Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2024, 9(4), 329-342 Published Online August 2024 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/met https://doi.org/10.12677/met.2024.94035
Research Results and Applications of Rotating Ultrasonic Composite/Auxiliary Machining
Tao Wang, Jing Li, Zhigang Yan, Nengjian Ji, Yongwei Zhu*
College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou Jiangsu
ththth
Received: Aug. 5, 2024; accepted: Aug. 20, 2024; published: Aug. 27, 2024
Abstract
Ultrasonic machining is an efficient and fine machining method for hard and brittle materials, and it is widely used in practical production. The rotating ultrasonic effect combined with the rotation is easy to be combined with technologies, such as: mechanical machining, electrical discharge & electrolysis, and welding; a variety of rotating ultrasonic composite & auxiliary machining tech-nologies could be achieved; the machining efficiency and the accuracy can be effectively improved. The current research results of the rotating ultrasonic auxiliary mechanical processing are ana-lyzed and summarized; the research progress and the application of ultrasonic and rotary ultra-sonic composite electrical machining technology are given; the rotating ultrasonic-assisted weld-ing, extraction, sawing sapphire technologies are introduced. Finally, the technical advantages and the limitations are discussed about rotary ultrasonic composite & auxiliary machining; the re-search assumptions and research directions are given.
Keywords
Rotating Ultrasonic Machining, Ultrasonic Effect, Auxiliary Machining, Composite Electrical Machining, Accuracy and Efficiency
旋转超声复合/辅助加工技术的研究与应用
王 涛，李 晶，闫志刚，纪能建，朱永伟*
扬州大学，机械工程学院，江苏 扬州
收稿日期：2024年8月5日；录用日期：2024年8月20日；发布日期：2024年8月27日
*
通讯作者。
文章引用: 王涛, 李晶, 闫志刚, 纪能建, 朱永伟. 旋转超声复合/辅助加工技术的研究与应用[J]. 机械工程与技术, 2024, 9(4): 329-342. DOI: 10.12677/met.2024.94035
王涛 等
摘 要
超声加工是硬脆材料的一种高效、精细加工方法，已在工程中得到广泛应用。超声效应与旋转运动与机械切削加工、放电及电解加工、焊接及萃取等技术有机结合，可形成各种旋转超声复合/辅助加工技术，能有效提高加工效率、改进加工精度。本文分析与总结超声辅助机械加工技术研究与应用；阐述超声及旋转超声复合电加工技术的研究进展；介绍旋转超声辅助焊接、萃取等新技术。最后进一步探讨旋转超声复合/辅助加工技术的技术优势与局限性，并对旋转超声复合/辅助加工技术的完善与发展提出研究设想与展望。
关键词
旋转超声加工，超声效应，辅助机械加工，复合电加工，精度与效率
Copyright ? 2024 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Open Access 1. 引言
超声加工(ultrasonic machining, USM)是一种对工具施加超声运动，使得有磨料的液体介质与工件产生相对运动，达到超声频冲击、抛磨、液压冲击的效果并借此产生的气蚀作用来除去材料的加工方式[1] [2] [3]。
超声加工过程如图1，超声发生器将工频交流电转变为超声频电振荡，经换能器转变为超声高频振动，超声振幅经变幅杆放大传递到工具末端，工具与工件间隙中的超声频振动，使悬浮液中的磨料连续击打被加工件面，由于磨料硬度很高且高频快速撞击工件，工件表面逐步破碎并去除，同时空气被卷入悬浮液形成气体空腔，进入加工裂缝中，这种超声“空化”效应可加速材料去除，并带走剥落碎屑，可有效地增强加工进程[4]。超声加工是硬脆材料的一种高效、精细加工方法。
