切削效率提高5倍的超聲加工技術的開發——HermannSauer和DeckelMaho公司在硬質脆性材料加工上的突破。

新材料的引入促進加工方法的變化

所有技術部門都在進行新材料試用研究，并已進入實用化階段。工業用陶瓷、光學玻璃、硬質合金等高性能材料具備優越的特性。然而，這些難切削材料的精確成形加工，對于制造技術來說是一個極困難的問題。由于采用超聲技術和先進的機床技術的結合，德國的Her-mannSauer公司和DeckelMaho公司為此提供了最好的解決對策。采用難加工的玻璃、陶瓷、硬質合金材料時，在加工、精加工的效率是個問題。因為這些材料大都是非導體，不是電加工技術的對象。同樣，激光加工技術，由于加工過程的基礎是利用熱，因而，不能排除材料有熱損傷和微細龜裂，這也是個大問題。在以往切削方法中，要經過長時間作業，才能勉強滿足加工要求。在這種情況下，不僅刀具磨損大，表面質量也不理想。針對以上問題，本部在德國中部Stipshausen的HermannSauer公司開發了全新的超聲加工技術，在加工硬的脆性材料時，切削效率為原先方法的5倍。新技術加工方法的原理新技術的基礎是基于超聲波控制的加工主軸和最新加工機結合的超聲加工過程，是在原先的加工過程(鏜、磨削、銑削加工)中加上高頻振動運動。超聲主軸的壓電轉換器把超聲波發生器的電氣高頻信號，按照適應于各種各樣工具部件的共振頻率20kHz固定頻率轉化為機械運動(縱向振動)。這個振動從轉換器送到增幅器。這個增幅器可以適應各種各樣的需要量，并能控制行程的增幅。通過專利的圓錐形工具夾持器最后把振動全部傳給工具，也就是金剛石工具。

在深度加工時，產生每秒約20000次脈沖運動——在輪廓加工時為縱向運動。在沒有用超聲的原先加工時，切削過程由于摩擦產生大量的切削熱，在工件上會產生微細龜裂，從質量上考慮，這些工件還必須再進行一次磨削加工，而且工具磨損也很快。但是，在用超聲作沖擊切削加工時，效能約有60％—70％被激活。因而，回轉工具運動沒有浪費，其大部分用于工件粒子的除去作業。因為熱影響少，工具的接觸時間短、切削力較小，不會形成龜裂和刃邊的損壞。由于使用研磨劑，提高了表面質量(最高Ra需要特殊金剛石工具超聲組件和工具夾持器組成后，金剛石工具的設計是決定超聲加工過程成功的關鍵。

超聲加工，一方面能保證切削性能，另一方面還能使工具達到長的壽命。不僅對金剛石研磨劑，而且對其結合方式都提出了特殊要求。天然金剛石研磨劑PremaDiaPDA665是金剛石工具中最適宜的磨粒。這種鋒利的磨粒在受沖擊負荷時有優良的微小破環特性。金剛石工具在加工過程中有自銳作用。HermannSauer公司在制造鏜削、磨削、銑削加工用各種工具時，使用從6μm到90μm的金剛石磨粒。為了把工具磨損控制在最小極限內，該公司在不損壞工具情況下開發了特殊的連結方式，用于傳送機械振動。這被稱為玻璃和陶瓷的連結，是在高真空下釬焊裝成的；是金剛石磨粒與工具的基礎材料結合的技術，這種結合不僅是機械的，也是化學的。化學結合可以防止早期磨粒的剝落，具有高的結合力，而且具有在刃部最大限度散熱的優點。有示教功能的控制系統超聲加工要求具有自適應控制功能。為此，Sauer公司與Fagor公司共同開發了超聲加工用的數控裝置。其實質是適應控制(ADR)和聲量控制(ACC)，具有二種示教功能的控制方法。為適應加工要求，可以單個使用，也可以二個同時使用。不管是適應控制和聲量控制，必須適應于通常的過程管理和加工過程的操作量、控制量。因此，它可以及時識別輪廓誤差。另外，工具的磨損也幾乎可以忽略。適應控制，工具成為過程控制的基礎，這個方法可以達到最適宜的進給速度。ACC接收和管理聲量信號，為此，在實時的加工情況下，可以使過程最佳化。ACC是針對工件的，采用此方法主要為獲得最好的表面質量。ADR和ACC的結合，對于加工作業可以提供最好的靈活性。

在加工時，為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質量時，控制系統會自動切換到聲量過程控制(ACC)。這個系統，目前作為標準配置配裝DMS35型和DMS50型超聲加工機。DMS35加工機的行程是240mm(Y軸)、340mm(Z軸)和350mm(X軸)；而DMS50加工機，X軸的行程是500mm。電機的功率1．8/1．3kW(40％ED/100％ED)、主軸轉速3000r/min(選項60000r/min)。最大進給速度可達5000mm/min。因為固定頻率是20kHz，可以確保頻帶在17．5kHz到21．5kHz范圍內。最后，由于超聲加工方法有優越特性，與原先加工方法相比，切削量增大，進給性能提高，生產率最大可以增到4倍。應用例子在擴大例如，在醫療技術方面(如內視鏡檢查)，在必須用光學玻璃制造時，要使用本機。采用DMS35型超聲加工機的金剛石擴孔鉆，可生產直徑2mm—202mm，最大長度為160mm的玻璃棒。加工時，由于材料種類不同，可以采用加工進給速度為25mm/min～50mm/min，主軸回轉速度為800～3000r/min。采用這些加工參數，一次加工時間為1．5min—2min。采用原先加工方法需要2倍～3倍的時間。本機的獨特的優點是可以使用水作為冷卻和清洗劑。以前用油時，有火災的危險性，加工時必須配置監視員。在使用DMS35超聲加工機時，可進行交叉作業數月，實現連續無人運轉。又一個例子是用金剛石擴孔鉆鏜加工由氧化鋯制成直徑12mm陶瓷坯。用戶要求大幅度縮短加工時間。以前加工方法，坯件以8000r/min回轉，進給速度12mm/min。為了達到表面質量RaO．4μm的要求，還要進行一次磨削。采用超聲加工時，主軸轉速是3000r/min，進給速度可以提高4倍，約為48mm/min，可以達到表面質量要求，不需進行再一次磨削。再一個例子是采用超聲加工，對由玻璃、陶瓷、硬質合金等難加工材料制成的零件可以進行經濟加工。越硬越難加工，效果越好。除陶瓷、玻璃、硬質合金，各種寶石(剛玉、瑪瑙、紅寶石等)、增強纖維塑料、硅、石墨等各種各樣材料都可使用這種超聲加工方法。