星空体育:超声加工技术的应用及发展趋势
文章出处:本站 人气:发表时间:2024-05-09 16:02
“本文主要围绕工业应用需求角度介绍超声加工技术的发展概况、研究现状及未来发展趋势等。
超声精密超精密加工技术是一种面向难加工材料(硬脆材料、复合材料、难加工金属材料等)的特种加工技术,在航空航天、汽车、半导体、3C、医疗等领域存在着广阔的应用前景。近年来,在国内外众多高校、研究院所和企业的共同努力下,超声加工技术得到了快速发展,实现在多类难加工材料精密加工场景的大量典型应用。超声加工技术作为先进制造技术中特种加工技术的代表,将为制造业水平的提升提供重要支撑。”
—、概论
近年来,先进工程材料在航空航天、汽车、半导体、3C、医疗等制造业中不断涌现,如钛合金、高温合金、工程陶瓷、陶瓷基复合材料、蜂窝复合材料等,这些材料具有优异的使用性能,然而机械加工性能很差,属于典型的难加工材料[1]。而这些材料在使用传统的机械制造技术进行精密加工遇到了一定的瓶颈。一种新型的制造工艺技术——超声加工技术,即Ultrasonic Machining(UM),受到越来越多的关注并得到大量的应用
超声加工技术是一种通过超声波振动能量实现难加工材料精密去除的工艺技术,该技术是将超声波振动能量通过一系列结构的传播和变换实现将能量聚焦在刀具的工作区域,从而形成被切削材料的冲击去除效果,进而可以提高众多难加工材料的可加工性能。该技术在加工过程中具有众多优点,如:降低切削力和切削热、减小刀具磨损和崩边毛刺、优化切屑形态、提高表面质量、降低亚表面损伤、提高加工效率等(每个加工工艺具体的改善效果因超声刀具、材料、工艺等方面而存在一定的差别)[2-6]。超声加工技术是一种基于功率超声技术发展起来的特种加工技术,它本质上是一个物理去除过程,不涉及材料性质的改变。随着市场化的需求越来越强烈,超声加工技术中商用标准化系统也成为了目前市场需求的重点,相关的超声加工技术正开始走出实验室,在众多典型难加工材料的精密加工中得到应用,如:光学玻璃、蓝宝石、陶瓷、氧化铝陶瓷、钛合金、高温合金、碳纤维复合材料、铝基碳化硅复合材料等[7-12],如图1所示。近几年,国内由于难加工材料的大量应用,较多的超声加工技术应用需求促使了该技术的市场化,多家科研机构和制造企业纷纷开始进行超声加工技术的产业化应用。图1 超声加工应用领域及典型案例
二、超声加工技术发展现状
“工欲善其事,必先利其器”,超声加工技术是针对难加工材料精密加工的利器。在大多数切削加工领域,超声加工其更确切的名称应该为“超声辅助精密加工”,即在传统切削加工技术上辅助超声振动用以实现特殊的材料去除效果。但在某些特殊情况下,超声振动也会成为主要的甚至唯一的切削动力,这类超声加工技术可直接称之为超声加工,例如:在医疗领域常使用的超声手术刀进行骨骼切割[13];在航空蜂窝材料的零件加工过程中大量使用的超声匕首刀实现高效、绿色加工[14]。
早在二十世纪20年代,美国、日本、德国以及前苏联的科学家便开始振动加工的基础研究,而早期研究主要集中在通过改善切削条件实现材料断屑,主要应用也是在超声车削领域,该阶段主要的特点是低频率振动加工,其频率和现在的超声频率(15kHz以上)有着较大的差别[15]。进入21世纪后,德玛吉(DMG)机床制造商推出了商业化超声加工机床整机,成为了较早将超声加工技术进行商业化的企业。
2000年前后,由于各式各样难加工材料层出不穷,国内各个高校、研究院所掀起了研究超声加工技术的热潮,清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学、华中科技大学、天津大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、大连理工大学、河南理工大学等高校开展了大量的基础研究和应用开发,涉及超声加工技术中的装备设计、控制技术、超声加工系统、超声工艺等各个方面[16-17]。
超声加工技术经历了从最开始到2000年左右的萌芽阶段,再经过近二十余年的快速发展阶段。近五年以来,难加工材料的快速大量应用加速了超声加工技术的商用化发展。目前,国内外在超声加工装备、超声振动控制、工艺等方面技术逐步成熟,也推动了人们对超声加工技术的基本要求、工作机理、工艺特性以及应用领域的深入理解。与此同时,开展超声加工技术研究的高校和研究院所也越来越多,涉及的超声加工的应用领域也越来越广泛。
三、超声加工技术基本原理
