超声波--硬质切削的量子飞跃 - 文章

超声波--硬质切削的量子飞跃

作者：DMG北京代表处市场部经理李莹

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GILDEMEISTER公司推出了高效加工易碎材料的革新方法--超声波技术。这些易碎材料包括陶瓷、玻璃、钨铬钴合金、硅、石墨、复合材料和宝石等。

图1 DMS超声波系列革新了易碎材料加工工艺

高速切削与传统加工方式的区别

市场对于强应力部件的需求一直在增长，这在医学技术和光学工业以及汽车工业和许多其他行业都是如此。这些需求由于使用“先进材料”已逐步得到满足。这些材料虽然有优秀的性能（如重量轻、抗腐蚀、耐高温和耐磨损等），但是用传统方法加工的话，比如用钻石刀具在磨床上加工，那么所需花费也是很大的。其原因就是这些材料又硬又脆。

这些难度的挑战使超声波技术成为当今加工技术上的一个量子飞跃。此超声波技术是由德国洪斯吕克地区Stlpshauscn的Herman Sauer公司开发的。此发明是该公司30多年革新加工技术经验的结晶。自从GILDEMEISTER公司获得了该高科技开发商的控股权以来，此厂已成为欧洲最大的金属切削机床制造厂商中的第10个供应商。

之所以起名为“超声波”，是由于金属切削工艺是靠超声波技术支持的，铣、镗、磨的刀具头上镶有工业钻石，以20kHz的频率，或每秒20000次“打”入工件里，即使是最硬的材料也可以很低的接触力和很高的进给功率来进行加工。

传统的易碎材料加工方法十分麻烦，因为有许多耗时的步骤必须进行，成本也特高，因为刀具和材料的磨损都十分可观。而超声波加工可以直接达到指标，在工艺上还有以下令人信服的优越性。比传统方法生产效率提高5倍；表面粗糙度Ra＜0.2um；因为有智能控制算法ADR和 ACC，即使是达0.3mm直径的精密钻孔也能保证过程安全；工件和刀具均得到保护，因为接触力和热应力都小；钻石刀具会自我锐化，保证了在低接触力之下的高切削率；机械使用寿命长。

超声波工艺是从高频电信号转变成机械运动开始，然后增压器放大振荡幅度，钻石刀具以额定频率为20kHz即每秒 20000次的脉动方式伸缩，在伸出或振幅的最高点，附在刀具上的多个钻石核与工件的表面碰撞，于是材料就变成极小的颗粒。

与此同时，刀具也在旋转，转速在3000～4000r/min之间，主要是使工件达到圆滑的效果，同时也把多余的材料颗粒从工作区清除掉。最后它们很容易用水从工作区冲走。根据所选择的不同工艺，在磨削过程中可以进行淹没式冲洗，而在铣削和钻削过程中则通过轴分别进行冲洗和冷却。

图2 硅晶厅：钻孔加工在超声波技术帮助下，金属切削率得到了提高，
改善了表面质量，并显著减少了边缘迸裂现象

图3 用新型DMS超声波把加工的陶瓷功能件

决定工艺过程效率和质量的因素不仅有振幅和受控变量，而且还有镶钻石核的刀具。这对于钻石分裂器的硬度及核的尺寸，尤其是对于按照超声波工艺来校准的刀具架及切削材料的化学机械连接来说，的确是如此。当然，正如整个超声波轴一样，粘合材料也在过程中伸缩，因而此材料的选择有讲究，在伸出的最高点，钻石核继续保持强力粘附在刀具上；另一方面，还需要有一定的柔性以便核在与工件接触时不会脱落，而只有在大范围里的核头裂开。通过这种分裂，刀刃数得以增加，于是钻石刀具便在运行过程中实现了自我锐化，从而使高切削率在机器的整个使用寿命中基本保持不变。

图4 CNC控制的DMS超声波机系列通过使用集成控制算法保证了最佳工艺安全

超声波工艺链中另一个重要元件是专门设计的刀具架。其锥形螺纹提供了一个刚性连接与压力装配的完美结合，保证了从轴到刀具的振荡传递。轴有类似于单向节流阀的特殊结构，可保证不会有轴向的振荡返回来冲击到轴承并进入到机器。

然而，超声波技术不断取得成功的关键因素，并非只是提高了生产效率、被加工工件的精度和质量。或许它被潜在用户接受的更重要的原因，可以在以下两个因素里找到：安全、产品可复制，换句话说，超声波在实际工作环境下的能力。为此，CNC控制超声波机器的方式多种多样，智能控制算法通过流程监控及调整加工过程的操作和控制变量，例如振幅、进给量和转速，可保证运行平稳。偏离变量的情况可以立即发现，所以刀具碰坏的情况几乎不会发生。这一点已经在超声波机每天三班倒频繁运行的多年实践中得到了证明。

超声波机使用ADR和ACC两种过程控制方式。ADR是德文Adaptivregelung的缩写，意为自适应控制。其控制功能通过监控刀具来进行，所以这种方法保证的是最佳进刀量。与引导刀具的ADR相反，ACC是声学控制，监控加工过程中工件发出的声学信号。ACC主要用于对表面质量要求极高的情况。

ADR和ACC都连续不断地检测物理参数。平心而论，使用这些智能控制算法也离不开运气和实验观察。ADR和ACC也可以结合起来使用，这样可以保证灵活加工以取得最佳效果。例如，加工一开始，靠ADR可以使进刀量为最小。在最后抛光表面时，控制方式自动切换到ACC声学控制。

DMS超声波机系列产品有两种规格，X方向分别为350mm和500mm。DECKEL MAHO以基本配置把这两种机器送到Sauer，在那里给它们配备新开发的超声波元件，如超声波主轴、超声波发生器、振荡敏感器及钻石刀具。除了DMS超声波系列的标准供货方式之外，还有另外的补充备用品专为特殊应用场合例如微切削加工而提供。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/19/2004)


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