Figure 1. Principle of ultrasonic machining 图1. 超声加工原理
DOI: 10.12677/met.2024.94035
330
机械工程与技术
王涛 等
将超声效应与旋转运动结合可大大增强超声作用效应，与其他加工方法有机结合，可形成各种旋转超声复合/辅助加工技术[4]。
1964年英国莱格[5]首次使用了旋转超声磨削加工(rotary ultrasonic machining, RUM)方法，即对烧结或镀金刚石的工具头，既施加超声频振动，又围绕自身轴线高速旋转，如图2所示。RUM比单超声加工和磨削具备更高的生产率和加工质量。
RUM结合了传统金刚石磨削加工技术和USM技术，与USM相比有两大主要区别[6]：
1) RUM使用的磨粒固结在工具杆上，而USM中利用在工具杆端部和工件之间的游离于液体中的磨粒对工件表面进行撞击而去除材料。
2) RUM中工具杆在旋转的同时工具头也做超声振动，而USM中工具杆只作超声振动。
Figure 2. Grinding principle of rotary ultrasonic machining
图2. 旋转超声加工磨削原理
在磨削加工中，利用砂轮的旋转和超声振动的辅助作用，既可克服单一超声加工金属材料时加工率低，又可减少磨削加工的磨削力与磨削热，有效提高加工效率、保证加工精度，减小磨头磨损问题，已成功应用到陶瓷、玻璃及硬脆性金属的加工中[7]。
超声辅助是指利用超声效应，但超声效应不直接参加去除材料加工；超声复合是指利用超声效应，同时超声效也直接参与去除材料作用。
本文针对旋转超声加工方式，分析与总结旋转超声辅助机械加工技术的研究与应用、阐述超声及旋转超声复合电加工技术研究进展、介绍旋转超声加工的其他应用，并对该技术的完善与发展提出研究设想与展望。
2. 旋转超声辅助机械加工技术
超声辅助机械加工是利用超声频振动效应辅助进行机械加工，即刀具(或工件)在所需的方向上给以一定的超声频振动，以改善其切削功效的超声切削方法[8]。
超声辅助机械加工，主要包括超声辅助车削、超声辅助钻孔、超声辅助铣削、超声辅助磨削，超声作用只是起辅助作用，超声振动的引入，使作用在刀具上的切削力形成连续有规律的脉冲切削力波形，减小了切削力、切削热，达到提高加工质量和加工效率的目的。
2.1. 超声辅助车削
超声辅助车削工件作旋转。周忠明等[9]鉴于高温合金材料的难加工性，对GH4169镍基高温合金进行超声辅助螺纹车削加工对比实验，通过超景深三维显示系统对工件表面及切削表面进行放大对比，利用三维表面轮廓仪测量三维表面形貌和表面粗糙度值。结果表明，超声加工纹牙表面更加光整，纹牙表面粗糙度值明显降低。如图3为两种加工方式下得到的切屑30倍放大图。
DOI: 10.12677/met.2024.94035
331
机械工程与技术
王涛 等
(a) 无超声加工V = 19 m/min (b) 超声加工V = 19 m/min
Figure 3. Turning micrograph of superalloy thread turning 图3. 高温合金螺纹车削切削显微图
从图3(a)中可以看出，无超声加工产生的切屑效果很粗糙，这种粗糙的边缘很容易损坏加工表面，影响加工表面质量。从图3(b)中可以看出加入超声振动后，相对于无超声加工的切屑状态，超声振动车削产生的切屑表面非常平整。
闫德鑫[10]对于超声波辅助车削切削力变化规律进行仿真研究，结果表明：超声振动车削产生的切削力比普通车削时产生的切削力要小的多。
2.2. 超声辅助钻孔
如图4，超声辅助钻孔钻头在高速旋转同时沿其轴线做超声频率微米级振动，超声振动改变钻头与工件材料之间作用机理，有利于减小切削力和切削温度，延长刀具寿命，改善加工质量[6]。
Figure 4. Ultrasonic vibration assisted cutting principle diagram
图4. 超声辅助钻削加工原理图
日本早在1977年就已经运用超声振动进行切削和磨削的加工，并且可以为大型船用柴油机缸套镗出Φ600 mm的孔[11]。20世纪70年代中期，美国在超声车削、超声钻孔、超声镗孔等方面的生产设备已进入试验性成形阶段[12]。
顾翔等[13] [14]对PZT压电陶瓷钻孔进行了旋转超声加工和单超声加工实验对比。如图5所示，
DOI: 10.12677/met.2024.94035
332
机械工程与技术
王涛 等
(a) 旋转超声加工效果 (b) 单超声加工效果
深度为2 mm 深度为0.8 mm
Figure 5. Magnified micrograph of PZT piezoelectric ceramic processing
图5. PZT压电陶瓷加工显微放大图
PZT压电陶瓷加工结果表明：旋转超声辅助加工加工钻孔深度大于单超声加工深度，说明旋转超声钻孔加工比单超声加工有更好的加工效率。
2.3. 超声辅助铣削
如图6所示，铣刀在高速旋转的同时会沿其刀具进给方向做超声频率的微米级振动。超声振动改变了刀具切削刃与工件材料之间的作用机理，有利于减小切削力和切削温度，从而延长刀具寿命，改善加工质量[6]。
Figure 6. Ultrasonic-assisted milling schematic
图6. 超声辅助铣削加工原理图
山东大学沈学会[15]研究超声振动辅助微细铣削，结果表明：沿进给方向超声振动辅助微细铣削可获得近似脉冲状切削力，获得均匀细小切屑，有助于提高加工尺寸精度。如图7所示为传统铣削加工和超声振动辅助铣削加工的切屑对比图。
(a) 无超声 (b) 有超声
Figure 7. Traditional milling and ultrasonic vibration milling chip
图7. 传统铣削与超声振动铣削切屑
DOI: 10.12677/met.2024.94035
333
机械工程与技术
旋转超声复合 辅助加工技术的研究与应用 - 图文