目前,国内外对于超声加工技术的理解仍在不断发展过程中,尚缺乏统一的标准和规范。常规超声加工系统包含以下部分:超声驱动控制器、超声发射器、换能器、变幅杆、夹持结构、刀具等,如图2所示。本文将从超声加工系统的分类、典型超声加工系统结构、超声驱动控制技术、超声工艺技术等方面介绍超声加工技术的特点。图2 超声加工系统主要部件
3.1 超声加工系统分类
按照超声振动形式可分为:一维超声加工、二维超声加工、三维超声加工等。振动形式包括:纵(轴)向超声振动加工、扭转超声振动加工、椭圆超声振动加工[15]、复合超声振动加工,其中复合超声振动又涉及不同超声振动形态的复合[18]星空体育。
按照超声起振材料可分为:电致伸缩式超声加工和磁致伸缩式超声加工两种,目前常用的电致伸缩式超声加工主要是基于压电陶瓷的起振原理,通过施加电压进行驱动来实现超声振动,其结构简单工艺成熟,但振动功率有限,比较适合轻载荷切削工况;磁致伸缩式是通过磁致伸缩或超磁致伸缩材料的磁场驱动的原理,其振动功率容量大但结构较为复杂,比较适合重载切削工况[19]。
按照能量传输方式可分为:有线能量传输式超声加工和无线能量传输式超声加工,有线能量传输式超声加工常用于无旋转运动的加工或者采用电刷等低转速的加工。而无线能量传输式超声加工一般使用在旋转超声加工(Rotary Ultrasonic Machining,RUM)中,无线能量传输的实现是基于松耦合非接触方法,又可以分为全耦合式超声加工、部分耦合式超声加工。就目前技术发展来看,考虑到机床自动换刀问题,部分耦合式的无线能量传输方式是目前适应性最强的方式。
按照工艺种类分可分为:超声铣削加工、超声车削加工、超声钻孔加工、超声磨削加工、超声抛光加工、超声切割加工、超声硬化(强化),每种工艺对超声能量的大小和振动形式都有着特殊的要求。
按照零件加工精度分可分为:精密超声加工和超精密超声加工[20-21],二者主要区别在单位切削的材料去除量,一般认为精度要求小于1微米的去除认为是超精密超声加工,比较典型的是椭圆超声加工,比较适合微纳切削。
按加工切削速度可分为:传统超声加工和高速超声加工。而高速超声加工一般是指线速度达到400m/min的超声加工。
3.2 典型超声加工机床结构
典型的超声加工机床的结构如图3所示,主要包括:超声驱动控制器、无线电能传输模块、超声刀柄、刀具、数控系统及机床本体等,其中超声驱动控制器包括:超声波发生器、超声波功率放大器、超声反馈检测、超声控制器等部分。超声波发射器与超声波接收器统一构成了无线电能传输模块。而超声刀柄是超声加工系统的主要功能部件,一般由超声波接收器、换能器、变幅杆等组成。超声加工系统与机床自身数控系统需保持一定的通信控制能力,保证整个加工过程的顺利进行。图3 超声机床主要功能结构图
3.3超声加工系统驱动控制技术
超声加工的驱动控制技术是实现超声加工技术优势的灵魂,控制器的性能更是能反映超声加工性能的关键。在实际加工过程中,超声驱动控制器需要控制的参数非常多,除最基础也是最重要的超声频率和功率外,超声加工系统的频率分辨率、响应速度、振幅波动性等也在加工过程中起着关键的作用。而众多控制参数共同决定了超声加工系统极限切削能力[7],这些参数是决定材料加工是否有效的关键,也是研究超声加工工艺的技术条件。
实际加工过程中,刀具切入切出材料过程是一个典型的强时变负载过程,即:在极短时间内切削力变化巨大,这个过程中超声加工系统的阻抗特性、控制系统中电学特性都将发生较大的突变。因此,保证这个过程中振幅的稳定性至关重要,超声控制器频率的分辨率和精度、系统响应速度成为了该过程中的关键参数。图4为一个典型切削加工过程中系统表现出来的关键参数的变化情况。图4 超声加工系统状态特征
从图4可以看出:当刀具开始进入加工状态时,加工过程中的切削力瞬间增加,此时为了保证切削过程中超声振幅的稳定性,系统会调整内部的控制参数(如:频率、功率等),使得加工过程中振幅处于稳定状态。相似的过程也会出现在刀具切出被加工材料的时刻。
超声加工过程中,由于负载、温度变化导致系统的特性在加工过程中发展较大的变化,频率快速追踪是实现有效超声加工的关键所在,常见的方法有:最大电流法、锁相环法、最大功率法等。此外,超声功率自适应控制技术也是超声加工的重要构成部分,其目标是解决超声加工过程中由于刀具受外载后振幅被抑制而无法完成有效切削的问题。这些检测都需要超声加工系统实现对超声执行部件实时状态的反馈检测,因此,超声振动的反馈检测也是实现稳定超声加工的重要构成部分。现在众多先进算法在该过程中得到应用,常见的算法包括:PID、模糊算法、人工神经网络等,算法的核心是用于对加工过程中状态的识别,从而保证加工过程的鲁棒性。
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