難加工材料的超聲波磨削

硬質合金、金屬陶瓷、人造聚晶金剛石或纖維強化複合材料製成的工件進行切削加工，尤其是要形成複雜輪廓外形的工件時，已經證實這種加工任務是特別困難的。超聲波輔助磨削加工是一種創新的工藝方法，採用這種方法可以快速和精密地加工這些難加工材料。

高級材料在應用中具有普通材料無法比擬的特性，然而它受到製造成本的限制。為了改變這種狀況，必須降低製造費用。對於這種情況，最典型的是陶瓷的加工。像以氧化鋁或氧化鋯陶瓷製成的球狀關節的人工假肢體，由碳化硅製成的滑動軸承和燃燒器組件以及陶瓷的滾動軸承組件或經常所說到的氮化硅陶瓷閥體儘管已經能夠在市場上得以存在，但是廣泛地應用在大多數零件上還是受限制的。

針對工件材料優良的特性顯然存在著成本方面的缺點 (這種高成本幾乎總是由硬質材料的加工引起的)，同時為了加工複雜幾何形狀 (孔、槽、球面或自由成形表面 )而缺少合適的加工策略也受到限制，由此使得所希望的應用變得困難。柏林機床和工廠企業研究所至今的工作已經表明，採用超聲波輔助磨削工藝在加工複雜輪廓外形陶瓷部件時對提高生產率有很大的潛力。

為了提供面嚮應用的工藝數據，用原型試驗裝置取得的知識還是不夠的，只有在滿足應用要求的情況下研製一種基本的工藝才能創造一種前提條件，以便能充分利用所指出的提高生產率方面的潛力，同時也改善部件加工時的經濟性。

工具或工件被激發振動

在超聲波輔助磨削時，傳統磨削的運動狀況被疊加上一個附加的縱向振動的有效運動，它的方向隨一個大約22 kHz的超聲波頻率交變。超聲波輔助原則上可以通過工具或工件的振動激發被帶進接觸區，振動激發通過一台外部的電壓發生器和一台聲換能器按照壓電源理實現，這裡可提供一個大約4 mm的輸出振幅，它藉助於後接的聲波管，根據應用要求可以放大至約80 mm。

根據工具和工件相互間的位置以及待加工表面輪廓形狀，涉及到磨削工件時，可以分為軸向和徑向的振動疊加。對於實用化的工藝方案，根據DIN 8589第二部分(德國國家工業標準)和按照Cartsburg,H.的博士論文(柏林工業大學，1993年)得出圖1所描述的運動方案。所疊加的振動導致了一個有效速度的持續方向交變，接著導致了表面形成和磨損機理的根本改變。傳統的扇形狀的加工運動軌跡通過輔助的超聲波轉化成正弦波形的相對運動，在徑向振動疊加後，在傳統運動時磨粒所存在的與加工表面的持續接觸被超聲波頻率頻繁地中斷，由此切屑特性會顯著改變，摩擦係數,因此引起的熱量會顯著降低。

一個軸向的振動疊加導致有效速度數值和方向上的交變，在正確調整相關影響參數情況下，所觀察到的效果是有利於接觸區切屑形成和磨削工具的磨損行為，由此在應用時可以達到比傳統磨削過程更高的磨除效率和更長的磨削工具耐用度，同時也不會造成加工精度下降或工件損傷。超聲波輔助磨削原則上可以在每一種磨削運動上應用，當傳統加工時存在一個持續的工具-工件接觸時，其優點尤為突出。聯繫到陶瓷材料的加工困難性，在其上加工複雜的輪廓形狀，如孔、槽、球面或自由成形表面以及花紋時，這種工藝是特別有效的。在這種背景下超聲波磨削提供了對迄今使用的大多數不經濟或相對耗費的工藝方法的一種最有效的選擇。此外超聲波磨削還可以避免定向的加工痕迹或者可以改善加工表面的潤滑狀況。

切削力數值減小

超聲波輔助磨削的一種應用可能性是縱向周磨。這種工藝分為兩種工藝方案：普通磨削和深切緩進給磨削，深切緩進給磨削與普通磨削不同，它的特點是具有大的徑向進給量和緩慢的縱向進給量，由此造成大的接觸長度和小的切屑厚度。圖2表示的是在深切緩進給磨削燒結氮化硅和氧化鋁陶瓷時，在疊加徑向超聲波振動時，磨削過程力的變化規律。

