1、目 录一、机械加工表面 质量 .1二、超声磨床 设计原理 .8三、超声磨床 设备的应用 14四、超声磨床 设备的特点.16五、超声磨床 设备的参数.18六、超声磨床与磨床 滚压比较.20 七、超声磨床与 传统技术对比.21八、超声磨床的 发展前景.22九、超声磨床的市 场分析.22十、使用中的照片 .231高精密超声磨床一、机械加工表面质量零件的表面质量是机械加工质量的重要组成部分，表面质量是指机械加工后零件表面层的微观几何结构及表层金属材料性质发生变化的情况。经机械加工后的零件表面并非理想的光滑表面，它存在着不同程度的粗糙波纹、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（ 0.05 0 .15
2、mm），但对机器零件的使用性能有着极大的影响；零件的磨损、腐蚀和疲劳破坏都是从零件表面开始的，特别是现代化工业生产使机器正朝着精密化、高速化、多功能方向发展，工作在高温、高压、高速、高 应力条件下的机械零件，表面层的任何缺陷都会加速零件的失效。因此，必须重视机械加工表面质量。 （一）机械加工表面质量的含义 机器零件的加工质量不仅指加工精度，还包括加工表面质量，它是零件加工后表面层状态完整性的表征。机械加工后的表面，总存在一定的微观几何形状的偏差，表面层的物理力学性能也发生变化。因此，机械加工表面质量包括加工表面的几何特征和表面层物理力学性能两个方面的内容。 （二）加工表面的几何特征 加工表面的
3、微观几何特征主要包括表面粗糙度和表面波度两部分组成，如图 5 1 所示。表面粗糙度是波距 L 小于 1mm 的表面微小波纹；表面波度是指波距 L 在 1 20mm 之间的表面波纹。通常情况下，当 L/H（波距 /波高） 50时为表面粗糙度， L/H=50 1000 时为表面波度。 21. 表面粗糙度 表面粗糙度主要是由刀具的形状以及切削过程中塑性变形和振动等因素引起的，它是指已加工表面的微观几何形状误差。 2. 表面波度 主要是由加工过程中工艺系统的低频振动引起的周期性形状误差（图 5 1 中 L 2/H 2 ），介于形状误差（ L 1/H 1 1000）与表面粗糙度（ L 3/H 3 50）
4、之间。 （三）加工表面层的物理力学性能 表面层的物理力学性能包括表面层的加工硬化、残余应力和表面层的金相组织变化。 机械零件在加工中由于受切削力和热的综合作用，表面层金属的物理力学性能相对于基本金属的物理力学性能发生了变化。图 5 2a 所示为零件表面层沿深度方向的变化。最外层生成有氧化膜或其他化合物，并吸收、渗进气体粒子，称为 吸附层。 吸附 层下是压缩层，它是由于切削力的作用造成的塑性变形区，其上部是由于刀具的挤压摩擦而产生的纤维层。切削热的作用也会使工件表面层材料产生相变及晶粒大小变化。3（四）表面层的加工硬化 表面层的加工硬化一般用硬化层的深度和硬化程度 N 来评定：N= （H-H0）
5、/ H 0l00式中 H加工后表面层的显微硬度；H0原材料的显微硬度。 （五）表面层金相组织的变化 在加工过程 (特别是磨削 )中的高温作用下，工件表层温度升高，当温度超过材料的相变临界点时，就会产生金相组织的变化，大大降低零件使用性能，这种变化包括晶粒大小、形状、析出物和再结晶等。金相组织的变化主要通过显微组织观察来确定。表面层残余应力在加工过程中，由于塑性变形、金相组织的变化和温度造成的体积变化的影响， 表面层会产生残余应力。目前对 残余应力的判断大多是定性的， 它对零件使用性能的影响大小取决于它的方向、大小和分布状况。 （六）表面完整性 随着科学技术的发展，对产品的使用性能要求越来越高，
6、一些重要零件需在高温、高压、高速的条件下工作，表面 层的任何缺陷，直接影响零件的工作性能，为适应 科学技术的发展，在研究表面质量的领域里提出了表面完整性的概念，主要有： 1.表面形貌 主要描述加工后零件的几何特征，它包括表面粗糙度、表面波度和纹理等。 2.表面缺陷 它是指加工表面上出现的宏观裂纹、伤痕和腐蚀现象等，对零件的使用有很大影响。 3.微观组织和表面层的冶金化学性能 主要包括微观裂纹、微观组织变化及晶间腐蚀等。 44.表面层物理力学性能 主要包括表面层硬化深度和程度、表面层残余应力的大小、分布。 5.表面层的其他工程技术特征 主要包括摩擦特性、光的反射率、导电性和导磁性等。机械加工表面
7、质量 机械加工表面质量机械零件的破坏，一般总是从表面层开始的。产品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取决于零件表面层的质量。研究机械加工表面质量的目的就是为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便运用这些规律来控制加工过程，最终达到改善表面质量、提高产品使用性能的目的。 （七）机械加工表面质量对机器使用性能的影响 1、表面质量对耐磨性的影响和表面粗糙度对耐磨性的影响 一个刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，最初阶段只在表面粗糙的的峰部接触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的峰部有非常大的单位应力，使 实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切。
