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超声旋转加工

导读：旋转超声加工已被大量实践证明是加工硬脆材料的有效方法。

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     随着生产发展和科学实验的需要，很多工业部门，尤其是宇航、国防工业部要求产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展，所用的材料愈来愈难加工，如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬硬钢、金刚石、宝石、石英以及钨、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工；工件形状愈来愈复杂，精度、表面租糙度和某些特殊要求也愈来愈高。 然而,非金属硬脆材料硬度高、脆性大、绝缘性好,若用传统的加工方法,加工难度极其大,加工费用也相当昂贵,旋转超声加工已被大量实践证明是加工硬脆材料的有效方法。

旋转超声加工的工作原理
      超音频电振动通过超声换能器和变幅杆传递给工具使工具作超音频的机械振动，同时由旋转装置带动做附加的旋转运动，磨料悬浮液通过磨料泵送进入加工区，由于工具具有旋转运动．磨料能比较容易地进入加工区，而且能较均匀地分布在工件被加工区域。因此，可以认为旋转超声加工的材料去除是以下３种过程综台作用的结果。
     1）冲击作用。工具头在垂直于加工表面的方向上作超声振动，迫使磨料颗粒以很大的速度和加速度冲击工件表面。
     2）磨蚀作用。工具的旋转运动带动磨粒做旋转运动，类似于磨削过程，主要作用是使磨粒具有切向力作用，起到切削工件和清除工件表面各种碎屑的作用。
     3）空化作用。工具头做高频振动，使磨料悬浮液产生空化作用，加剧了磨粒对工件材料的冲击破裂和去除。
旋转超声加工的特点及优势
     1) 超声加工可以加工导电性和非导电性等各种硬脆性材料，如陶瓷、宝石、硅、金刚石、大理石等非金属材料，也适用于加工低塑性和硬度高于40HRC 的金属材料，如淬火钢、硬质合金、钛合金等。
     2)   由于工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削热少，不会产生变形及烧伤而改变工件表面的化学/电性质，故加工精度和加工表面质量都比较好。与其它材料去除过程相比，超声加工能达到更高精度和表面光洁度。在大多数超声加工中，可以获得的平均工件表面粗糙度是 0.50μm。使用合适的办法，可以获得 0.25μm的表面粗糙度。
     3)   超声加工中，可用较软的材料制作较复杂形状的工具，且不需要工具与工件复杂的相对运动， 就可加工出各种复杂型腔和型面。 故机床结构简单， 操作维修方便。  
     4) 旋转超声加工，采用固结磨粒的工具对加工工件进行高频、断续加工，是超声加工和切、磨削加工的复合加工方式，比单纯的超声加工和切磨削加工更具有突出的优势。

    5)  更好地提高加工精度和工具寿命。在普通超声加工中，需要持续将磨料浆注入到工具与工件之间的间隙，并且需要不断地将工具与工件的间隙处的磨料浆排出，结果导致材料去除率低，当加工深度较大时，甚至导致加工停止。而且磨料浆流经加工表面时，对已加工表面进行磨抛，大大影响了加工精度。另外，磨料对工具也具有磨损作用，导致工具磨损加剧，进而难以保证加工精密。而旋转超声加工采用固结磨料工具进行加工，不再需要游离磨料悬浮液作为加工介质，同时工作液更容易在加工工具及加工表面之间流动，容易促进超声空化效果的产生，而且能更好地对工具及加工表面冷却，及时的带走磨屑，因而较普通超声加工大大提高型面加工的精度。  
     6) 更好地提高了已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性。如超声绗磨汽缸套内孔表面加工中，刀具以高频、断续加工的方式在加工表面上形成数以万计的微型储油凹坑，在缸套和活塞工作的时候起到润滑和降低摩擦系数的作用，防止粘着和咬合的出现，有效延长缸套使用寿命。

    7)  大大地提高了生产效率。旋转超声加工的复合加工机理，更适宜于硬脆性材料的加工，其去除率可以达到普通切磨削的 6 到 10 倍，是普通超声加工材料去除率的 10倍。
    8) 特别适用于难加工材料的深小孔加工，采用麻花钻钻削难加工材料深孔时，会出现很多问题，如切削液不易进入切削区、切削温度高、刀刃迅速磨钝、切削力大，钻头易折断、排屑困难，需要经常退刀等，加工孔精度差，表明粗糙度大，刀具寿命短。 采用超声旋转钻削加工， 超声振动的作用使切屑与刀具、 工件间的摩擦阻力减弱，使切屑的排出流畅，不需要退刀排屑，易实现自动化；若振幅选择合适，超声旋转加工的轴向力比普通切削力下降 30%左右，从而提高钻头寿命。可见，超声旋转加工是难加工材料深小孔加工的有效方法。