代后期，当时曾在全国掀起了群众性的超声振动　家，上世纪五十年代末到六十后代初已经发表了不　技术研究的热潮，但由于当时在超声波发生器、换能　少有价值的研究论文，并将超声振动车削、钻孔、磨　器及变幅杆等振动系统的元器件方面在技术上不够　削和光整加工及复合加工方法用于生产，取得了很　成熟，且缺乏合理的组织和持续的研究，所以不久就　好的加工效果和经济效益。约在上世纪六十年代初　冷了下来。一直到七十年代后期，国内的一些大专　期，美国也开始了超声振动加工技术的研究，但直到　院校和工厂才再次开展了超声振动车削和压力加工　七十年代中期，在超声振动钻中心孔、光整加工、磨　的试验研究，并于１９８２年研制成功我国的第一台拉　收稿日期：２００６一Ｏｌ—Ｏ８　作者简介：张存信（１９４６一），男，高级工程师，主要从事特种材料加工技术的研究　维普资讯 http://www.cqvip.com

热处理技术与装备　第２７卷　管设备，填补了超声加工在塑性材料加工中应用的　空白，并于１９８３年在西安召开了我国第一次“振动　切削专题研讨会”，这次会议对于促进超声加工技术　的应用和推广起了非常重要的作用。其后，国内又　相继开展了对于玻璃、陶瓷等硬脆材料加工技术的　研究，取得了优异的加工效果，同时在各种金属孔的　精密孔珩磨加工中进行了生产应用，曾前后在国内　外发表了三百多篇有关超声加工技术方面的研究论　文。从总的研究情况来看，我国超声振动加工技术　的研究和应用相对比较落后，虽然近年来一些大专　院校和研究所也开展了大量的研究，但由于成果转　化缓慢、技术成熟程度差和缺少超声加工专用设备　等原因，加之许多研究工作还处在实验室阶段，因此　没有在生产上得到广泛的应用和推广。　２超声振动加工的特点　超声振动加工是在工具或工件上沿一定方向施　加高于２０　ｋＨｚ的超声波振动而进行加工和处理的　一种工艺方法。超声振动加工系统一般由超声波发　生器、换能器、变幅杆、振动传递装置和加工工具或　处理工具组成。超声振动加工技术是一种多学科交　叉的高新技术，在声能、机械能、电能的综合效应作　用下，实现各种各样的加工和处理。大量实践证明，　当在加工工具或工件上附加了超声振动后，材料在　加工过程中的变形行为、加工机制和工具受力状态　等就会发生完全不同于常规机械加工的变化，因而　具有其它加工方法无法比拟的工艺效果，所以其应　用的范围相当广泛。如以超声振动切削为例，在超　声振动切削时，由于其切削力只有普通切削的１／３—　１／１０，可使被加工表面的温度大幅度降低，因而可有　效地降低表面粗糙度和显著地提高加工精度，大幅　度地提高刀具的使用寿命，解决了许多普通加工方　法难以解决的加工问题。　近年来，随着钕铁硼及钴基等强磁性材料的不　断开发，其应用领域越来越广泛，如在手机、ＢＰ机、　计算机、电视机、音响、办公自动化、工厂自动化、仪　表、传感器、医疗器件、电机等方面都有大量应用，因　而使各种磁性材料的研制和应用得到了飞速的发　展，特别是我国作为拥有世界稀土储量最多的国家，　在稀土永磁材料的研究和生产方面的发展速度是举　世瞩目的。面对磁性材料迅速发展的形势，磁性材　料高效加工技术的研究和开发已经成为当前必须解　决的重要关键技术，尤其对于开发和研制新的生产　装置，当前是大好时机。其主要原因是：１）钕铁硼磁　性材料的研制与生产模式和其它材料的研制与生产　模式基本相同，首先是考虑材料的研制，而直到产品　有良好的应用前景时才考虑加工问题。一种新材料　在研制初期往往为节约时间和经费，因陋就简，因而　加工设备水平相对低下，几乎是以手工作坊方式进　行生产。许多企业领导和专家认为：磁性材料的后　期加工有着巨大的潜力，如何能在机械加工和电镀　加工这两道工序中采用新工艺、新技术，减少废品，　降低成本，提高产品质量，是目前应重点解决的问　题。因而研制和开发新设备和新加工技术已经成为　磁性材料发展的热点。