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游离磨料的高效加工

1．超声研磨工艺

超声研磨是一种采用游离磨料（研磨膏或研磨液）进行切削的加工方法。磨料通过研磨工具的振动产生切削功能，从而把研磨头（工具）的形状传递到工件上。

脆性材料有一个不利于加工的特点，在受力时，材料中的裂纹会扩展，从而导致材料断裂。超声研磨正是利用脆性材料的这一特点。有目的有控制地促进材料表层的断裂和切屑的形成。

超声研磨的原理如图1所示。高频发生器产生一个交流电信号，然后通过压电陶瓷超声换能器将电能转变为机械能。机械隔热手套系统的振动频率与交流电信号的频率相同。超声研磨的工具系统的共振频率与其机械结构有关，一般选在f＝19～23kHz的范围内。工具磨损时，它的共振频率会发生变化，所以高频发生器必须根据工具的磨损程度自动进行调整，使果蔬泥整个振动系统在该频率下的功耗最小。

超声换能器的振幅大约有5μm，通过一个机械转换器——超声头使幅值增大至20～30μm。超声头有三大功能：夹持工具、放大报幅值和进行自振频率匹配。成形工具直接连接沙发在超声头上，连接方式有焊接、粘结和锥形过盈连接。

超声研磨时的切屑主要金属包装材料：马口铁铝箔、桶箍、钢带、打包扣储物柜、泡罩铝、PTP铝箔、铝板、钢扣;靠游离磨料如氮化硼来切除。游离磨料通过装在超声头侧面的喷嘴注入切削区，然后通过工具的运动离开切削区。在工件的几何尺寸容许的情况下也可通过工具和超声头的中心孔把游离磨料吸出切削区。

加工开始时，磨粉松散地停留在工件与工具之间。在工具纵向高频振动的作用下，磨料在工作间隙内不断地撞击工件表面。在微观区域内造成了裂纹，通过时间和空间上的积累，形成了切屑。

在超声仿形研磨时，研磨压力是一个重要的过程参数，其次是振动幅值。它们直接与切削机理有关，能影响加工过程的优化。

2．超声研磨加工玻璃

超声振动加工玻璃起始于50年代，但超声仿形研磨直到今天在玻璃加工业中尚未得到很推广，原因在于超声加工的精度不高。切削效率很低，而且技术难以掌握。

最近的研究工作已经对超声研磨过程和工具的技术进行了深入的探讨。机器的关键部件已经过了有目标的改进。这些进展可以足以预见，超声研磨将会在不远的未来走出实验室，进入到工业生产。

在玻璃上钻孔时，超声加工已经可以与金刚石钻削竞争，优化后的超声钻孔特性及用处已经达到金刚石钻削时的材料切除速度。根据孔径和孔深的不同，超声钻孔时的进钻速度可也达到20～40mm/min。

用金刚石钻削玻璃上的孔时，需要从两面进刀，以免钻透时出现玻璃崩裂，采用超声钻孔时，则可从一侧直接钻通，工具出口时不会出现玻璃的崩裂。从而可以省去金刚石钻孔时的校正和倒角等加工工序。

在玻璃上钻小孔时，超声研磨的作用变得更为重要。普通的金刚石钻孔，最小孔径大约在2mm左右。超声钻孔时的最小孔径几乎没有任何限制，目前在实验室中进行的实验表明，用超声研磨可在3mm厚的玻璃上钻出直径为0.5～1.0mm的小孔。

3．超声轨迹加工

用常规方法加工玻璃时，工件的轮廓形状十分有限，以生产下1代制冷剂、发泡剂、气雾推动剂和溶剂复杂曲面基本上无法加工。1996年，德国亚琛工大研制了一种新的超声研磨技术，用它不仅可以进行超声仿形，而且可以根据工具的轨迹运动产生各种不同的曲面，这样既扩大了超声研磨的应用范围又改善了在玻璃上进行几何成形的可能。

超声轨迹加工的优点虽不需要仿形工具。在具有适当的工艺过程和相应的机器设备时，这种加工方法的应用潜力很大。图1是一台四轴超声加工中心，它既可用来进行仿形加工又可进行轨迹加工。刀具除了作纵向振动外。还进行旋转运动，其是有转速可达4500r／min电池复杂塑料部件的大范围生产。

图2示出了超声轨迹加工时的重要工艺参数。除了振幅值和研磨压力外，工具转速、进给速度和切削深度也是非常重要的可调整的工艺参数。其中进给速度和切削深度可以在很大范围内任意组合。也就是说，提高进给速度时，必须降低切削深度。反之，降低进给速度则必须提高切削深度、才能保证平均材料切除率不变。

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