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摘要：超声波铣削加工技术采用简单的形状工具，根据快速原型中分层制造的思想对硬脆材料采取分层去除的方法进行加工。超声波铣削加工具有工具简单、工件与工具之间作用力小等优点。超声波铣削加工在当前的超声波应用技术中属于具有广阔开发前景的一项加工技术。
关键词： 超声波；超声加工；铣削加工
1.引言
在超声波铣削加工中，工具在超声波高频振动的同时，还做旋转运动，同时在CNC系统的控制下，每层做X、Y两个方向的进给运动。磨料颗粒在工具三种运动的综合作用下，不断地锤击、冲击、抛磨和刮擦硬脆材料的工件表面。当工具、磨粒和工件没接触的时候，材料的去除主要是靠磨粒冲击作用，工具旋转运动的作用比较弱：而当三者接触后，磨粒直接作用于工件表面上，随着加工的进行，一部分磨粒由于工具压力的作用，使之压入工具中，露出的部分刻划工件的表面，在工具旋转运动的作用下，划过圆形轨迹，在工件表面形成弧形凹痕。另一部分磨粒则在工件与工具之间发生滚动，产生滚轧效果，使工件表面产生微裂纹，裂纹扩展后使工件表面产生脆性崩碎形成切屑。
2.超声铣削加工
2.1超声铣削机床
超声波加工时，工具与工件间作用力很小，加工机床只需实现工具的工作进给运动及调整工具与工件间相对位置的运动，因此机床构造较简单，一般包括支撑振动系统的机架、工作台面、进给机构以及床身等部分。国产CSJ-2型超声加工机床是其中的代表产品，如图1所示。其振动系统安装在一根能上下移动的导轨上，导轨由上下两组滚动导轮定位，使导轨能灵活可靠地上下移动。
2.2 超声波铣削加工
工具的向下进给以及对工件施加压力靠振动系统自重，为了能调节压力大小，在机床后面有可加减的平衡重锤，除此之外，还有重锤杠杆加载、弹簧夹载、液压或气压加载等加压方式。
同时，工具的进给运动也在工具、磨粒及工件接触时作用较强，在未接触时作用较弱。由于硬脆材料的抗拉强度比抗压强度小，对磨粒加压时，就在硬脆材料加工表面的拉伸应力最大部位产生微裂纹，工具的旋转和进给运动进一步促进了裂纹扩展。当纵横交错的裂纹扩展并相互交叉时，受裂纹包围的部分就会破裂并崩离出小碎块来。这就是硬脆材料铣削加工时切削生成和表面形成的基本过程。由以上分析可以看出，超声波铣削加工中也同时具有以下三种材料去除机理：1. 冲击：随着工具的旋转，工具端面的磨料颗粒冲击加工表面的不同地方；2.磨蚀：工具的旋转运动及工具的进给运动，使磨料颗粒在工件的表面刮擦出微小沟槽；3. 超声波空化作用。
因此，我们可将整个加工过程分为两个阶段考虑：1、当工具、磨粒、工件三者不接触时，只考虑超声波振动，忽略工具旋转和进给运动的影响。2、当工具、磨粒、工件三者接触后，考虑超声波振动、工具旋转和进给运动的综合作用。超声波铣削加工中总的材料去除率为两部分去除材料之和，其中第一部分中的材料去除较少，第二部分的去除为主要的去除方式。
3.超声波铣削加工材料去除
3.1加工中材料去除模型
超声波加工中，大量的自由磨粒在工具的超声振动下不断的冲击工件，每个磨粒可以看作一个小压头。超声波铣削加工中工具做旋转运动，同时做超声振动时，情况将与传统超声振动不同。压痕的形式及工件中产生的裂纹如下：当工具回退进入下一个推动磨料冲击工件的循环时，工具旋转到一个新的位置，工具端面下磨料颗粒也相应发生滑动和滚动。因此一个工具冲击周期中产生的压痕大部分与上个周期的压痕重叠在一起。由于压痕作用形成的横向裂纹环被两个环所包围，从而造成切削区大量的刮擦，导致材料的去除。
为了建立材料去除率模型，可以假设工件材料为理想的脆性材料，材料去除为脆性断裂方式：所有磨料颗粒尺寸一致，在悬浮液中均匀分布，且在每一个超声振动循环内所有的磨粒都参与切割，超声波振幅、频率、工其直径不变，不考虑加工过程中工具的损耗。在研究单颗磨粒与工件的相互作用的基础上，给出单颗磨粒在一个振动循环内去除的材料体积，然后计算出所有磨粒去除材料之和为整个过程的材料去除率。 磨料颗粒在工具端面超声波振动下冲击工件表面，在工件表面形成压痕，每个压痕导致距工件表面深度为Ch的环形横向裂纹，当横向裂纹扩展到工件表面或两相邻的横向裂纹相遇时，一层厚为Ch的工件材料被去除。
