综述・专稿
《电加工与模具》2001年第1期
陶瓷材料超声旋转加工技术
大连理工大学
摘
要
赵福令
冯冬菊
史俊才
郭东明
超声旋转是加工硬脆材料的一种有效的加工方法，本文介绍了该加工技术的基本原理、应用
特点及加工过程中材料去除机理，叙述了超声旋转加工技术的发展概况。同时提出了一种简单工具超声仿铣加工三维陶瓷工件的新方法。
Rotary UItrasonic Machining （RUM ）is an effective machining technoIogy for hard and brittIe materi-aIs. This paper presents its principIe ，appIication ，speciaIities and materiaI removeI mechanism . With the deveIopment of RUM ，a new method on which simpIe tooIs are used in RUM to machine three -dimensionaI ceramic workpiece Iike uI-Abstract
trasonic miIIing is put forward in the paper.
关键词陶瓷材料超声旋转加工
仿铣加工
1引言
工程陶瓷材料具有强度高、耐高温、耐磨损、润滑
2
2. 1
超声旋转加工的原理
超声旋转加工的基本原理
超声旋转加工方法按其加工工艺特征，大致可
性好及重量轻等优良性能，在工业中有着日益广泛的应用前景。科学家们曾预言，20世纪是塑料的世纪，
［1］
而21世纪将是陶瓷的世纪。但由于陶瓷材料硬度
分为两类：一类是采用磨料（包括散粒磨料和固着磨料）的超声旋转磨料加工；另一类主要是采用切削工具（如车刀）、冲头、压头之类工具，或利用超声高频振动特性，与其他机械加工方法相结合的超声旋转加工，也可称为超声复合加工。本文所介绍的主要是指第一类带磨料的超声旋转加工。下面以金刚石空心钻工具为例，说明超声旋转加工的基本原理，其加工示意图如图1
所示。
高、脆性大、耐磨性好，故加工难度大，加工成本很高；在陶瓷元件总成本中，加工成本占30%~60%，对于许多精密元件，其加工费用甚至可高达总成本的
［2］
。且加工方法稍有不当便会引起工件表层组90%
织的破坏，很难实现高精度、高效率、高可靠性的加工，从而限制了它的应用和发展。
超声加工是靠磨粒和液体分子的连续冲击、抛磨和空化作用去除工件上的被加工材料，完成所需的加工。实践证明，超声加工是加工玻璃、陶瓷、石英、宝石以及半导体等硬脆材料非常有效的方法。尽管超声加工的生产率比电火花加工、电解加工等低，但其精度却比它们高、表面粗糙度比它们低，且其应用不受工件材料的电、化学特性限制，不需要工件导电，也不像激光加工、电火花加工那样给工件带来热损伤和残余应力。但是，超声加工有一个显著的缺点：工具磨损严重，加工效率不高。由于加工过程中工具质量的变化，造成共振频率的游移，而使加工速度和加工质量受到影响。产生于1960年，在近40年中逐步发展起来的超声旋转加工方法可很好地提高加工效率，减小工具磨损。
基金项目：国家自然科学基金重点基金资助项目（59935110）
收稿日期：200-10-16
图1超声旋转加工示意图
此工艺中，金刚石空心钻作旋转运动（转速范围，同时在超声换能器作用下作高频0~5300r /min ）
（! 20kHZ ）振动。工件以恒定的压力（而不是以一定的速度）向工具作进给运动，冷却液从钻芯由泵抽入，流过加工区，冲走碎屑并冷却工具。2. 2
材料的去除机理
从图1的加工示意图可看出，超声旋转加工实质上是将超声振动工具的锤击运动和工具旋转运动
—1—
《电加工与模具》2001年第1期
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速、金刚石类型、磨粒尺寸及连接类型等）与加工结果（如材料去除率、工具磨损等）之间的关系。建立了有关材料去除的塑性去除、脆性去除等多种材料去除模型，并进行了实验验证。
1970年，Tyreii 用金刚石空心钻在玻璃片边上加
工出两个01. 0mm 的孔，孔深63. 5mm ，相距仅0.
