摘要：超聲加工是利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質或干磨料中產生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產生的氣蝕來去除材料,或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行加工,或利用超聲振動使工件相互結合的加工方法。本論文介紹了超聲加工的工作原理和技術發展歷程，分析了各組成單元的功用和技術難題，對超聲發生器和變幅桿進行了相對研究，并分析了時下主要的旋轉超聲加工的關鍵技術。關鍵字：超聲頻振動，超聲發生器，變幅桿，旋轉超聲。第1章．前言超聲加工是利用超聲振動工具在有磨料的液體介質中或磨料中產生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產生的氣蝕作用來去除材料,或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行振動加工,或利用超聲振動使工件相互結合的加工方法[1]。幾十年來,超聲加工技術的發展迅速,在超聲振動系統、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復合加工領域均有較廣泛的研究和應用,尤其是在難加工材料領域解決了許多關鍵性的工藝問題,取得了良好的效果。第2章．超聲加工技術的發展歷程超聲加工起源于20世紀50年代初。最早研究超聲加工技術的國家是日本。70年代中期，日本對振動切削與超聲磨削方面的研究已相當深入且已應用于生產。20世紀50年代末60年代初，原蘇聯對超聲加工研究也發表過很有價值的論文。其在超聲車削、磨削、光整加工、復合加工等方面均有生產應用，并取得了良好的經濟效益。1973年，前蘇聯召開了一次全國性的討論會，充分肯定了超聲加工的經濟效果和實用價值，對這項新技術在全國的推廣應用起到了積極的作用。美國于20世紀60年代初開始對超聲加工進行研究。由于當時超聲加工技術還不是很成熟，包括聲振系統、換能器、發生器的設計制造和質量都較差，因此停止了其研究工作。在20世紀70年代中期，其超聲鉆中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已處于生產應用階段；超聲車削、鉆孔、鏜孔已處于試驗性生產設備原形階段；通用超聲振動切削系統已供工業應用，目前已形成部分標準。我國超聲加工的研究始于20世紀50年代末，由于當時超聲波發生器、換能器、聲振系統的不成熟，缺乏合理的組織和持續的研究工作，很快就冷了下來[2]。目前，研究人員對工程陶瓷超聲加工進行了基礎的實驗研究，得出了工程陶瓷超聲加工的一些規律，為今后工程陶瓷的應用提供了更為廣闊的前景[3]；利用改裝后的數控超聲加工裝置對Al2O3進行了工藝試驗，其數控超聲加工是對傳統超聲加工的技術創新，具有傳統超聲加工所無法比擬的特點，初步掌握了對Al2O3的加工工藝規律[4]。在用超聲加工技術對陶瓷進行的加工中，介紹了超聲加工的原理和特點，綜述了國內外超聲加工在陶瓷材料加工方面的應用研究，并對二維超聲振動磨削加工技術在陶瓷加工中的可行性進行了分析，為拓展超聲加工應用領域與技術發展提供借鑒[5]。通過數學物理模型分析超聲加工聲學系統的動力學規律，探討工具桿的局部共振現象，得出當工具桿發生局部共振時，變幅桿和工具桿連接處為位移節點，且此時系統處于諧振狀態的結論；并推導了超聲波發生器的可調頻率范圍與刀具桿的磨損率關系[6]。隨著超聲加工設備的不斷完善和理論研究的不斷深入，它將在我國技術進步和社會主義現代化建設中起到重要的作用。第3章．超聲加工的原理及設備第3.1節超聲波的加工原理超聲波是縱波，可在不同介質中傳播，因介質不同，傳播速度存在一定的差異；超聲波可以傳播很強的能量，可用能量密度來表征，即垂直于傳播方向上單位面積的能量；當超聲波經過液體介質傳播時，將以極高的頻率壓迫液體質點振動，在液體介質中連續地形成壓縮和稀疏區域，由于液體基本上不可壓縮，由此產生壓力正、負交變的液壓沖擊和空化現象，從而引起固體物質分散、破碎等效應。空化現象是液體中常見的一種物理現象，在液體中由于渦流或超聲等物理作用，致使某些地方形成局部的暫時負壓區，從而引起液體或液-固體界面的斷裂，形成微小的空泡或氣泡。液體中產生的這些空泡或氣泡處于非穩定狀態，有初生，發育和隨后迅速閉合的過程。