8、零件磨损一般可分为三个阶段，初期磨损阶段、正常磨损阶段和剧烈磨损阶段。表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说表面粗糙度值愈小，其磨损性愈好。但表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。因此，接触面的粗糙度有一个最佳值，其值与零件的工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也加大。 表面冷作硬化对耐磨性的影响 加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。 2、表面质量对疲劳强度的影
9、响 5金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面和表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响很大。 表面粗糙度对疲劳强度的影响 在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深， 纹 底半径愈小，抗疲劳破坏底能力就愈差。 残余 应力、冷作硬化对疲劳强度的影响 余应力对零件疲劳强度的影响很大。表面层 残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生表面冷硬一般伴有残余应力的产，可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。 3、表面质量对耐蚀性的影响 零件的耐蚀性
10、在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。抗蚀性就愈差。 表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。 4、表面质量对配合质量的影响 表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量。对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质。对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度。 （八）影响表面粗糙度的因素 1、切削加工影响表面粗糙度的因素 刀具几何形状的复映、刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状时刀具几何形状的复映。减小进给量
11、、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。此外，适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度，合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。6加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。加工脆性材料时，其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙，切削用量 。2、磨削加工影响表面粗糙度的因素 正像切削加工时表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙度的形成也时由几何因素和
12、表面金属的塑性变形来决定的。影响磨削表面粗糙的主要因素有：砂轮的粒度、砂轮的硬度、砂轮的修整、磨削速度、冷却润滑液 、磨削径向进给量与光磨次数工件圆周进给速度与轴向进给量 。 （九）影响加工表面层物理机械性能的因素 在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。 1、表面层冷作硬化 冷作硬化及其评定参数 机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒 间
13、产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化(或称为强化) 。表面层金属强化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化。被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只有一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用，因此，加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。 72、评定冷作硬化的指标有三项，即表层金属的显微硬度 HV、硬化层深度 h和硬化程度 N。影响冷作硬
