“云雾润蒸华不注，波涛声震大明湖”——一个与声音有关的航空加工工艺

世界因为有了声音才变得更加丰富多彩，人类也创造了很多动人的旋律。但是世界上还有很多我们人类听不到的声音，比如...






世界因为有了声音才变得更加丰富多彩，人类也创造了很多动人的旋律。但是世界上还有很多我们人类听不到的声音，比如大象与大象之间的交流，我们是一点也听不到的。不是我们的耳朵差，而是大象的交流是“加了密的”，人家采用的是次声波进行交流。有次声波，自然也有超声波，超声波一般是指频率大于20000Hz的声音，也就是人类听力的最高上限以上的声音。这些声音虽然我们听不到，但是却对我们的日常生活有着很大的帮助。

家庭里常用的超声波清洗机，牙科医生洗牙用的超声波洗牙机都是超声波在日常生活中发挥的作用。超声加工在航空航天制造中也发挥着越来越重要的作用，是未来加工方式的发展趋势。

一超声加工的提出及其分类    

随着生产的发展，航空航天对产品的要求越来越高，所需要的材料也越来越难加工。传统的切削加工无非是刀具材料比工件硬或者是靠机械能把工件材料切除。但当材料越来越硬，零件结构越来越复杂的情况下，传统的加工方式已经不能满足要求。于是人们开始探索、发掘用软的工具加工较硬的工件材料，不仅用机械能而且还采用电、化学、光、声等能量来进行加工的特种加工方式，超声加工技术就是在此背景下发展起来的。采用超声加工，可以对上述难加工进行经济加工，如图4所示。实践证明超声加工在硬脆性材料加工方面是仅次于磨削加工的一种高效加工方法。超声加工在工业中的应用开始于上个世纪 10到 20 年代，以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动、相关技术和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。超声技术在机械加工方面的应用按其加工工艺特征，大致分为两类，一类是带磨料的超声磨料加工（包括游离磨料和固结磨料），另一类是采用切削工具（如车刀、冲头、压头、钻头、砂轮、铣刀）与其它加工方法相结合形成的超声复合加工，其分类繁多，参见图5。

二超声加工的原理    

超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。加工原理如图6所示，加工时工具1和工件2之间加入液体和磨料混合的悬浮液3，并使工件以很小的力轻压在工件上。超声波换能器6产生16 000 Hz以上的超声频振动，并借助于变幅杆把振幅放大到0.05～0.1 mm左右，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断的撞击、抛磨被加工表面，把被加工表面的材料粉碎成很细的微粒，从工件上被打磨下来。

超声加工的特点

超声加工的应用不受工件材料的电、化学特性的限制，适合于加工各种脆硬材料，特别是不导电的非金属材料， 例如玻璃、陶瓷、金刚石等。

由于工具可用较软的材料，作出较复杂的形状，故不需要使工具和工件作比较复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构一般比较简单，只需一个方向轻压进给，操作、维修方便。

由于去除加工材料是靠极小磨粒瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，避免了被加工工件的物理和化学性能的变化，表面粗糙度也较好，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度零件。

三旋转超声加工技术    

1964 年，英国人 Legge 提出使用烧结或电镀金刚石刀具的旋转超声加工的方法，克服了一般超声加工深孔时加工速度低和精度差的缺点。旋转超声加工是集传统金刚石磨削加工和超声加工于一体的复合加工技术，是加工硬脆材料的一种有效加工方式，刀具随主轴做高速旋转的同时沿着轴向做超声频振动。材料的去除主要依靠传统超声加工和磨削加工的复合，具有加工精度高、切削力小以及加工表面质量好等优点，是加工硬脆材料比较理想的方法。

相对于传统超声加工，旋转超声加工能够获得更好的工件表面质量，主要表现在表面粗糙度更低，表面光整度更好。

四与几种电加工方式的复合    

1.超声加工与放电加工的简单叠加

将超声加工简单地叠加在放电加工上，如图10。示意图的结构基本与普通超声加工的结构类似，不同点是工具和工件分别连接为脉冲电源的两极。在进行超声加工并在工具头与工件的距离(即以下所说的间隙)合适时，脉冲电源击穿间隙放电，形成放电加工。

2.控制电脉冲的超声—放电复合加工

在进行超声加工时，间隙检测单元检测到合适的间隙时由控制器向脉冲电源发出控制信号，脉冲电源即发出电脉冲进行放电加工；反之，间隙检测单元检测到间隙不合适时由控制器向脉冲电源发出控制信号，脉冲电源停止发生电脉冲。

3.超声频间隙脉冲放电加工

由于周期性地改变间隙也可以形成脉冲放电。因此可以不用脉冲电源而改用直流电源进行加工。即利用工具头与工件的超声频间隙变化产生的脉冲放电进行加工。如图12，直流电源两极分别连接工具与工件。工具头的超声频振动使间隙大小产生超声频变化，间隙合适时，依靠直流电源提供的电压击穿介质放电；间隙太大，放电停止。

4.超声—间隙脉冲放电复合加工

在超声加工的基础上，利用超声加工时的间隙变化，直流电源在间隙合适时击穿磨料液进行放电加工。如图13 ，加工原理图基本与图相似，但是加工介质为磨料液，超声加工的作用明显。

5.超声电火花线切割

在电火花线切割加工中，使电极丝在走丝的同时还作横行超声振动，且振动方向与切割方向一致。如图14，超声发生器发出超声信号，经过换能器和变幅杆，最后超声振动头使电极丝作横向振动，形成超声电火花线切割复合加工工艺。

五在航空航天制造中的潜能    

现代航空航天制造业是集多个学科于一体的制造业，囊括了机械、电子、光学、信息科学、生物科学、材料科学等。航空航天制造工程的发展水平对飞机、火箭、导弹、激光武器和航天器的可靠性和使用寿命的提高，综合技术性能的改善，研制和生产成本的降低，甚至总体设计思想能否得到具体实现均起着决定性的作用。航空航天技术的发展对材料性能的要求愈来愈高，如比强度和比刚度高、有一定的耐高温和抗低温性能、有良好的耐老化和抗腐蚀能力、有足够的断裂韧性和良好的抗疲劳性能。大量理论和试验研究表明，由于超声振动的引入，材料在加工过程中的变形行为、加工机制和刀具受力状态等会发生完全不同于常规机械加工的变化，具有特殊的工艺效果，如切削力小、切削热少，因而不会或者较少引起加工表面的热损伤以及由此引起的电/化学及光学性质的变化，从而可显著提高零件加工质量，并且加工过程平稳，刀具的使用寿命得以大幅度提高，是脆性材料精密、高效加工的一种有效方法。

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