當他們迅速閉合破滅時，會產生微激波，因此局部有很大的壓強。這種空泡或氣泡在液體中形成和隨后閉合的現象，成為空化現象。由于空化現象產生氣泡的非線性震動，以及他們破滅時產生爆破壓力，所以伴隨空化現象能產生許多物理和化學效應。這些效應有腐蝕破壞工件的消極作用，也有在工程技術中得到應用的積極作用。超聲加工是利用超聲振動工具在有磨料的液體介質中或干磨料中產生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產生的氣蝕作用來去除材料,或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行振動加工,或利用超聲振動使工件相互結合的加工方法第3.2節超聲加工的設備超聲加工設備包括超聲發生器、超聲振動系統、機床本體和磨料工作液循環系統。3.2.1、超聲發生器。超聲波發生器的作用是將工頻交流電轉變為有一定功率輸出的超聲頻電振蕩，以提供工具端面往復振動和去除被加工材料的能量。對超聲發生器的基本要求是輸出功率和頻率在一定范圍內連續可調，最好能具有對共振頻率自動跟蹤和自動微調的功能。在超聲加工中,為得到大的振幅以提高加工質量,發揮超聲加工的優越性,要求振動系統工作在諧振狀態[7]。一般,超聲振動系統工作前,通過調節電源的電頻率,可滿足系統處于共振的工作條件。但是,在實際加工中,振動系統的溫度、剛度、靜載荷、加工面積、工具磨損等因素的變化,使得系統的固有頻率發生漂移,參見圖1。此時,若不及時調整換能器的電源頻率,振動系統將工作在非諧振狀態,從而使振動系統的輸出振幅減小,造成加工質量下降,當失諧嚴重時,超聲振動加工的優越性就會消失。因此,在超聲振動加工中采用自動頻率跟蹤是非常必要的,這就要求超聲加工系統具有頻率自動跟蹤功能,同時為保證加工質量和保護超聲系統,要求發生器具有根據負載調整輸出功率,穩定振幅的功能。在加工過程中,振動系統的固有頻率變化分為緩慢頻率變化和瞬間頻率變化[8]。由工具磨損和溫度變化引起的諧振頻率和漂移屬于緩慢變化;由負載系統剛度的變化引起的諧振頻率的漂移屬于瞬間變化,頻率自動跟蹤要求發生器能快速、準確地跟蹤超聲振動系統的固有頻率的緩慢或瞬間變化。所謂自動頻率跟蹤,是指在加工過程中,當由換能器、變幅桿、刀具組成的振動系統在外界因素影響下,其固有振動頻率發生變化時,控制系統能立即發現變化后的固有頻率并及時調整供電頻率與變化后的固有頻率相同,使振動系統始終工作在諧振狀態,以維持振動系統的最大振幅。自動頻率跟蹤的任務在于提取與超聲機械振動成比例的信號,并將電源的頻率調諧到超聲振動系統的固有頻率上。而能否準確地提取有效信號是自動頻率跟蹤能否實現的關鍵。自動頻率跟蹤系統按獲得反饋信號的方法可分為電反饋系統和聲反饋系統。在電反饋系統中,利用電—機換能器的電輸入信號與換能器工作部分的振動速度或其位移成比例的原理,通過拾取此電信號,組成自動頻率跟蹤系統。在聲反饋系統中,是通過拾取換能器或變幅桿振動系統輸出的機械信號,來組成頻率跟蹤系統的。獲取和傳送自動頻率跟蹤系統控制信號的不同方案如圖2所示[9]。需要指出的是,曾經有人用模擬試驗的方法去跟蹤頻率。其基本思想是通過模擬試驗,根據工作時的載荷分布情況,找出各種載荷下的對應固有頻率f,調節電源的頻率至相應的f處,從而保證系統的諧振工作狀態。該方法思路簡單,所需的設備少,但存在明顯缺陷;1)由于各種加工設備的性質不同,即使載荷相同,其固有頻率變化也不會相同,因此實驗數據通用性差。2)由于振動系統的固有頻率受多種因素影響,而模擬試驗不可能照顧到各個方面,因此,數據的可靠性不強,失諧在所難免。3)不易自控。鑒于以上缺陷,該法沒有得到推廣使用。3.2.2、超聲換能器超聲振動系統主要包括超聲換能器、超聲變幅桿和工具。其作用是將由超聲波發生器輸出的高頻電信號轉變為機械振動能，并通過變幅桿使工具斷面做小振幅的高頻振動，以進行超聲加工。主要的換能器有磁致伸縮式和壓電式兩種。3.2.3、變幅桿變幅桿是超聲加工設備中的一個重要組成部分，如圖所示。它主要有兩個作用:①聚能作用———即將機械振動位移或速度振幅放大,或者把能量集中在較小的輻射面上進行聚能;②有效地將聲能傳遞給負載———作為機械阻抗的變換器,在換能器和聲負載之間進行阻抗匹配,使超聲能量由換能器更有效地向負載傳輸。幾種常見的變幅桿在超聲的應用中,由于換能器端面上的振幅十分微小(0.001～0.010mm),不能驅使磨料對工件表面形成有效的沖擊。