基于超声技术的硬材料加工

　　GILDEMEISTER提出了一种基于超声技术的用于加工硬脆材料工件的全新方法。该方法适用于对陶瓷、玻璃、硬质合金、硅、石墨、粘接剂以及不锈钢的加工。

　　制药工业、光学工业和汽车工业，以及其他的一些工业部门对于高负荷零件的需求日益增加。在这一趋势中，人们使用了众多所谓的“高性能材料”，例如陶瓷、玻璃、硬质合金等。这类材料一方面具有很好的特性（重量轻，化学稳定性和热稳定性好，耐腐蚀等），但另一方面它们的硬脆特性使得传统的加工方法（例如：磨削、金刚石刀具加工等）对难于加工或使用传统加工方法的费用提高。

　　基于这种背景，人们应用超声波技术在制造业中实现了量子跃迁技术。位于Stipshausen im Hunsrück的Hermann Sauer股份有限公司根据30多年来在超声加工领域中的经验，开发了一种超声加工新技术— Ultrasonic。从2001年11月1日GILDEMEISTER集团加入High-tech-Schmiede后，该公司已经成为欧洲十大切削机床生产商之一

　　根据Ultrasonic的设计方案，超声波对切削加工过程带来一定的影响，镶嵌有金刚石微粒制成的铣、钻、磨刀具以20kHz的频率（即每秒20000次）切入工件。在超声波的帮助下，即使是最硬的工件也可以使用较小的力度和较高的进给功率进行切削加工。

　　目前采用传统的加工方法加工硬脆性材料时，需要分为多道工序进行，浪费时间，而且加工费用较高，造成极大的损失（由于加工刀具和被加工工件之间的摩擦引起）。而采用超声波加工，可以根据目标进行直接加工，在加工过程中具有很多优点：

　　—与传统加工相比，超声波加工可以最多在5个面内进行高质量的加工。
　　—加工后表面光洁度可达到Ra < 0.2 μm。
　　—由于采用了整体式自适应控制（ADR）和声学控制方法（ACC），提高了加工过程的安全性。
　　—精确钻孔时，孔径最小可达0.3mm。
　　—由于力度和热负荷小，有利于保护工件和刀具。
　　—可自行磨刀的金刚石刀具可以保证较高的切削效率并延长使用寿命。

　　在进行超声波加工过程时，需要将一个高频电信号转化为一个力学运动量。然后通过一个调压器放大振动的幅值。理论上，所使用的金刚石刀具在20kHz（每秒20000次脉冲）的脉冲运动下将先收缩，随后出现延伸。当达到幅值或延伸的最大值时，与刀具固定在一起的金刚石微粒触及到待加工的工件表面。工件材料被破碎为微小碎屑。

　　同时刀具以3000至4000rpm的转速旋转，一方面为使工件达到加工精度，另一方面为清除旋转区内切削下的工件材料的碎屑，这些碎屑最终用净水从工作间中冲走。如果选择磨削加工，需要使用大量清水冲洗，如果选择铣或钻的加工，则需要对主轴进行冷却。

　　除幅值和使用的控制量以外，金刚石刀具和固定在刀具上的金刚石微粒对加工过程的效率和质量也会产生很大的影响。影响主要取决于金刚石刃的硬度和金刚石微粒的尺寸，特别是取决于刀具承载部分和切削材料之间连接的化学—力学特性，这一连接特性必需与Ultrasonic的加工过程相一致。除Ultrasonic的轴以外，粘接材料也会发生先收缩再延伸的现象。因此在选择粘接材料时要保证：当金刚石微粒延伸到最高点时，仍然保持与刀具之间的粘接足够牢固。另外还需要具有一定的柔性，使得当金刚石微粒受到撞击时不至于从刀具上折断，而仅在大范围内进行切削。在这一切削过程中形成了众多的单刃，因此在使用金刚石刀具进行切削加工时刀具可以自动磨刀。在刀具的整个使用寿命中都可以保证很高的而且保持不变的切削效率。

　　Ultrasonic加工的环节中另一个重要因素是经过特别设计的刀具架（已获得专利）。一个锥螺纹可以实现可靠的形状连接和力连接，保证主轴和工件之间良好的振动传递性。这种特殊设计的结构可以在加工过程中保证主轴的安全性，使得纵向的振动不会传递到主轴轴承并经由轴承传到机床的机座上（类似一个单向止回阀）。

　　Ultrasonic的技术成功之处不仅仅在于加工过程的效率，更重要的是能够保证被加工工件的加工精度和加工质量。Ultrasonic技术能够被潜在用户接受的原因受两个因素的影响：加工过程的安全性和加工过程的可重复性，从而保证了Ultrasonic技术在各种生产环境中均可应用。Ultrasonic机床的计算机数控单元拥有各种类型的智能控制算法，实时进行过程监测，给出合适的控制调节量，例如：幅值、进给量和转速等，并将根据滞后误差做出即刻识别，以避免刀具的折断。Ultrasonic机床几年来在实际工作中的性能证明（三班制，经常使用情况下）上述措施是行之有效的。

　　在使用中，可以与自适应控制方式（ADR）或声学控制方式（ACC）组成两种控制系统。当与ADR联用时，机床上的标尺具有监测功能，因此加工中能实现最佳的进给量。与ADR面向机床的工作方式不同， ACC则接收或监测工件发出的声学过程信号。如果对工件的表面加工要求高，则需使用ACC控制方式。

　　无论是ADR还是ACC，都是对物理参数进行测量。智能化控制算法不考虑偶然情况和以往的经验。将ACC和ADR组合使用，可以以最佳的灵活性实现加工效果。例如在开始加工阶段，由ADR给出尽可能大的进给量，而在表面精加工末期，则自动切换为ACC的声学信号控制方式。

　　ULTRASONIC超声公司首先提供的Ultrasonic系列有两种类型，X轴350mm和X轴500mm。位于Sauer的DECKEL MAHO公司为上述两种类型的机床提供了机器的基本部件，Sauer对这些Ultraschal机床的部件进行组装，例如：Ultraschal主轴、Ultraschall发电机、振动传感器以及金刚石刀具等。除标准件外，ULTRASONIC超声公司还补充提供Ultrasonic系列机床的一系列特殊用途附件，例如用于微加工的生产程序等。

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