5
當前位置：匯專科技集團股份有限公司>>公司動態(tài)>>超聲技術(shù)在航空航天領(lǐng)域新型難加工材料中的應用優(yōu)勢
超聲技術(shù)在航空航天領(lǐng)域新型難加工材料中的應用優(yōu)勢
以先進陶瓷、光學晶體、高強韌性合金、高強度蜂窩以及陶瓷基復合材料為代表的新型材料，在機械、物理和化學性能多個方面具有特別的優(yōu)勢，如部分典型材料同時具備了密度低、強度高、韌性好、耐磨損、化學穩(wěn)定性高等特點。該類新型材料在航空航天、消費電子、半導體、汽車、醫(yī)療等多個領(lǐng)域發(fā)揮了極為關(guān)鍵的作用，具有廣闊的應用前景。
隨著多個領(lǐng)域關(guān)鍵部件及產(chǎn)品性能要求的日益提高，以及各類高性能新材料的不斷出現(xiàn)，對機械加工技術(shù)的要求也愈發(fā)嚴苛。面對被加工材料的性能提升、加工質(zhì)量的高要求以及加工特征的復雜性，傳統(tǒng)機械加工工藝方法已很難解決各類加工難點和痛點問題，嚴重影響航空航天等領(lǐng)域的加工制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
因此，亟須發(fā)展創(chuàng)新加工技術(shù)和工藝，不斷提升加工效率和加工質(zhì)量，才能滿足現(xiàn)代科技工業(yè)發(fā)展的需求。
1.超聲加工技術(shù)
在制造領(lǐng)域應用越來越廣泛
近年來，超聲加工技術(shù)在制造領(lǐng)域的應用越來越廣泛，其歷史起源可追溯至上世紀20年代：
·1927年，美國物理學家伍德和盧米斯最早做了超聲加工試驗，利用超聲振動對玻璃板進行雕刻和鉆孔，但當時并未應用在工業(yè)上；
·1951年，美國的科恩制成第一臺實用的超聲加工機；
·1964年，英國學者LEGGE使用固結(jié)金剛石磨粒的刀具，對玻璃、陶瓷等材料進行旋轉(zhuǎn)超聲深孔加工，取得了良好的加工效果，但仍存在加工效率低、深孔加工能力差、刀具磨損嚴重等問題。
2000年以來，隨著硬脆、復合及難加工金屬材料在精密裝備領(lǐng)域的應用需求越來越廣泛和迫切，在傳統(tǒng)超聲加工的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的旋轉(zhuǎn)超聲加工逐漸又成為了國內(nèi)外研究的熱點。
之后，由于機床研制技術(shù)的不斷提高，以及壓電陶瓷作為超聲換能器主要應用材質(zhì)的技術(shù)逐漸成熟，把超聲加工技術(shù)融入數(shù)控機床成為數(shù)控機床研制的重要方向。
與傳統(tǒng)加工相比，超聲加工硬脆、復合及難加工金屬等材料具有抑制微裂紋產(chǎn)生、降低切削力、延長刀具壽命、減少工件毛刺、提升表面質(zhì)量、解決硬脆材料深微孔加工難題等眾多突出優(yōu)勢，備受業(yè)界認可，目前已在航空航天、3C消費電子、半導體、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到廣泛使用，創(chuàng)新的加工技術(shù)推動著我國制造業(yè)進一步升級。
2.超聲加工技術(shù)的原理及優(yōu)勢
01
超聲加工技術(shù)原理
超聲加工技術(shù)的原理是通過超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振動，使刀具旋轉(zhuǎn)加工的同時施加每秒幾萬次的振動，使加工過程中刀具與工件產(chǎn)生周期性的分離，從而使得排屑更順暢、冷卻更好，并提高被加工表面精度，進而大幅提升加工效率，延長刀具壽命以及改善工件的表面質(zhì)量。
刀具除做相對于工件的高速旋轉(zhuǎn)運動外，還以一定的振幅做超聲振動，刀尖運動軌跡方程如下：
▼刀尖運動軌跡示意圖
02
超聲加工的應用形式
超聲加工的應用形式主要包括超聲銑削及鉆削、超聲磨削、超聲切割三種：
① 超聲銑削及鉆削
應用原理：超聲銑削及鉆削加工過程中,刀具與工件產(chǎn)生周期性的分離，可有效降低切削力，減少刀具與工件的摩擦，以減少刀具的粘結(jié)磨損、氧化磨損以及崩刃，進而提高刀具壽命，提高表面加工質(zhì)量。廣泛應用于各種難加工金屬材料加工，解決行業(yè)加工痛點。
② 超聲磨削
應用原理：超聲磨削加工過程中刀具與工件產(chǎn)生周期性的分離，可有效減小硬脆材料工件表面微裂紋的產(chǎn)生，使排屑更順暢、避免砂輪堵塞、冷卻效果更好，進而大幅提升加工效率，延長刀具壽命以及改善工件的表面質(zhì)量。
③ 超聲切割