變幅桿作為振幅擴大裝置,應該在一定的頻率下,為工具端面提供最大的振幅,以提高超聲加工的材料去除率。目前,常見的變幅桿類型有:指數形、懸鏈線形、階梯形和圓錐形等。此外,為了改善變幅桿的某些性能,如提高形狀因數、增加放大系數等,需使用各種復合型變幅桿,這類變幅桿由兩種以上不同形狀的桿組合而成。對于這種截面形狀呈復雜變化的復合型變幅桿,按照傳統的設計方法不能給出解析解,這給設計高效的復合型變幅桿帶來了困難。在超聲加工中,要使變幅桿有效和可靠地工作,保證所加工零件的精度和加工效率,變幅桿須有良好的動態特性,因此,必須對變幅桿進行動力學研究。其中主要包括兩個方面:固有振動特性分析和響應特性分析。所謂固有振動特性分析,是研究在無阻尼自由振動的條件下變幅桿的固有特征,即固有頻率和振動應力。響應分析是用于確定變幅桿在承受隨時間按正弦規律變化的軸向載荷時的穩態響應,目的是計算出變幅桿的動力響應,并得到響應位移和響應應力。對于諧響應分析,峰值響應發生在激振頻率和變幅桿的固有頻率相等時,換句話說,只有當工作頻率和變幅桿的固有頻率相等時,變幅桿端面才能達到最大位移。因此,在諧響應分析解之前,應該首先進行模態分析以確定變幅桿的固有頻率。由于變幅桿有許多固有頻率,故只需求得工作頻率附近的一個固有頻率。第4章超聲加工的發展旋轉超聲加工的特點在于它的超聲頭在工作時會隨著主軸旋轉。超聲旋轉加工是在傳統超聲加工的基礎上發展起來的,它與傳統超聲加工的不同之處在于:工具在作超聲振動的同時附加了旋轉運動;工具由金屬粉末和人造金剛石或立方氮化硼磨料按一定比例燒結而成;將冷卻水而不是磨料懸浮液輸入到工具和工件表面之間。這種加工方法把金剛石工具的優良切削性能工具的超聲頻振動結合在一起。第4.1節旋轉超聲加工的幾項關鍵技術4.1.1工具損耗的在線補償技術用簡單工具(如圓柱形)像銑刀一樣進行超聲成形加工,從原理上說并不困難,因為現在的數控技術發展得很成熟。該加工方式的關鍵技術是工具損耗的在線補償的控制技術。此外,需要大量的工藝實驗研究各種工藝參數(包括工具尺寸、加工壓力、工具運動軌跡、轉速、進給量)對工具損耗的影響規律,在此基礎上建立工具軸向補償的數學模型。分層厚度對成形精度的影響很大,這種分層方式不可避免地使型腔輪廓出現階梯效應,分層厚度越小,加工精度越高。超聲分層銑削加工是一種新技術,其最佳分層厚度、工具軌跡、最佳加工壓力、轉速等工藝參數的確定及其對工具磨損、材料去除率等的影響還需進一步的實驗研究。4.1.2超聲波頻率自動跟蹤技術清華大學[10]開發出了粗精頻率跟蹤的超聲波發生器。其原理是數控插補分為粗插補和精插補,粗插補由軟件實現,精插補由硬件實現。類比數控插補原理,采用粗跟蹤由軟件實現,采用變頻搜索法;精跟蹤由硬件實現,采用鎖相環電路實現。工作時,先由PC機設定超聲波發生器的啟動頻率,單片機收到此值時開始工作,首先將檢測到的換能器側輸入電流送入單片機,單片機根據變頻搜索法調整超聲波發生器的頻率,使其向系統諧振頻率靠攏,一旦進入鎖相環電路的捕獲帶范圍,即開始由硬件電路進行頻率精跟蹤,并將超聲波發生器的輸出頻率鎖定在整個振動系統的諧振頻率上。4.1.3旋轉超聲機床的電氣控制技術旋轉超聲機床采用可編程多軸控制器PMAC為控制核心,開發超聲數控系統及相應軟件,實現四軸聯動,完成系統初始化,參數設置,控制程序編制、數據通訊及文件操作等功能。系統采用高性能工控機為基礎,在Windows操作系統的支持下,引入多軸運動控制器,充分利用其內部自帶的插補功能模塊、刀具補償模塊及內置的PLC邏輯控制模塊等技術來實現主機與外部系統通訊。軟件設計采用對話框交互方式,使整個操作過程簡單明了,具有良好的人機交互界面,把整個控制軟件劃分為很多小模塊,用類來表示并封裝這個子模塊的各種屬性和功能函數,減少了整個系統程序編制的工作量,提高了工作效率。軟件實現的主要功能有:系統狀態初始化、狀態參數設置、位置過程顯示、加工控制與通訊、壓力數據采集等。參考文獻[1]曹鳳國,張勤儉.超聲加工技術.北京:化學工業出版社,2004[2]張云電.超聲加工及應用［M］.北京：國防工業出版社，1995.[3]呂正兵，徐家文.工程陶瓷超聲加工的基礎實驗研究［J］.電加工與模具，2004（2）：57－60[4]王超群，李潔，康敏.數控超聲加工Al2O3的工藝試驗［C］.中國機械工程學會年會，2007.[5]梁晶晶，劉永姜，吳雁，等.超聲加工技術及其在陶瓷加工中的應用［J］.機械管理開發，2