超声波在机械研磨加工中的应用

刘鸿智

摘 要：本文探讨了超声波在机械研磨中的应用，对运用超声波技术进行机械研磨与不应用超声波技术进行机械研磨进行实验，通过对比发现，超声波复合研磨的去除率明显高于单一的机械研磨。由此得出，在机械研磨中加入超声波技术对工业生产具有重要意义，值得推广应用。

关键词：机械研磨；超声波；应用

中图分类号：TG663 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）05-0062-02

The Application of Ultrasonic in Mechanical Grinding

LIU Hongzhi

（Hebi Polytechnic，Hebi Henan 458030）

Abstract： This paper discussed the application of ultrasonic in mechanical attrition， and carried out mechanical grinding experiments with ultrasonic technology and ultrasonic technology. Through comparison， it was found that the removal rate of ultrasonic composite grinding was significantly higher than that of single mechanical lapping. Therefore， it is very important for industrial production to add ultrasonic technology to mechanical grinding， and it is worth popularizing.

Keywords： mechanical grinding； ultrasonic；application

随着我国机械制造业的不断发展，汽车、航空、机械等领域对新材料的需求量越来越大，尤其对工程陶瓷的需要。为了克服加工过程中存在的困难，需要提高机械研磨的材料去除率，以获得超精密的表面质量。

超声波是一种频率高于20 000Hz的声波，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。超声波在媒质中具有反射、折射、衍射、散射等传播规律。超声波之所以能应用到机械研磨加工中，是因为其波长很短（<17cm），具有普通声波不具有的加工优势[1]。

1 超声波加工技术

超声波具有能量高的特点。超声波频率高，在传播时方向性好、穿透力强、介质振动力强，会产生空化现象。鉴于上述特点，其能量密度可达100W/cm2以上。

超声波具有空化现象。空化泡存在于液体中并在超声波作用下发生强烈振动，超声波的气压分为超声正压和超声负压，空化气泡在不同气压下会发生不同的反应：正压时，空化气泡闭合；负压时，空化气泡迅速长大，且超声气压是正压与负压不断交替出现，这就导致空化气泡一直在不断伸张与压缩，直到达到一个能使其崩溃的点，这个点就是所谓的“热点”。在热点出现的一瞬间，空化气泡的周围会出现异常的高温与高压，这就是“热点”的来源。

超声波具有机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。超声波在液体介质中传播时，会形成一股驻波，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。

超声波具有化学效应。超声波的空化现象与化学效应具有密切的关系，化学反应的生成总会伴有空化现象的出现，两者共同作用加速化学物质的分解、水解与聚合。超声波加强能给化学反应带来极大的作用：首先，超声波加强使空化现象更加剧烈；其次，当空化气泡崩溃时会产生强烈的冲击波，这会给化学反应提供一个特殊的反应环境，让原本难以发生的化学反应顺利进行反应[2]。例如，在染布料的水中通入超声波后，会产生变色或者褪色的现象。

在机械研磨加工中，超声波主要应用于硬脆材料的加工及不导电的非金属材料领域。利用超声波进行机械研磨加工，生产成本较低，且设备简单、操作简单，加工出来的产品质量高、加工精度高且不易变形。鉴于超声波加工的这些优点，现在世界上很多国家都已经在传统机械研磨中加入了超声波。利用超声波技术后研磨出来的工件，表面光滑，材料去除率也得到提升。

2 超声波精密研磨加工的现状

超声波精密研磨加工是指在普通的机械研磨基础上加入超声波技术，这种加工方法可以有效提高工作效率和加工元件的质量，主要应用于硬脆材料加工领域，加工出来的材料表面光滑度高、损伤小。除此之外，超声波还可以应用于医学B超、清洗元件、测距离和杀菌消毒等领域。大量研究表明，在机械研磨中加入超声波技术，能减少研磨时出现的问题，各个国家都在应用该技术。