在实际超声波加工中，工具头自振幅最高点向下运动，在a时刻接触到磨料颗粒，推动磨粒向下运动，在b时刻磨粒到达其最低位置，由于工件的阻力作用，磨粒能到达最大冲击深度6处。随后工具做反方向运动，在c时刻工具与磨粒脱离接触。因此，由于工具的上下振动，在一个振动周期内，仅部分时间内工具、磨粒及工件发生接触，使磨粒冲击、刮擦工件表面。
随着加工静压力、磨粒直径、工具转速、超声波振动频率等加工参数增加，材料去除率增加。单纯考虑工具的旋转运动，假设工具、磨粒和工件三者接触后，磨粒的转速与工具转速一致是理论的分析，实际超声波铣削加工中，由于磨料颗粒与工具问并不是刚性连接，磨粒相对于工具存在滑动和滚动，该公式还应乘以一个小于1的比例系数或减小比例系数才与实际加工过程比较符合。在不考虑机床进给运动，工件材料主要是由于工具端面击打工作液中的磨料颗粒冲击、划擦工件表面而被去除的。虽然从理论上说由于机床的进给，磨粒与工件间的实际滑动距离较小，但由于合成力的存在，工件受到的磨粒前进方向的应力增大，为裂纹的产生和扩展提供了有利条件，从而使得脆性材料的裂纹产生与扩展可能性增加，使材料去除率变大。所以说机床进给是超声波铣削加工材料去除的一个不可忽视的因素。
3.2分层厚度对材料去除率的影响
超声波铣削加工中，工具转速、机床进给速度、分层厚度、工具振幅和静压力都是非常重要的过程参数。分层厚度越大，材料去除率越高，但是分层厚度与进给速度两者相互制约，通常增大分层厚度，就要适当减小进给速度，反之，减小分层厚度，可以增加进给速度。分层厚度对成型精度的影响很大，这种分层加工方式不可避免的会使型腔轮廓出现阶梯效应，分层厚度越小，加工精度越高，但是会使加工效率降低。最大分层厚度还受工件材料性质等因素的制约，分层厚度过大在加工过程中也会使工具由于轴向承受的压力过大而发生弯曲，致使加工无法进行。最佳分层厚度和进给速度需要实验中根据不同的工件材料来确定。
4.小结
本文主要分析了超声波铣削加工技术，对超声波铣削加工技术的材料去除的原理和去除影响因素进行了分析。对于超声波铣削加工的推广和实际应用具有一定的价值。
参考文献
1 旋转超声波铣削加工技术的实验研究.肖德贤.大连理工大学.2004
2 超声波铣削加工原理及相关技术研究.冯冬菊.大连理工大学.2005
3 超声波铣削加工材料去除率的理论模型.冯冬菊；赵福令；徐占国；郭东明.中国机械工程.2006
关键词： 超声波；超声加工；铣削加工
1.引言
在超声波铣削加工中，工具在超声波高频振动的同时，还做旋转运动，同时在CNC系统的控制下，每层做X、Y两个方向的进给运动。磨料颗粒在工具三种运动的综合作用下，不断地锤击、冲击、抛磨和刮擦硬脆材料的工件表面。当工具、磨粒和工件没接触的时候，材料的去除主要是靠磨粒冲击作用，工具旋转运动的作用比较弱：而当三者接触后，磨粒直接作用于工件表面上，随着加工的进行，一部分磨粒由于工具压力的作用，使之压入工具中，露出的部分刻划工件的表面，在工具旋转运动的作用下，划过圆形轨迹，在工件表面形成弧形凹痕。另一部分磨粒则在工件与工具之间发生滚动，产生滚轧效果，使工件表面产生微裂纹，裂纹扩展后使工件表面产生脆性崩碎形成切屑。
2.超声铣削加工
2.1超声铣削机床
超声波加工时，工具与工件间作用力很小，加工机床只需实现工具的工作进给运动及调整工具与工件间相对位置的运动，因此机床构造较简单，一般包括支撑振动系统的机架、工作台面、进给机构以及床身等部分。国产CSJ-2型超声加工机床是其中的代表产品，如图1所示。其振动系统安装在一根能上下移动的导轨上，导轨由上下两组滚动导轮定位，使导轨能灵活可靠地上下移动。
2.2 超声波铣削加工
工具的向下进给以及对工件施加压力靠振动系统自重，为了能调节压力大小，在机床后面有可加减的平衡重锤，除此之外，还有重锤杠杆加载、弹簧夹载、液压或气压加载等加压方式。
同时，工具的进给运动也在工具、磨粒及工件接触时作用较强，在未接触时作用较弱。由于硬脆材料的抗拉强度比抗压强度小，对磨粒加压时，就在硬脆材料加工表面的拉伸应力最大部位产生微裂纹，工具的旋转和进给运动进一步促进了裂纹扩展。当纵横交错的裂纹扩展并相互交叉时，受裂纹包围的部分就会破裂并崩离出小碎块来。这就是硬脆材料铣削加工时切削生成和表面形成的基本过程。由以上分析可以看出，超声波铣削加工中也同时具有以下三种材料去除机理：1. 冲击：随着工具的旋转，工具端面的磨料颗粒冲击加工表面的不同地方；2.磨蚀：工具的旋转运动及工具的进给运动，使磨料颗粒在工件的表面刮擦出微小沟槽；3. 超声波空化作用。