２）随着钕铁硼磁性材料性能　的提高和应用构件的轻量化和小型化，加工深孔、小　孔和薄壁管件的量将越来越大，如手机所用磁管，每　年就需８亿多个，该磁管直径已从原来的十几毫米　降到了２—４　ｒｌｌｌｎ，管壁厚度降为０．４　ｒｌｌｌｎ，加工十分　困难。特别是　ｌ　ｍｍ以下的小孔和深孔更使现有　加工设备和技术难以胜任，超声振动打孔正是解决　这类难题的实用技术，因而快速开发生产设备及先　进的加工工艺，用廉价高质量产品占领广阔的应用　市场是一个难得的大好机遇。３）为满足耐高温器件　的需要，新研制出了ＳｍＣｏ类磁性材料。这种材料比　钕铁硼磁性材料脆性更大，采用传统加工方法成品　率很低，通常在５０％一６５％之间，大量的废品增加了　ＳｍＣｏ类制品的成本，昂贵的价格严重地制约了材料　的推广应用。４）陶瓷材料的应用越来越广泛，而传　统加工方法成本高，且难以获得需要的加工精度和　表面粗糙度，而且传统加工工艺在陶瓷表面必然形　成的微裂纹将会大大地降低材料的使用性能和安全　可靠性。　３精密加工技术的研究和发展趋势　随着科学技术的飞速发展和国际竞争的日益加　剧，精密和超精密加工技术越来越成为工业化国家　长远发展的根本支撑，因而各工业发达国家不惜代　价地投量人力和物力进行研究，并不断向更高　层次发展，以实现纳米级的加工。　目前，日本被公认为世界上制造技术水平最高　的国家之一，虽然日本的许多新构思来自美国，但他　们能够实现这些构思，并转化成为产品。日本在“新　技术立国”的策略下，大力发展先进制造技术产业，　并以精密和超精密加工为龙头，建立了世界上最广　泛、最活跃的学术团体——精密加工学会。由于狠　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　张存信等：超声振动精密加工研究现状与发展趋势　・１９・　抓了精密加工技术，使精密加工技术立足于实处、难　处和高层次，从而使其超精密加工技术处于世界的　领先水平。美国和德国都是世界上制造技术方面的　先进国家，在精密加工技术方面都有出色的表现，能　够加工出其它国家不能提供的高精密产品，如美国　的Ｃｒａｎｆｉｅｌｄ、１３本的东芝机械、美国的Ｍｏｏｒｅ、英国的　Ｒａｎｋ　Ｔａｙｌｏｒ　Ｈｏｂｓｏｎ公司的精密加工装置，销售到许　多国家，其中如ＮＡＮＯ．ＦＯＲＭ系列，我国已有引进。　这类机床是集当今科技进步于一体，如采用摩擦传　动取代了传统的滚珠丝杠，采用微晶玻璃来获得高　精度的测量，采用双频干涉仪作高精度的定位，采用　气浮技术作为机床的支撑系统等。这些装置的回转　精度可达到０．０１　Ｉｘｍ，最小给定单位为０．０１　Ｉｘｍ，　ＳＴＤ的应用使测量精度达到了Ａ级。　我国也一直在进行超精密加工技术的研究工　作，并在不少领域中取得了一定的进展，如北京机床　研究所、航天３０３所、哈尔滨工业大学、国防科技大　学等单位都已研制出了自己的超精密加工机床。但　从总体上看，由于力量相对分散，资金投入不足，目　前尚未形成系列产品和产业化，加之尽管单项技术　指标很高，但总体技术水平并不先进，也难以满足我　国精密加工行业的需要，而且许多研究工作仍然处　于实验室研制阶段。因此，航空和航天工业所需的　精密加工设备，以及微电子集成电路所需的超精密　加工设备，都依赖于进口。特别是由于大多数制造　厂的加工设备和加工技术都相对落后，因而我国的　精密机床、数控机床、高速加工中心，以及直线进给　的伺服单元、高精度光栅检测装置等都难以在国际　上占有一席之地。尽管近年来我国在计算机辅助设　计与制造、计算机集成制造技术等软件的研究方面　有了长足的进展，但在超精密加工技术的硬件技术　水平上，较先进国家仍有较大的差距。　当前，各工业发达国家对精密和超精密加工与　检测技术的研究，主要集中在以下四方面：精密和超　精密加工机床研制；精密和超精密加工工具；精密和　超精密加工工艺技术及精密和超精密测量与控制技　术。