14、化的主要因素 切削刃钝圆半径增大，对表层金属的挤压作用增强，塑性变形加剧，导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，导致冷硬增强。切削速度增大，刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小，冷硬层深度减小。切削速度增大后，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短乐，将使冷硬程度增加。进给量增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬作用加强。工件材料的塑性愈大，冷硬现象就愈严重。（十）表面层材料金相组织变化 当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后，表层金属的金相组织将会发生变化。 磨削烧伤 当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的
15、变化，使表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力产生，甚至出现微观裂纹， 这种现象称为磨削烧伤。在磨削淬火钢时，可能产生以下三种烧伤： 回火烧伤 如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织(索氏体或托氏体) ，这种烧伤称为回火烧伤。淬火烧伤 如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属发生二次淬火，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原来的回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出 现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织( 索氏体或托氏体)，这种烧伤称为淬火烧伤。 退火烧伤 如果磨削区温度超过了
16、相变温度，而磨削区域又无冷却液进入，表层金属将产生退火组织，表面硬度将急剧下降，这种烧伤称为退火烧伤。 （十一）表面层残余应力 产生残余应力的原因 8切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生，使表面金属的比容加大由于塑性变形只在表层金属中产生，而表层金属的比容增大，体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止，因此就在表面金属层产生了残余应力，而在里层金属中产生残余拉应力。切削加工中，切削区会有大量的切削热产生 不同金相组织具有不同的密度，亦具有不同的比容 如果表面层金属产生了金相组织的变化，表层金属比容的变化必然要受到与之相连的基体金属的阻碍，因而就有残余应力产生。 零件主要工作表面最
17、终工序加工方法的 选择 零件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要，因为最终工序在该工作表面留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。选择零件主要工作表面最终工序加工方法，须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式。 在交变载荷作用下，机器零件表面上的局部微观裂纹，会因拉应力的作用使原生裂纹扩大，最后导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，该表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。 二、超声磨床设计原理应用有限刚度理论和整体谐振等效设计理论对工件外圆表面光整加工用超声振动挤压加工系统进行了整体优化设计，提出了实用的系统结构和设计方法。 超声振动挤压加工是
18、对塑性金属材料表面进行加工的一种新技术，将其应用于工件外圆表面光整加工，可有效降低表面粗糙度，提高表面耐疲劳强度和零件的加工精度1，2。 实践表明，超声振 动挤压加工系统的性能对加工效果有着直接影响。本文在理论分析的基础上，提出用于 车床的振动挤压加工系统的结构和优化设计方法。（一）加工过程的理论分析超声振动挤压加工(以下简称振动挤压)过程的力学模型如图 1 所示。挤压加9工时，工具头在预压弹簧的作用下与工件表面相接触。在超声波发生器的驱动下，工具头产生纵向超声振动，对旋转工件的表面进行光整加工。在工具头静压力和高频冲击力的作用下，工件表面的微观峰谷被压平，同时表层金属产生塑性变形强化，形成压