的磨削作用结合在一起。材料的去除机理是传统超声加工和金刚石磨削材料去除机理的复合，包括锤击（在超声振动冲击下的压痕和碎裂）、磨蚀（切削工具的旋转运动可以模型化为磨削过程）和抛磨（或撕扯）作用（由超声振动和工具旋转运动的同时作用产生的）。示意过程如图2
所示。
图2超声旋转加工中材料去除机理
三种材料去除机理的组合，导致了超声旋转加工中材料去除率要高于超声加工和传统金刚石磨削，通过抽出工具超声振动和旋转运动的产物，可进一步提高材料的去除率。在此加工方式中，工件表面层在高频超声振动下产生疲劳，从而容易被磨削运动去除，且加工压力较小，加工陶瓷比较理想。
3超声旋转加工技术的发展概况
有关超声旋转加工的报告最早出现在20世纪
60年代
［3］
。英国harweii 国家原子能权威机构是此理论的早期探索者之一，他们的研究需要在耐火材料成形的特殊陶瓷上钻一些01. 016~25. 4mm 的
孔，传统机械加工的局限性激发了他们探索新技术
的兴趣［4］。美国从1969年开始使用金刚石工具的超声旋转加工技术。
经过近40年的时间，各国的研究者们进行了许多实验，研究出控制参数（如超声波振幅、静压力、转—2—
5mm ，
每个孔的平均加工时间为14min 。他还使用金刚石空心钻在厚88. 9mm 的氧化铍上加工出01.0mm 的孔，加工结束后，在钻芯抽出完整的00. 4mm 的工件材料。
1992年，Prabhakertai D. 和haseikon M. 在大量超声旋转加工材料去除率试验研究的基础上，给出预测材料去除率的经验模型，并对各种加工因素及其交互作用对材料去除率的影响进行了分析和讨论。
对超声旋转加工中材料去除机理的研究，
Markov 等认为
［5］
，脆性材料的破裂是大量的微观裂纹及裂纹扩展到一定深度的结果。Markov 和Usti-nov 认为
［6］
，超声旋转加工中存在一个被加工材料的脆性断裂特别强烈的过程，它是被加工表面的微小
裂纹交织成网和表面撕扯的结果。Kubota 等报道超声旋转加工中材料以“贝壳”状的碎片形式去除。
Z. J. Pei ，P. M. Ferrira 和M. haseikorn
［7］
通过实验证明，除了脆性断裂，塑性流动是超声旋转加工中材料
去除的另一种主要方式。
工程陶瓷不同加工工艺的研究表明［2］
，超声旋
转加工在较低的加工压力和较轻的表面损伤情况下，有较高的材料去除率，是有潜力的加工方法。
Tyreii 也报道
［3］
：使用超声振动，需要的加工压力小于无超声加工时的压力。
日本制成新型UMT -1三坐标数控超声旋转加工机，功率为450W ，工作频率20khz ，加工孔径
01. 6mm 、
深150mm 玻璃小孔的精度为：圆度0.005mm ，
圆柱度可达0.02mm 。我国研制成功的T30303/2V 型超声旋转加工机，在硬脆材料（如玻璃、石英、陶瓷、YAG 激光晶体、碳纤维复合材料等）的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工中具有显著的工艺效果，已成功用于YAG 激光晶体棒的成形加工。该机工作频率7~22khz ，功率400W 。加工晶体棒直径03~10mm ，加工精度：圆度
另外，采用超声旋转加工方法，进行了微晶玻璃零件高精度深小孔（01. 6120mm ）加工的实验研究，取得了良好的效果。加工精度：圆度
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柱度一般为0.03~0.04mm ，最高
国内小批量生产的T1240B 型超声旋转加工机已出口国外。
［8，9］
，最近，国外又出现了超声旋转面铣削技术
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超声耦合，即要求它有机地结合为变幅杆的一部分，通常采用焊接或螺纹联接的方式。旋转换能器和工具组成一个基本的系统，可应用于特殊的场合，也可用于将传统铣床或钻床等改造为超声旋转加工机床。超声旋转加工应用主要有以下几个方面：
