切削效率提高5倍的超声加工技术的开发

切削效率提高5倍的超声加工技术的开发—— HermannSauer和DeckelMaho公司在硬质脆性材料加工上的突破。 新材料的引入促进加工方法的变化 所有技术部门都在进行新材料试用研究，并已进入实用化阶段。工业用陶瓷、光学玻璃、硬质合金等高性能材料具备优越的特性。然而，这些难切削材料的精确成形加工，对于制造技术来说是一个极困难的问题。由于采用超声技术和先进的机床技术的结合，德国的Her-mannSauer公司和DeckelMaho公司为此提供了最好的解决对策。采用难加工的玻璃、陶瓷、硬质合金材料时，在加工、精加工的效率是个问题。因为这些材料大都是非导体，不是电加工技术的对象。 同样，激光加工技术，由于加工过程的基础是利用热，因而，不能排除材料有热损伤和微细龟裂，这也是个大问题。在以往切削方法中，要经过长时间作业，才能勉强满足加工要求。在这种情况下，不仅刀具磨损大，表面质量也不理想。针对以上问题，本部在德国中部Stipshausen的HermannSauer公司开发了全新的超声加工技术，在加工硬的脆性材料时，切削效率为原先方法的5倍。新技术加工方法的原理新技术的基础是基于超声波控制的加工主轴和最新加工机结合的超声加工过程，是在原先的加工过程(镗、磨削、铣削加工)中加上高频振动运动。超声主轴的压电转换器把超声波发生器的电气高频信号，按照适应于各种各样工具部件的共振频率20kHz固定频率转化为机械运动(纵向振动)。 这个振动从转换器送到增幅器。这个增幅器可以适应各种各样的需要量，并能控制行程的增幅。通过专利的圆锥形工具夹持器最后把振动全部传给工具，也就是金刚石工具。 在深度加工时，产生每秒约20000次脉冲运动——在轮廓加工时为纵向运动。在没有用超声的原先加工时，切削过程由于摩擦产生大量的切削热，在工件上会产生微细龟裂，从质量上考虑，这些工件还必须再进行一次磨削加工，而且工具磨损也很快。 但是，在用超声作冲击切削加工时，效能约有60％—70％被激活。因而，回转工具运动没有浪费，其大部分用于工件粒子的除去作业。因为热影响少，工具的接触时间短、切削力较小，不会形成龟裂和刃边的损坏。由于使用研磨剂，提高了表面质量(最高Ra需要特殊金刚石工具超声组件和工具夹持器组成后，金刚石工具的设计是决定超声加工过程成功的关键。 超声加工，一方面能保证切削性能，另一方面还能使工具达到长的寿命。不仅对金刚石研磨剂，而且对其结合方式都提出了特殊要求。天然金刚石研磨剂PremaDiaPDA665是金刚石工具中最适宜的磨粒。这种锋利的磨粒在受冲击负荷时有优良的微小破环特性。金刚石工具在加工过程中有自锐作用。HermannSauer公司在制造镗削、磨削、铣削加工用各种工具时，使用从6μm到90μm的金刚石磨粒。 为了把工具磨损控制在最小极限内，该公司在不损坏工具情况下开发了特殊的连结方式，用于传送机械振动。这被称为玻璃和陶瓷的连结，是在高真空下钎焊装成的；是金刚石磨粒与工具的基础材料结合的技术，这种结合不仅是机械的，也是化学的。化学结合可以防止早期磨粒的剥落，具有高的结合力，而且具有在刃部最大限度散热的优点。有示教功能的控制系统超声加工要求具有自适应控制功能。为此，Sauer公司与Fagor公司共同开发了超声加工用的数控装置。 其实质是适应控制(ADR)和声量控制(ACC)，具有二种示教功能的控制方法。为适应加工要求，可以单个使用，也可以二个同时使用。不管是适应控制和声量控制，必须适应于通常的过程管理和加工过程的操作量、控制量。因此，它可以及时识别轮廓误差。另外，工具的磨损也几乎可以忽略。适应控制，工具成为过程控制的基础，这个方法可以达到最适宜的进给速度。 ACC接收和管理声量信号，为此，在实时的加工情况下，可以使过程最佳化。ACC是针对工件的，采用此方法主要为获得最好的表面质量。ADR和ACC的结合，对于加工作业可以提供最好的灵活性。 在加工时，为取得最大限度的加工速度，可以使用ADR，而在要求最好的表面质量时，控制系统会自动切换到声量过程控制(ACC)。这个系统，目前作为标准配置配装DMS35型和DMS50型超声加工机。 DMS35加工机的行程是240mm(Y轴)、340mm(Z轴)和350mm(X轴)；而DMS50加工机，X轴的行程是500mm。电机的功率1．8/1．3kW(40％ED/100％ED)、主轴转速3000r/min(选项60000r/min)。最大进给速度可达5000mm/min。因为固定频率是20kHz，可以确保频带在17．5kHz到21．5kHz范围内。最后，由于超声加工方法有优越特性，与原先加工方法相比，切削量增大，进给性能提高，生产率最大可以增到4倍。 应用例子在扩大例如，在医疗技术方面(如内视镜检查)，在必须用光学玻璃制造时，要使用本机。采用DMS35型超声加工机的金刚石扩孔钻，可生产直径2mm—202mm，最大长度为160mm的玻璃棒。加工时，由于材料种类不同，可以采用加工进给速度为25mm/min～50mm/min，主轴回转速度为800～3000r/min。采用这些加工参数，一次加工时间为1．5min—2min。采用原先加工方法需要2倍～3倍的时间。本机的独特的优点是可以使用水作为冷却和清洗剂。以前用油时，有火灾的危险性，加工时必须配置监视员。在使用DMS35超声加工机时，可进行交叉作业数月，实现连续无人运转。 又一个例子是用金刚石扩孔钻镗加工由氧化锆制成直径12mm陶瓷坯。用户要求大幅度缩短加工时间。以前加工方法，坯件以8000r/min回转，进给速度12mm/min。为了达到表面质量RaO．4μm的要求，还要进行一次磨削。采用超声加工时，主轴转速是3000r/min，进给速度可以提高4倍，约为48mm/min，可以达到表面质量要求，不需进行再一次磨削。再一个例子是采用超声加工，对由玻璃、陶瓷、硬质合金等难加工材料制成的零件可以进行经济加工。越硬越难加工，效果越好。除陶瓷、玻璃、硬质合金，各种宝石(刚玉、玛瑙、红宝石等)、增强纤维塑料、硅、石墨等各种各样材料都可使用这种超声加工方法。