根據Uhlmann，E.G.的博士論文(柏林工業大學，1993年)已經確定，在傳統的磨削時隨著磨除體積的增加磨削力急劇增加，這將導致砂輪表面形貌的快速改變。從具有相對高的磨粒鋒刃開始，隨著磨削時間的增加，金剛石磨粒的切削刃被磨平，摩擦係數增加，作用在磨粒上的力增加，一直達到磨粒保持力，這時會出現磨粒的破碎或斷裂，同時磨粒切削刃變短。由於超聲波的作用會產生一個幾乎穩定的磨削過程，這與被加工的材料無關。這樣，隨著磨除量V" w的增加，切削力的增加減弱。在法向，即在縱向工件振動方向上，有無超聲波輔助時的磨削力差別特別大。在超聲波輔助磨削時，磨粒被磨平(嚴重鈍化)和磨粒出現斷裂的部分顯著減少，相反地磨粒發生微碎的部分增加，由此磨粒「微刃」的數量增加，這在磨損機理上得到補償，總的說來會出現幾乎不變化的徑向磨損。這種情況可以由電子掃描顯微鏡的照片證明，在加工表面形成時的磨粒脆性微碎部分增加，但彎曲斷裂強度和自身應力並沒有發生顯著變化。此外對普通磨削的試驗也表明，所描述的超聲波輔助的效果，隨接觸長度的增加同樣顯著地影響加工效果。

圖1縱向周磨(A)，橫向側面磨(B)和橫向周磨(C)作為超聲波輔助磨削的工藝方案;A-振幅，ae -徑向切削深度，ap -軸向切削深度，ns -轉速，PPAD 接觸壓力，VC 切削速度，Vfa 軸向進給速度，Vft -徑向進給速度，Vft -工作台進給速度

採用不同進給速度的橫向側面磨削

通過橫向側面磨削的孔加工可以用行程控制或磨削力控制的進給實現，在選擇進給種類時所使用的機床起著決定性的作用，在超聲波振動精研機上優先採用力控制進給法，在端面銑床上使用超聲波振動主軸時大多數情況下採用行程控制進給法。為了評價加工過程，對在行程控制進給時的磨削力的變化過程進行了分析，圖3清楚地表明，一個沒有超聲波輔助的磨削加工導致了一個很差的過程行為，因為出現了迅速增大的軸向力。

圖2在深切緩進給順磨氧化鋁陶瓷(A)和燒結氮化硅陶瓷(B)時，沒有超聲波輔助(蘭色曲線)和有超聲波輔助(紅色曲線)時的磨削過程力。砂 輪：D126 K+8821 JY C50,振幅：4 mm，徑向切深ae：1.0mm，砂輪速度Vc：35 m/s，工作台進給速度Vft：300 mm/min，金屬磨除率Q" w 5 mm3/s

圖3用一個磨削工具D46 BZ335 C75磨孔加工(橫向側面磨削)氧化鋁陶瓷，在沒有超聲波輔助(蘭色曲線)和有超聲波輔助(紅色曲線)時軸向力的對比。行程控制進給，振幅：12 mm，孔深h:10 mm，轉速ns:3000 min-1，軸向進給速度Vfa:4 mm/min

圖4用工具D126 BZ335 C75超聲波輔助橫向周磨加工氧化鋁陶瓷工件。振幅：12 mm，軸向切深ap：2 mm，工具轉速ns：3000 min-1，徑向進給速度Vfr：2 mm/min;1-沉入，2-同時的內、外加工，3-外加工，4環形槽加工完畢;Ra -輪廓算術平均偏差，Rk -磨粒粗糙度，Rpk -簡化的峰值深度，Rpk -簡化的峰谷深度

試驗時在磨削時間tc達到22s之後，軸向力FZ已達到一個不允許的240 N的值，於是試驗過程必須被中斷。可以想像由於固定不變的工具和工件的接觸會造成磨粒鈍化並隨之強烈降低其切削能力，在固定的進給速度情況下由此導致切削力提高，因此採用傳統磨削工藝是不可能經濟地加工陶瓷上的孔。

採用超聲波磨削，磨削力只有微小的增加，並有一個穩定的加工過程。超聲波的輔助作用會產生較大的磨粒作用傾角，可使得磨粒從工件加工表面上不斷間隔地稍微抬起一點，由此金剛石磨粒避免快速鈍化磨平。此外工具與加工表面間的摩擦係數會顯著降低並可改善接觸區的冷卻潤滑狀況。