国内有研究表明，在机械研磨中加入超声波技术，超声振动频率过高，振动研磨时，工件的表面光滑度会变好，说明超声波研磨技术对增强砂轮研磨性具有一定作用，其使得机械研磨的砂轮不容易堵塞，砂轮能一直保持其锋利性，研磨效率也能大大提升，且加工出来的材料质量高，研磨的表面能形成网状结构。普通研磨与超声波研磨最大的不同在于：普通研磨在研磨过程中砂轮与研磨方向是直线前进的；而在超声波研磨过程中，砂轮与研磨方向是互相垂直的，在一定程度上增加了砂輪磨粒的研磨长度。研磨的最终效果还受其他因素的影响：工件直径的大小对研磨加工效率有一定影响，直径越小，加工效率越低，但直径越大，加工效率不会一直增大，因为当直径达到一定程度时，加工效率会减少增长且趋于平稳。

3 实验设计

试验装置由机械研磨系统、超声波振动系统和夹具调节机构组成。

试验装置的原理。利用对称安装的方法，在夹具上装上连接器，一次性可以装5～10个；为了能通过连接器传递到研磨介质的界面上，安装换能器，充分发挥换能器的作用，将其接受到的超声波信号转换为机械波信号，超声波经过变幅杆时进行放大，最后传递到夹具上；在电机的驱动下，机械研磨盘可以进行自转和公转，转动的速度不可以调节，但可以通过加载装置自行调整，平行度是由高度调整环实现的，在调整的同时还有一个专用的对刀块在工作。

超声波研磨加工的理论模型。目前，在机械研磨中加入超声波技术受到世界各国研究人员的关注，这种新颖的加工方式对现代工业化的发展具有重要意义，这也就促使世界各国的研究人员在该方面不断深入探索，推动了超声波研磨加工技术理论模型的不断完善，丰富了精密研磨的工艺技术。

4 超声波研磨加工材料的去除机理

通过实验研究发现，超聲波研磨加工材料去除过程受很多工艺参数的影响，如压力、磨粒的浓度、磨粒的尺寸、转速及时间。要想提升研磨抛光工艺技术，最根本的就是解决材料去除率的问题。一般情况下，研磨加工的材料去除分为三个过程：一是将研磨磨粒在压力作用下放到试件中；二是在压力作用下，研磨磨粒会发生变形纹裂；三是试件接受研磨磨粒的挤压冲击，研磨盘又一直在转动，此时试件纹裂处就会产生切屑。材料的去除率随切屑的大小而改变，产生的切屑越大，材料去除率就越大。

因此，超声研磨加工时应制定合理的工艺参数，注重工艺参数对材料去除率的影响，从而获得表面质量更为光滑的工艺元件。

5 实验结果分析

在机械研磨加工中加入超声波，能提高材料的去除率，得到表面光滑的元件。超声波的高频率振动使机械研磨时间变长，速度大大提升，利用超声波研磨时，磨轮会与研磨方向成垂直关系，这会在加工界面形成一个特殊的空化现象，然后加工界面的空化泡再伸展收缩交替变化，气压降低时会产生大量气泡，到一定程度，气泡会瞬间爆破，最终利用爆破瞬间产生的冲击去除元件表面的不平处，从而得到表面光滑的元件，大大提高元件的表面质量。

6 结论

实验结果表明，超声波进行研磨是制作这些新材料的最佳方法。本文介绍了超声波及超声波加工技术，分析了当前超声波精密研磨加工技术的现状，并进行了实验设计，在世界各国研究的基础上，进一步完善超声波研磨加工的理论模型。通过实验可以得出以下结论：①超声波本身的特点为研磨加工提供了较大的优势，这也是为什么在传统机械研磨中加入超声波技术的原因；②超声波研磨的理论模型在进一步完善，对超声波的应用越来越广泛；③在传统的机械研磨中加入超声波技术后，发现材料去除率和工艺参数具有较大的联系，对工艺参数进行优化后，材料去除率得到很大提升，是一般机械研磨材料去除率的5倍还要多，这也大大提高了工业的生产效率。

参考文献：

[1]戴杰.ELID超声振动磨削技术开发及其实验研究[D].杭州：浙江工业大学，2016.

[2]刘曼利，侯军峰，杨卫平.超声椭圆振动复合化学机械研磨硅片运动轨迹仿真研究[J].组合机床与自动化加工技术，2016（10）：4-7.