（1）超声钻孔（包括扩内孔）、套料
传统方法加工小直径深孔时存在的问题是工具偏离，或不能加工出一个完美的垂直孔，且加工过程中钻到一个较短的距离就必须使工具后退，以使切由于RUM 钻深小孔时，其加工面及碎片很难观察，为了克服这个困难，采用面铣削方法加工陶瓷，用扫描电镜观察加工面和碎片。研究表明，陶瓷加工中，材料的去除机理包括塑性去除及脆性去除。在一些加工条件下，塑性去除占主要地位，在另一些加工条件下，脆性去除占主要地位；通过调整不同的加工参数，可以调整塑性去除及脆性去除的比例。由于超声旋转加工只能加工原形孔和型腔，因此配以适当的数控系统，借鉴数控铣削的方法，国外许多学者正在开展三维轮廓微细旋转超声加工的研究。
4
超声旋转加工的特点及其应用
! . "
超声旋转加工的特点
超声旋转加工是加工硬脆材料一种有效的加工
方法。国内外研究结果表明，由于这种加工方法把金刚石工具的优良切削性能与工具的超声频振动结合在一起，与常规金刚石钻孔和采用磨料悬浮液的传统超声加工方法相比，具有以下特点：
（1）加工速度快。例如，
在光学玻璃上加工6mm 的孔，
加工速度可达100mm /min 。同样条件下，旋转超声加工的加工速度是传统超声加工的10倍，是传统磨削的6~10倍。
（2）超声振动减小了工具与加工表面的磨擦系
数，切削力小，排屑通畅。钻孔加工时，不需退刀排屑，可一次进刀完成，易实现机械化。
（3）由于所需的切削力小，可在工件的边、角处钻孔，而不产生破裂。
（4）可大大提高加工精度和改善表面质量。
（5）对材料的适应性广。可用于脆性材料（例如玻璃、石英、陶瓷、YAG 激光晶体、碳纤维复合材料等）的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工等。特别适用于深小孔和细长棒套料（已在玻璃上加工出01.6mm 、
深100mm 以上的孔）。（6）工具磨损减小，使用寿命延长。! . #
超声旋转加工的应用
超声旋转加工机床包括超声发生器、换能器、变幅杆、旋转工具头和工具等。将超声旋转加工应用于玻璃和陶瓷工业，金刚石工具必不可少。金刚石工具必须紧紧地固定在变幅杆的顶端，以保证好的
削液进入加工区，冲走碎屑，工具的后退和切削液的注入运动延长了钻削所需的时间。当在薄型材料或工件的边、角处钻孔时，会出现裂纹和边、角破裂现象。将超声振动作用于金刚石工具进行钻孔，周期性的工具后退不必要了，保持所需的加工压力不变，直到孔加工完成。超声旋转加工可很好地提高孔加工的准确度，而且由于其需要的加工压力减小，有助于解决硬脆性材料钻通孔时，冲击点周围的裂纹和薄型材料边、角破裂问题。在此方法中，孔的最小直径受金刚石砂轮的最小直径限制。扩内孔时，使金刚石铰刀超声振动，能较快地扩孔，且比用其他机械加工方法有较低的表面粗糙度。
（2）超声螺纹加工
金刚石工具的超声旋转加工可用来加工内外螺纹。工件固定在旋转卡盘上，卡盘由电机驱动并装在一个导螺丝杠上，可在每转内使卡盘升高或降低一个螺距。内螺纹加工时的最小直径同样受金刚石工具的最小直径限制。
（3）超声磨削、铣削加工
当超声作用于金刚石心轴铣削的时候，优点同钻削一样。切削所需要的压力很小，整个操作过程顺利而快速。当工具底面作切削表面时，金刚石砂轮可成功地进行表面磨削。当用金刚石砂轮的边或侧壁作切削面时，用同样的工具可以铣槽。
（4）超声数控分层仿铣加工
传统超声加工可以用来成形加工较复杂的型面，然而它需要制作与加工型腔凸凹相反的工具（如图3所示）
，存在工具制作复杂且磨损严重、成形精度差等缺点。当复杂型腔面积和深度大时，由于悬浮磨料在加工间隙内分布不均匀，导致加工表面完整性不好，严重限制了超声加工技术在复杂型腔工程陶瓷零件加工中的应用。长期以来，人们一直试图采用各种办法来减小超声加工中的工具磨损，提高加工精度和效率，但由于影响工具损耗的因素众
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驱动卡控制。借助压力传感器实时检测工具和工件间的加工压力，并以压力信号对#轴实现恒定加工