因此，我们可将整个加工过程分为两个阶段考虑：1、当工具、磨粒、工件三者不接触时，只考虑超声波振动，忽略工具旋转和进给运动的影响。2、当工具、磨粒、工件三者接触后，考虑超声波振动、工具旋转和进给运动的综合作用。超声波铣削加工中总的材料去除率为两部分去除材料之和，其中第一部分中的材料去除较少，第二部分的去除为主要的去除方式。
3.超声波铣削加工材料去除
3.1加工中材料去除模型
超声波加工中，大量的自由磨粒在工具的超声振动下不断的冲击工件，每个磨粒可以看作一个小压头。超声波铣削加工中工具做旋转运动，同时做超声振动时，情况将与传统超声振动不同。压痕的形式及工件中产生的裂纹如下：当工具回退进入下一个推动磨料冲击工件的循环时，工具旋转到一个新的位置，工具端面下磨料颗粒也相应发生滑动和滚动。因此一个工具冲击周期中产生的压痕大部分与上个周期的压痕重叠在一起。由于压痕作用形成的横向裂纹环被两个环所包围，从而造成切削区大量的刮擦，导致材料的去除。
为了建立材料去除率模型，可以假设工件材料为理想的脆性材料，材料去除为脆性断裂方式：所有磨料颗粒尺寸一致，在悬浮液中均匀分布，且在每一个超声振动循环内所有的磨粒都参与切割，超声波振幅、频率、工其直径不变，不考虑加工过程中工具的损耗。在研究单颗磨粒与工件的相互作用的基础上，给出单颗磨粒在一个振动循环内去除的材料体积，然后计算出所有磨粒去除材料之和为整个过程的材料去除率。 磨料颗粒在工具端面超声波振动下冲击工件表面，在工件表面形成压痕，每个压痕导致距工件表面深度为Ch的环形横向裂纹，当横向裂纹扩展到工件表面或两相邻的横向裂纹相遇时，一层厚为Ch的工件材料被去除。
在实际超声波加工中，工具头自振幅最高点向下运动，在a时刻接触到磨料颗粒，推动磨粒向下运动，在b时刻磨粒到达其最低位置，由于工件的阻力作用，磨粒能到达最大冲击深度6处。随后工具做反方向运动，在c时刻工具与磨粒脱离接触。因此，由于工具的上下振动，在一个振动周期内，仅部分时间内工具、磨粒及工件发生接触，使磨粒冲击、刮擦工件表面。
随着加工静压力、磨粒直径、工具转速、超声波振动频率等加工参数增加，材料去除率增加。单纯考虑工具的旋转运动，假设工具、磨粒和工件三者接触后，磨粒的转速与工具转速一致是理论的分析，实际超声波铣削加工中，由于磨料颗粒与工具问并不是刚性连接，磨粒相对于工具存在滑动和滚动，该公式还应乘以一个小于1的比例系数或减小比例系数才与实际加工过程比较符合。在不考虑机床进给运动，工件材料主要是由于工具端面击打工作液中的磨料颗粒冲击、划擦工件表面而被去除的。虽然从理论上说由于机床的进给，磨粒与工件间的实际滑动距离较小，但由于合成力的存在，工件受到的磨粒前进方向的应力增大，为裂纹的产生和扩展提供了有利条件，从而使得脆性材料的裂纹产生与扩展可能性增加，使材料去除率变大。所以说机床进给是超声波铣削加工材料去除的一个不可忽视的因素。
3.2分层厚度对材料去除率的影响
超声波铣削加工中，工具转速、机床进给速度、分层厚度、工具振幅和静压力都是非常重要的过程参数。分层厚度越大，材料去除率越高，但是分层厚度与进给速度两者相互制约，通常增大分层厚度，就要适当减小进给速度，反之，减小分层厚度，可以增加进给速度。分层厚度对成型精度的影响很大，这种分层加工方式不可避免的会使型腔轮廓出现阶梯效应，分层厚度越小，加工精度越高，但是会使加工效率降低。最大分层厚度还受工件材料性质等因素的制约，分层厚度过大在加工过程中也会使工具由于轴向承受的压力过大而发生弯曲，致使加工无法进行。最佳分层厚度和进给速度需要实验中根据不同的工件材料来确定。
4.小结
本文主要分析了超声波铣削加工技术，对超声波铣削加工技术的材料去除的原理和去除影响因素进行了分析。对于超声波铣削加工的推广和实际应用具有一定的价值。
参考文献
1 旋转超声波铣削加工技术的实验研究.肖德贤.大连理工大学.2004
2 超声波铣削加工原理及相关技术研究.冯冬菊.大连理工大学.2005
3 超声波铣削加工材料去除率的理论模型.冯冬菊；赵福令；徐占国；郭东明.中国机械工程.2006