数控超声机床传动系统设计文献综述

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1、文献综述数控超声机床传动系统设计1前言部分超声技术在工业中的应用开始于20世纪10—20年代,是以经典声学理论为基础,同时结合电子技术、计量技术、机械振动和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。超声技术在机械加工方面的应用按其加工工艺特征,大致分为两类。一类是带磨料的超声磨料加工,如超声孔加工、超声研磨、超声抛光、超声去毛刺等;另一类是采用切削工具与其他加工方法相结合形成的超声复合加工,如旋转超声在钻孔、磨削、铣削上的应用,超声电化学、超声振动切削、超声放电加工及超声塑性加工等[1]。各种硬脆材料和

2、硬脆复合材料很难用传统刀具进行加工,因而往往采用非传统的工艺方法进行加工,这些非传统工艺方法多数直接使用各种能量,如超声波加工和激光加工等。超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料,或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工,或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声波加工精度高,速度快,加工材料适应范围广,可加工出复杂型腔及型面,加工时工具和工件接触轻,切削力小,不会发生烧伤、变形、残余应力等缺陷,而且超声加工机床的结构

3、简单,易于维护[2]。几十年来,超声加工技术的发展迅速,在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用,尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题,取得了良好的效果。如在传统超声波加工的基础上发展了旋转超声波加工,即工具在不断振动的同时还以一定的速度旋转,这将迫使工具中的磨粒不断地冲击和划擦工件表面,把工件材料粉碎成很小的微粒去除,以提高加工效率。又如超声振动加工技术，微细超声加工等[3]。2主题部分　超声加工机床为实现旋转超声加工,一般要由机床本体、超声

4、波电源、超声振动系统、主轴旋转系统、主轴轴向进给系统、轴向力反馈保护系统等组成。超声波发生器的作用是将50Hz的交流电转变为一定功率的超声频振荡,以提供工具作超声频振动和切除工件材料所需的能量。旋转超声加工是集传统超声加工与磨料磨削加工为一体的复合加工,是硬脆性材料加工的一种有效方法,具有良好的应用前景。在目前广泛使用的纵向振动旋转超声加工中,金刚石工具除以一定振幅作轴向超声频振动外,还作相对于工件的高速旋转运动,并且工件与工具间以一定的静压力相互作用。国内外众多学者对旋转超声加工展开了广泛的理论机理研究。

5、包括：一.超声振动的捶击作用二.金刚石工具的磨抛作用三.超声空化作用四.液压冲击和旋转运动促进了碎屑的排出。以上4点是国内外众多学者形成的关于旋转超声加工的主要作用机理,实验结果表明,单纯的工具旋转或超声振动对材料的去除效果都比较差,而将二者组合之后,材料的去除率得到很大的提高,因此可以认为旋转超声加工是上述各机理相互促进、综合作用的结果。目前,旋转超声加工在许多工业领域正得到越来越广泛的应用,例如汽车工业、工具和模具制造、光学元件、半导体工业、医疗工业等领域。旋转超声钻削加工：在超声旋转加工工艺参数对材料

6、去处率的影响方面,英国阿伯丁大学国王学院建立了超声加工冲击过程的非线性模型,首次解释了材料去除率在较高的静压力作用下减小的原因[4]。美国Rajurkar等在对Al2O3陶瓷材料精密超声加工的研究中,发现低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位,而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕的产生[5]。Komaariha等[6]研究了不同的工件材料硬度和弹性模量的比值对旋转超声钻削和普通超声加工工件圆度和材料去除率的影响,研究结果发现H/E越大,材料去除率越高,加工孔的不圆度增大,并且加工孔的表面粗糙度增大。我国山东

7、大学对工程陶瓷的超声振动钻削加工进行了深入的研究[7],探讨了超声振动钻削中各工艺参数对加工效果的影响,分析了超声振动钻削的材料去除机理。旋转铣削加工：1999年美国堪萨斯州立大学Pei[8]提出将旋转超声加工应用于平面铣削的新途径。同时他和Hu等[9]提出一种旋转超声加工陶瓷材料去除率模型的计算方法,并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中,确定了材料去除率和加工参数之间的关系,该研究大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的发展。大连理工大学基于快速原型分层制造的思想,提出利用简单工具实现超声分层铣削加工的新技术。研究了铣

8、削加工中工具耗损的机理和工艺规律,提出铣削加工中工具耗损的补偿方式[10]。在此基础上,开展实验研究,探索工艺参数对材料去除率的影响规律。开辟了利用超声加工技术数控加工工程陶瓷零件的途径。旋转超声磨削加工：文[11]借助单颗磨粒划擦实验,对径向施加超声振动的缓进给磨削加工运动学模型进行了分析,发现超声磨削相比普通磨削磨粒有较大的切入角、较短的切削长度、较厚的切屑和较低的摩擦系数。结合对Si3N4陶瓷加工试件的SE