多，且工具各部分的损耗是不均匀的，使得工具损耗
具有较大的不确定性。
图3两种型腔加工方法示意图
针对传统超声加工三维型腔工件中存在的成形精度差、工具磨损严重等问题，基于快速原型制造分层制造的思想，并结合超声旋转加工的优点，我们提出一种利用简单工具超声分层铣削加工三维陶瓷工件的新技术，如图4所示。
采用如下的加工模式和补偿策略：
（l ）采用工具端面加工方式，使工具损耗只发生在端面。
（2）采用类似快速成形的分层加工模式，使工具的损耗补偿在每层内进行。
（3）合理优化加工路径，使工具端面损耗均匀
一致，完成每一层加工后，工具端面仍然保持平面形状。
实验装置示意图如图4所示。采用简单形状工具，如截面为圆形、方形、管状等，象铣刀一样在数控机床上实现三维型腔的加工。机床本体采用数控立式铣床的框架结构，! 、" 轴都采用交流伺服电机驱动，精密滚珠丝杠螺母传动，! 、" 轴联动使工作台带动工件完成! 、" 平面的加工轨迹。另一台交流电动机驱动换能器、变幅杆、工具头作整体旋转运动，#轴伺服电机驱动旋转电机、换能器、变幅杆、工具头一起作#向进给运动。! 、" 、#三轴伺服电机由插在计算机扩展槽内的PCL -832
三轴伺服电机
图4
超声分层仿铣加工实验装置示意图
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压力的伺服控制。伺服电机光电编码器反馈的位置信号与压力传感器反馈的信号，使整个系统构成双闭环控制。当压力传感器的检测值比加工压力的预先设定值小时，#轴向下进给一个位移；若加工中检测压力值大于设定值，#轴适当回退一个位移，
通过循环的压力反馈、数值比较以及控制进给实现#轴
的在线补偿，从而保证加工精度。
用简单工具（如圆柱形）像铣刀一样进行超声成形加工，从原理上说，这似乎并不困难，因为现在数控技术发展得很成熟，两轴半联动的数控机床很容易实现。该加工方式的关键技术是工具损耗的在线补偿和控制技术。此外，需要大量的工艺实验研究各种工艺参数（重点包括简单工具尺寸、分层厚度、加工压力、工具运动轨迹等）对工具损耗的影响规律，在此基础上建立简单工具轴向补偿的数学模型。分层厚度对成形精度的影响很大，这种分层加工方式不可避免地会使型腔轮廓出现阶梯效应，分层厚度越小，加工精度越高，但会使加工效率降低。超声数控分层仿铣加工可以对传统成形加工有困难、甚至无法加工的工件进行加工。采用简单工具分层加工，由于每层厚度很小，使工具磨损只产生在端面，极大地简化了工艺过程，使工艺规律的建模简单可行。同时由于工具损耗的补偿是在每一平面层的加工过程中进行的，简化了数控工具补偿的难度，从而能保证加工过程的可控性和被加工工件的精度。超声分层铣削加工是一种新技术，其最佳分层厚度、工具轨迹、最佳加工压力等工艺参数的确定及其对工具磨损、材料去除率等的影响还有待于进一步的实验研究。
5结束语
随着陶瓷材料在工业中应用日益广泛，迫切要
求人们尽快解决陶瓷材料的加工问题，超声旋转加工是加工硬脆材料的一种有效的加工方法，可以很好地提高加工效率，减小工具磨损，提高加工质量，将是陶瓷加工发展的新方向。简单工具超声数控分层仿铣加工技术的研究成功，将会有效地解决超声成形加工由于工具损耗严重、加工间隙中悬浮磨料
不均匀从而影响复杂型面的加工精度问题，为陶瓷材料的推广应用提供有力的技术支持，从而促进陶瓷材料的进一步发展。
7Z. J. Pei ，P. M. Ferreira and M. HaseIkorn. PIastic FIow in Rotary UItra-sonic Machining of Ceramics. JournaI of MateriaIs Processing TechnoIogy ，1995，48
参
12（12）
考文献
8
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10
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—5—