在精密和超精密加工机床研制，以及精密和超　精密加工工具的研制方面，机床正向模块化、系统化　和快速组装方向发展，而加工工具多采用金刚石刀　具等，要求数控跟踪，刀具刃磨精度高，并要求加工　刀具能及时修正误差。精密和超精密加工工艺技术　方面多采用磨削、研磨、抛光等，而且各种特种加工　技术也１３益渗入到超精密加工技术中，特别是超声　振动复合加工工艺已经引起了各国的重视，已成为　一个重要的发展趋势。在精密和超精密测量与控制　技术方面，近年来微光学器件的发展使光栅制造技　术有了很大进步，如德国的Ｈｅｉｄｅｎ—Ｈａｉｎ的超精密　光栅被世界各国的超精密设备厂家所选用。对于小　距离的测量，目前电容式、电感式测微仪仍然是主要　设备，而光纤测微仪的发展也很快。在微观测量方　面，采用如扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）、扫描电子显微镜　（ＳＥＭ）、原子力显微镜（ＡＦＭ）等仪器可进行纳米级　的测量，也可用于加工表面质量的检测。同时，对于　保证精密加工和超精密加工的工作环境，对加工环　境的空气洁净度、温度、湿度、振动及磁性等也都开　展了相应的研究和技术保障条件的要求。另外，光　整加工不仅能提高表面质量，而且可以提高加工精　度．精整加工是近年来提出的一个新的名词术语，它　与光整加工相对应，是指既要降低表面粗造度值和　提高表面层力学机械性质，同时又要提高加工精度　的加工方法，可弥补光整加工的不足。　４结束语　大量的试验研究和加工结果表明，超声振动加　工具有能量集中、瞬间作用、快速切削的特性，能有　效地改变传统加工的切削机制，具有独特的加工工　艺效果，如超声振动可大幅度减少切削力和切削热、　微分切削轨迹、细化加工表面，并可使加工表面无变　质层，可有效地消除硬脆材料加工表面的微裂纹等，　这些特点对实现精密和超精密加工都具有非常重要　的作用，而且对于提高特种材料的总体精度，特别是　提高硬脆材料零件的使用可靠性，具有极为重要的　意义。　另外，各种新型难加工材料，如精细陶瓷、光学　领域中应用的ＫＴＰ、ＫＤＰ、微晶玻璃等，以及仪表零　件中的精密件、动力马达应用的钢结硬质合金等，都　存在难加工的问题。因此，应该在现有的基础上进　一步加强超声振动精密加工的研究水平和提高加工　装置的制造精度，并实现与超精密加工机床的精密　连接，开发和研制超声振动精密和超精密加工机床，　为实现我国特种加工技术和精密加工技术的跨越式　发展，提高我国超声振动加工和精密加工的技术水　平，从而为高新技术产品的研制，提供必要的技术保　障和技术支撑。　参　考　文　献　维普资讯 http://www.cqvip.com

・２Ｏ・　热处理技术与装备　第２７卷　［１］茶谷昂八郎，切削效率５倍　超音波加工于夕／，口　一ｓｏｎｉｃ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌｓ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｌａｃｔｕｒｅ，１９９８　３８（４）：２　３９—２５５．　阴凳：Ｈｅｒｍａｎｎ　Ｓａｕｅｒ／Ｄｅｃｋｅｌ　Ｍａｈｏ社Ｉ土硬质・脆性　材加ｃ：活路［Ｊ］．生产财７一　于／ｆ、／　，２００２，３９（５）：　Ａ９８一Ａ１０１。　［７］　范国良，陈传梁．超声加工概况与未来发展［Ｊ］．电加　工，１９９４（６）：７—１１．　［２］　岳蓑弘．精密超音波加工机ｃ：土弓深穴加工机　现状　［Ｊ］．超音波Ｔｅｅｌｍｏ，２００２，１４（２）：４２—４６．　［３］程学艳，郭文娟，林彬等．超声波加工机床及其发展　［Ｊ］．新技术新工艺，２００４（１　０）：４０—４２．　［４］　骆嘉龄．超声波换能器的研究动向［Ｊ］．试验技术与试　验机，１　９９３（３３）：３—８．　［８］高永慧．超声波加工新技术［Ｊ］．