相對小的磨粒粒度(D46)可以實現很好的加工表面質量和形狀精度，在考慮所使用機床的運行精度情況下，軸向磨損總計平均大約在10 mm孔深下僅有10 mm，在一個砂輪磨削層為5 mm時，其理論上最小的壽命為加工5 m長的孔深。

試驗中達到了近乎穩定的加工過程

在恆定的接觸壓力下採用力控制進給速度磨孔，對帶有端面的磨削工具進行試驗，分析磨削過程中主軸電機電壓與磨削時間之間的變化規律。在經過一次標定之後，電壓值可以直接轉化為瞬時的進給速度值。接觸壓力的大小是依據磨孔深度和磨削時間來確定，為了更好地分析和描繪，信號通過一個低通濾波器濾波。

此外，在積分之後信號可提供按一個確定時間所達到的磨孔深度信息，更進一步，可增添為分析過程的穩定性測量，因為一些無規則性的干擾(例如顫振)會直接在曲線變化上引起矛盾。沒有超聲波輔助時，在試驗中發現進給速度會逐漸迅速地減少至零，這類似於前面所敘述的可以用砂輪磨削層的迅速鈍化來解釋。磨削過程在只有幾毫米進給後就出現中斷，只有通過砂輪重磨才能夠維持正常的磨削過程，這對於實際的加工來說是不經濟的。

採用超聲波輔助加工則可以產生一個近乎穩定的磨削過程，它即使在較大的沉孔深度時也是穩定的，調整的進給速度和切削功率隨磨削工具轉速、接觸壓力和振幅的增加而增加，直到達到一個系統技術條件允許的不會出現不穩定狀態的極限標準。

大量超聲波振動精磨的試驗表明，可達到的磨除率 Q" w隨陶瓷材料的斷裂韌性的提高而提高，切削功率在超聲波輔助橫向側面磨削時也與工件材料有密切的關係。然而這裡除去材料的斷裂韌性KIC值之外，材料的強度、硬度和切削加工性也起著重要的作用。

總之超聲波輔助磨削有很高的磨除率，此外超聲波精磨的試驗一般能得到較好的形狀精度和有非常高的耐用度。

隨著加工難度的增加，臨界的接觸壓力下降，超過這個壓力會出現與設備有關的過程不穩定性，由此可推導出使用合理的機床部件的要求，這特別涉及到在磨削時特有的高磨削力和扭矩。剛性以及可調的工具轉速和接觸壓力都可以被作為極限標準。

橫向周磨作為另一種工藝方案

在陶瓷工件上加工槽、溝、圓弧半徑或其他的三維幾何形體時，可以在燒結前用壓型方法實現，或者在終加工範圍中實現，例如通過軌跡控制的超聲波振動精磨或者在較大工件尺寸上採用所謂的坐標磨削。

在導電性工件材料上也可以使用電火花腐蝕工藝，但加工效果一般不令人滿意。通過應用金剛石，塗覆的磨削工具，擴展了軌跡控制的超聲波振動精磨的應用範圍，使之成為超聲波輔助橫向周磨，與端面銑削的運動條件完全符合。

必須採用相匹配的機床

基本工藝試驗的結果表明，磨削力與進給速度、軸向切深、徑向切深以及被加工材料有關。為了分析複雜幾何形狀工件在一次裝夾中的加工狀況，以在氧化鋁陶瓷工件上加工一個環形槽為例，軌跡控制可以通過機床 CNC-控制實現，圖4表示的是在加工過程中所測量的特徵量。超聲波輔助磨削工藝對於經濟地加工複雜三維輪廓外形的陶瓷材料，具有巨大的潛力，然而對加工設備的結構特徵和運行條件來說，現有的機床是不適合的，因此一種有效的、與超聲波磨削加工相匹配的機床是十分必要的。

今後要研究和驗證超聲波磨削在符合要求的機床系統條件下，擴展其、加工難加工材料範圍 (例如陶瓷、玻璃、硬質合金、金屬陶瓷、人造聚晶金剛石和其他難加工材料)。工作的重點要放在基礎理論、可行性試驗和各種複雜工件加工過程的優化上。

首次的研究成果已經表明超聲波磨削有著寬廣的應用前景，為此在柏林機床與工廠企業研究所的實驗室里已經安裝了一台新型的超聲波磨削加工設備。