應用原理：超聲振動沖擊促使蜂窩材料沿切割方向的內(nèi)部微觀裂紋快速擴展，進而產(chǎn)生超前微觀斷裂，所以切割時只需要較小的切割力就能將材料切斷，從而改善工件加工質(zhì)量，減少毛刺和粉塵。同時由于刀具與工件形成一個周期性的切割分離，縮短了刀具和工件之間的相互摩擦時間，增長刀具壽命。
03
超聲加工技術(shù)的加工優(yōu)勢
相較于傳統(tǒng)加工方式，超聲加工表現(xiàn)出極大的*性，主要體現(xiàn)在以下六個方面：
① 抑制微裂紋產(chǎn)生
普通加工硬脆材料，工件表面微裂紋明顯，亞表面損傷大。超聲加工使刀具及工件產(chǎn)生周期性分離的特性，使連續(xù)加工轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)加工，有效抑制微裂紋產(chǎn)生，減少亞表面損傷。
② 降低切削力，提高加工效率
在振動過程中鉆頭會與工件發(fā)生周期性的分離和接觸，這種特殊的加工方式不僅可以降低平均切削力，而且有利于加工過程中熱量的排出，從而降低切削溫度。普通加工切削力最大50N，超聲加工切削力最大27N，超聲加工對比普通加工切削力降低46%。
▼超聲鉆削與傳統(tǒng)鉆削切削力對比圖
同時，與傳統(tǒng)鉆削相比，超聲振動鉆削在加工過程對斷屑和排屑有一定的促進作用。
③ 延長刀具壽命
以匯專多用途超聲綠色鉆攻中心MTA-500及超聲加工系統(tǒng)進行不銹鋼飛機發(fā)動機制冷器端板鉆孔加工為例，使用超聲加工后，單孔加工時間由330s下降到225s，縮短31.8%；刀具壽命由50個孔提高到3,180個孔，提升63倍。
▼超聲加工鉆孔效果
▼傳統(tǒng)加工與超聲加工加工時間、刀具壽命對比
④ 減少工件毛刺
以芳綸紙蜂窩材料切割加工為例：
普通切割毛刺長度為1.245mm；超聲切割無明顯毛刺。
⑤ 提升表面質(zhì)量
以匯專超聲高效精密雕銑中心ULM-400，配合超聲刀柄+整體PCD微刃刀具加工碳化硅材料為例，碳化硅材料使用整體PCD微刃刀+超聲波加工平面，粗糙度可達到5nm鏡面效果。
⑥解決硬脆材料深微孔加工難題
以單晶硅噴淋盤深微孔加工為例：孔入口處目視無崩缺，真圓度達0.003mm；超聲加工孔壁粗糙度Ra 0.088μm，比傳統(tǒng)加工粗糙度降低99%。
大量研究與市場驗證表明：與非超聲加工相比，超聲加工通過刀具磨粒與工件材料超聲頻率的接觸與分離過程，可以有效降低切削阻力和減少刀具磨損，從而提高加工效率和質(zhì)量，特別是在深微孔、交點孔等加工情況中具有明顯優(yōu)勢和應用價值。
3. 案例分享
01
碳纖維復合材料超聲鉆孔測試
?加工材料：厚度為4mm的鈦鋁層疊碳纖維復合材料
?加工方案：
· 設(shè)備型號：匯專多用途超聲精密石墨加工中心MGA-500、HSK-E32電主軸、匯專超聲刀柄、D5鎢鋼鉆頭
· 冷卻方式：干切
▼加工設(shè)備
加工效果對比
① 入口表面質(zhì)量對比：
② 出口表面質(zhì)量對比：
總結(jié)
· 入口表面質(zhì)量對比
①隨著加工孔數(shù)的增加和刀具損耗，入口處崩缺與毛刺逐漸變大；
②當加工到第25孔后可知，超聲加工對比非超聲傳統(tǒng)加工有優(yōu)勢：普通鉆孔入口處發(fā)生明顯崩邊與毛刺，最大處尺寸達到0.478mm。而超聲鉆孔入口處崩邊與毛刺小，最大處尺寸僅為0.145mm；毛刺長度縮短70%。
· 出口表面質(zhì)量對比
非超聲傳統(tǒng)加工在第25個孔出口時，毛刺最大處尺寸達到0.42mm，而超聲加工同比第25個孔毛刺最大處尺寸僅為0.21mm，降低50%。
02
芳綸紙蜂窩材料超聲加工
?加工材料：芳綸紙蜂窩材料
?加工方案：
· 設(shè)備型號：匯專超聲綠色五軸聯(lián)動龍門加工中心UGA4020-5AXIS、匯專超聲加工系統(tǒng)
· 冷卻方式：干切
▼加工設(shè)備
總結(jié)
· 傳統(tǒng)加工方案：
①加工表面不平整，毛刺嚴重，粉塵較大；
②工件接觸面易受擠壓，造成表面變形、撕裂及塌陷。
· 超聲切割方案：
①實現(xiàn)3D復雜輪廓高效加工，目視無明顯毛刺，切削粉塵大幅減少；
②有效降低切削力，工件接觸面受力均勻，降低材料損傷，表面平整無塌陷。
4. 結(jié)束語
“工欲善其事，必先利其器”，超聲加工技術(shù)是針對難加工材料精密加工的利器，是一種新型的具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ南冗M制造技術(shù)，是制造強國的重要技術(shù)支撐。隨著難加工材料的大量使用，超聲加工技術(shù)將得到快速應用和發(fā)展，屆時也將助推航空航天制造業(yè)騰飛。