现代物理知识，２０００，　１２（１）：８３—８４．　［９］　李丽，张建华，段彩云．烧结ＮｄＦｅＢ永磁材料力学性能　及超声波加工的研究［Ｊ］．功能材料，２００６，３７（１）：１３６　—１３８．　［１Ｏ］张勤河，景辉．超声波加工工程陶瓷孔的研究［Ｊ］．电　加工，１９９８，（１）：１９—２３．　［５］岳羞弘．４０ｋＨｚ精密超音波加工机ｃ：土弓小径深穴加　工　现状［Ｊ］．横械技衍，２００２，５０（２）：３５—３９　［６］Ｔｈｏｅ　Ｔ　Ｂ，Ａｓｐｉｎｗａｌ１　Ｄ　Ｋ，Ｗｉｓｅ　Ｍ　Ｌ　Ｈ．Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｎ　ｕｌｔｒａ　［１１］张剑芳，曾励．非金属硬脆材料超声加工的研究［Ｊ］．　新技术新工艺，１９９３，（６）：１２—１３．　．｜止．址．址．｜止．址．｜止　ｊ‘Ｌ．｜止．｜止．址　（上接第ｌ６页）　存在着可逆转变。　一Ｆｅ　Ｏ，和　一Ｆｅ　Ｏ，有很高的电　阻率，Ｆｅ，Ｏ。电阻率很低，因此利用在　一Ｆｅ　Ｏ，～　Ｆｅ，Ｏ。间发生氧化还原反应转变时，Ｆｅ　和Ｆｅ　之　间产生电子交换这一特性进行还原气体的检测。　４气敏半导体陶瓷存在的问题及发展方向　的发展方向将是短、小、轻、薄型化。　以上工作中最重要的是关于气敏机理的基础研　究。如果在气敏机理上有所突破，一些目前无法预　料的新型气敏半导体陶瓷材料将得以诞生　］。　参　考　文　献　从现在的水平来看，半导体气敏陶瓷元件的灵　敏度高，有利于实现快速、连续及自动测量，结构及　工艺简单、方便、价廉。缺点是稳定性、互换性不好，　对不同气体分辨力差，在低温、常温条件下工作问题　还有待进一步解决，不易实现定量检测等。这些情　况表明，气敏半导体陶瓷材料目前的现状是应用走　［１］殷景华，王雅珍，鞠刚．功能材料概论［Ｍ］．哈尔滨：哈　尔滨工业大学出版社，２００２，９．　［２］马如璋，蒋民华，徐祖雄．功能材料学［Ｍ］．北京：冶金　工业出版社，１９９９，９．　［３］贡长生，张克立．新型功能材料［Ｍ］．北京：化学工业出　版社，２００１，１．　［４］　曲远方．功能陶瓷材料［Ｍ］．北京：化学工业出版社，　２００３，５．　在了理论研究的前面　以下几个方面着手。　。要解决现存问题需要从　［５］　王同文，梁永东．气敏陶瓷与金属醇盐［Ｊ］．低温与特　气，１９９７，（３）．　１）积极开展有关气敏半导体陶瓷材料基础理论　的研究。由于气敏半导体陶瓷材料种类繁多、结构　复杂，目前对这些材料的微观结构、气敏机理、活化　机制等问题还了解得还不够，必须进一步深入地开　展对上述各项的研究，才能从新的理论基础上探讨　解决气敏半导体陶瓷材料各种性能问题。　２）提高材料的性能，积极寻找新材料。目前，氧　［６］曹茂盛，徐群，杨郦等．材料合成与制备方法［Ｍ］．哈　尔滨：哈尔滨工业大学出版社，２００１，８．　［７］黄勇，陈国华．敏感陶瓷材料的制备及展望［Ｊ］．佛山陶　瓷，２００３，（３）：４—８．　［８］徐甲强，朱文会．ＺｎＯ气敏陶瓷的制备与气敏性能研究　［Ｊ］．功能材料，１９９３，（１）．　［９］杨志华，余萍，肖定全．半导体陶瓷型薄膜气敏传感器　的研究进展［Ｊ］．功能材料，２００４，（１）．　［１Ｏ］　曾中明．几种半导体气敏陶瓷材料的发展概况［Ｊ］．佛　山陶瓷，２００２（８）：１—３．　化锡系、氧化锌系、氧化铁系等气敏半导体陶瓷材料　已实用化，但性能还有待进一步提高。其它新材料　虽已有所发现，但还不够成熟，而种类繁多的气体检　测又提出了多种多样的要求，所以必须大力提高材　料性能并积极发展新材料。　３）积极开展多功能化、微型化、集成化气敏半导　［１１］赵浩．气敏半导体陶瓷材料的发展概况［Ｊ］．工业陶　瓷，１９９１，（１）．　［１２］边志华．半导体气敏材料的研究方法［Ｊ］．太原理工大　学学报．２００３，３４（１）：４３—４５．　体陶瓷元件的研制开发。今后气敏半导体陶瓷元件