超聲波——硬質(zhì)切削的量子飛躍

    GILDEMEISTER公司推出了高效加工易碎材料的革新方法——超聲波技術(shù)。這些易碎材料包括陶瓷、玻璃、鎢鉻鈷合金、硅、石墨、復(fù)合材料和寶石等

    高速切削與傳統(tǒng)加工方式的區(qū)別

    市場(chǎng)對(duì)于強(qiáng)應(yīng)力部件的需求一直在增長(zhǎng)，這在醫(yī)學(xué)技術(shù)和光學(xué)工業(yè)以及汽車工業(yè)和許多其他行業(yè)都是如此。這些需求由于使用“先進(jìn)材料”已逐步得到滿足。這些材料雖然有優(yōu)秀的性能（如重量輕、抗腐蝕、耐高溫和耐磨損等），但是用傳統(tǒng)方法加工的話，比如用鉆石刀具在磨床上加工，那么所需花費(fèi)也是很大的。其原因就是這些材料又硬又脆。

    這些難度的挑戰(zhàn)使超聲波技術(shù)成為當(dāng)今加工技術(shù)上的一個(gè)量子飛躍。此超聲波技術(shù)是由德國(guó)洪呂克地區(qū)Stlpshauscn的Herman Sauer公司開發(fā)的。此發(fā)明是該公司30多年革新加工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶。自從GILDEMEISTER公司獲得了該高科技開發(fā)商的控股權(quán)以來，此廠已成為歐洲最大的金屬切削機(jī)床制造廠商中的第10個(gè)供應(yīng)商。

    之所以起名為“超聲波”，是由于金屬切削工藝是靠超聲波技術(shù)支持的，銑、鏜、磨的刀具頭上鑲有工業(yè)鉆石，以20kHz的頻率，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觸力和很高的進(jìn)給功率來進(jìn)行加工。

   傳統(tǒng)的易碎材料加工方法十分麻 煩，因?yàn)橛性S多耗時(shí)的步驟必須進(jìn)行， 成本也特高，因?yàn)榈毒吆筒牧系哪�損都十分可觀。而超聲波加工可以直接達(dá)到指標(biāo)，在工藝上還有以下令人信服的優(yōu)越性。比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)效率提高5倍；表面粗糙度Ra＜0.2um；因?yàn)橛兄悄芸刂扑惴ˋDR和 ACC，即使是達(dá)0.3mm直徑的精密鉆孔也能保證過程安全；工件和刀具均得到保護(hù)，因?yàn)榻佑|力和熱應(yīng)力都��；鉆石刀具會(huì)自我銳化，保證了在低接觸力之下的高切削率；機(jī)械使用壽命長(zhǎng)。

    超聲波工藝是從高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)械運(yùn)動(dòng)開始，然后增壓器放大振蕩幅度，鉆石刀具以額定頻率為20kHz即每秒 20000次的脈動(dòng)方式伸縮，在伸出或振幅的最高點(diǎn)，附在刀具上的多個(gè)鉆石核與工件的表面碰撞，于是材料就變成極小的顆粒。 

    與此同時(shí)，刀具也在旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速在3000～4000r/min之間，主要是使工件達(dá)到圓滑的效果，同時(shí)也把多余的材料顆粒從工作區(qū)清除掉。最后它們很容易用水從工作區(qū)沖走。根據(jù)所選擇的不同工藝，在磨削過程中可以進(jìn)行淹沒式?jīng)_洗，而在銑削和鉆削過程中則通過軸分別進(jìn)行沖洗和冷卻。

    決定工藝過程效率和質(zhì)量的因素不僅有振幅和受控變量，而且還有鑲鉆石核的刀具。這對(duì)于鉆石分裂器的硬度及核的尺寸，尤其是對(duì)于按照超聲波工藝來校準(zhǔn)的刀具架及切削材料的化學(xué)機(jī)械連接來說，的確是如此。當(dāng)然，正如整個(gè)超聲波軸一樣，粘合材料也在過程中伸縮，因而此材料的選擇有講究，在伸出的最高點(diǎn)，鉆石核繼續(xù)保持強(qiáng)力粘附在刀具上；另一方面，還需要有一定的柔性以便核在與工件接觸時(shí)不會(huì)脫落，而只有在大范圍里的核頭裂開。通過這種分裂，刀刃數(shù)得以增加，于是鉆石刀具便在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)了自我銳化，從而使高切削率在機(jī)器的整個(gè)使用壽命中基本保持不變。

    超聲波工藝鏈中另一個(gè)重要元件是專門設(shè)計(jì)的刀具架。其錐形螺紋提供了一個(gè)剛性連接與壓力裝配的完美結(jié)合，保證了從軸到刀具的振蕩傳遞。軸有類似于單向節(jié)流閥的特殊結(jié)構(gòu)，可保證不會(huì)有軸向的振蕩返回來沖擊到軸承并進(jìn)入到機(jī)器。

    然而，超聲波技術(shù)不斷取得成功的關(guān)鍵因素，并非只是提高了生產(chǎn)效率、被加工工件的精度和質(zhì)量。或許它被潛在用戶接受的更重要的原因，可以在以下兩個(gè)因素里找到：安全、產(chǎn)品可復(fù)制，換句話說，超聲波在實(shí)際工作環(huán)境下的能力。為此，CNC控制超聲波機(jī)器的方式多種多樣，智能控制算法通過流程監(jiān)控及調(diào)整加工過程的操作和控制變量，例如振幅、進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速，可保證運(yùn)行平穩(wěn)。偏離變量的情況可以立即發(fā)現(xiàn)，所以刀具碰壞的情況幾乎不會(huì)發(fā)生。這一點(diǎn)已經(jīng)在超聲波機(jī)每天三班倒頻繁運(yùn)行的多年實(shí)踐中得到了證明。

    超聲波機(jī)使用ADR和ACC兩種過程控制方式。ADR是德文Adaptivregelung的縮寫，意為自適應(yīng)控制。其控制功能通過監(jiān)控刀具來進(jìn)行，所以這種方法保證的是最佳進(jìn)刀量。與引導(dǎo)刀具的ADR相反，ACC是聲學(xué)控制，監(jiān)控加工過程中工件發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)。ACC主要用于對(duì)表面質(zhì)量要求極高的情況。

    ADR和ACC都連續(xù)不斷地檢測(cè)物理參數(shù)。平心而論，使用這些智能控制算法也離不開運(yùn)氣和實(shí)驗(yàn)觀察。ADR和ACC也可以結(jié)合起來使用，這樣可以保證靈活加工以取得最佳效果。例如，加工一開始，靠ADR可以使進(jìn)刀量為最小。在最后拋光表面時(shí)，控制方式自動(dòng)切換到ACC聲學(xué)控制。

    DMS超聲波機(jī)系列產(chǎn)品有兩種規(guī)格，X方向分別為350mm和500mm。DECKEL MAHO以基本配置把這兩種機(jī)器送到Sauer，在那里給它們配備新開發(fā)的超聲波元件，如超聲波主軸、超聲波發(fā)生器、振蕩敏感器及鉆石刀具。除了DMS超聲波系列的標(biāo)準(zhǔn)供貨方式之外，還有另外的補(bǔ)充備用品專為特殊應(yīng)用場(chǎng)合例如微切削加工而提供。