19、应力，提高了零件表面的耐疲劳强度。图 1 振动挤压加工 过程力学模型基于上述工作原理，振动挤压系统常用结构如图 2 所示。由磁致伸缩换能器和阶梯型变幅杆组成的振子支承安装于冷却水套内，预压弹簧作用于冷却水套的突缘上，使振子与冷却水套组成的振动质量可以在支承座的导向孔内随工件表面的变化而浮动。工具头通过螺纹和锥面与变幅杆连接，因而振动挤压系统可以简化为单自由度纵向振动系统。考虑到工件的刚性对加工表面质量的影响，可以把工件简化为敏感方向(工件表面在加工点的法线方向) 的单自由度纵向振动系统。在加工过程中，振动挤压系统会受到机床本身回转误差产生的周期振动ym(t）、工件安装偏心产生的振动 ye(t）
20、和工件自身在干扰力作用下产生的振动yw(t）的影响。此外，当超声振动在工件表面留下的相 邻轨迹的相位不同时，由于重叠效应的影响，振动挤压系统会受到频率相同的正弦振动和脉冲振动两个信号的作用。因此振动挤压系统所受的干扰力可表示为p(t)=Pmcos(mtm)Pecos(et ）Pwcos(wt w)PucostPp(t) （1）10图 2 常用振动挤压 系统结构当工件的刚性足够时，工件的受迫振动 Pwcos(wtw)的幅值很小，可忽略不计。工件 对振动挤压系统施加的正弦和脉冲振动干扰的频率与系统的超声振动频率相同，由于该频率远大于系统的固有频率，因此可以认为对系统的振动状态不产生影响。对振动挤压
21、系统的工作状态产生影响的因素主要为机床的回转运动误差和工件的安装偏心误差。因此，式(1)可简化为 p(t)=Pmcos(mtm)Pecos(et）Pej(w） （2）在车床上进行外圆挤压加工时，式中 wme2n/60(n 为 机床主轴转速)。振动挤压系统在激励信号 p(t)作用下的幅频特性为（3）式中 mt、kt 分别为振子与冷却水套的整体质量和预压弹簧的刚度系数。显然，当由工件引起的干扰力的频率 时，由振子、冷却水套和预压弹簧组成的单自由度振动系统会产生共振，使加工过程无法正常进行。在加工不同结构的工件时，需要更换工具头。振动挤压系统的结构应保证更换工具头时便于调整，并能稳定地产生超声振动。
22、因此，对图 2 所示振动挤压系统应进一步研究，解决以下几方面的问题：1、振子挤压系统能产生稳定、可控的超声振动，并便于制造和调整。2、保 证 工具头与工件表面始终以一定的预压力保持接触。3、振 动挤压 系统应具有较好的频率响应特性，在主轴的工作转速范围内不产11生共振，对工件表面的变化和振动干扰具有良好的线性随动性能。（二）系统结构的优化设计系统结构的优化设计需要对图 2 所示系统的各部分结构提出简便实用的设计方法，主要包括以下几方面：1、振子谐振结构设计振动挤压系统的振子结构与纵向超声振动磨削系统的振子结构相同，区别仅在于工具的结构不同。当振动挤压工具头长度较大时，其结构设计可按文献1中提出
23、的方法进行，即工具头的长度 l 为 （4）式中k=n/aa2E pCEs1ktgkl1E0s0k0tgk0l0DE0s0k0tgkl1tgk0l0Es1kk0n/a0a02E0P0E0、E换能器和变幅杆(工具头)的材料弹性模量p、p0换能器和变幅杆的材料密度其余参数如图 3 所示。当工具头长度较小时，应作为变幅杆的一部分来设计，应把变幅杆长度减短一部分，并使工具头的质量等于减去部分的质量。12图 3 振子的结 构参数2、预压弹 簧的设计为保证工具头能以一定的预压力与工件表面的相接触，并使工具头随工件表面浮动时预压力的变化尽可能小，预压弹簧的刚度系数 kt 应在结构允许的前提下尽可能小。同时，在
24、振子与冷却水套的质量 mt 一定时， kt 又是决定系统固有频率的参数。应避免因工件的干扰力频率与振动挤压系统的固有频率相同或接近而使系统产生共振。在车床上进行振动挤压加工时，工件的转速为 n r/min 时，由式 2 可知，要避免系统共振并使工具头具有良好的随动性能，必须使kt 1.097102n2mt。3、振子的支承 设计为保证振动挤压系统具有足够的承载能力，必须在振动波节点处对振子进行支承固定。由于振子的实际振动波节点相对于理论设计波节点会产生偏差，在实际使用中由于工具头的磨损和更换，振子振动波节点的位置也会随之变化，因而为保证振子在各种情况下都能正常振动，节点的支承结构对振子不应是刚性
25、固定，而应在承载能力许可的前提下具有一定的弹性，以保证振子的正常谐振状态不因支承固定而改变。这就是文献1提出的有限刚度支承的概念。有限刚度支承设计的核心是支承结构刚度系数的设计，这一系数受以下因素的制约：系统承载能力 PL 为保证对工件磨床的需要，振子在 负载抗力的作用下，相对于冷却水套的位移应小于许可值，即：kzPL yz13隔振性能，就振子和冷却水套而言，有限刚度支承相当于实现对振子振动的主动隔振。大量试验表明，波节变化使振子在支承点产生的振动振幅一般在12m 之间 。由隔振理论可知，当 频率比 2.55 时，可以达到较好的隔振效果。设振子的质量为 mz 超声波振动频率为 f，可以推得 k
26、z1.579 mzf2频率响应特性，当振子采用有限刚度支承时，振动挤压系统应简化为两自由度的纵向振动系统。由振动分析理论可知，它有两个固有频率，这对于实际使用中控制系统的振动模态不利。因此，应使振子的支承结构刚度系数远大于预压弹簧的刚度系数，即 kz kt。这时系统的振动模态可以近似看作单自由度系统的情况。4、系 统 的减振设计式(3) 表明，当来自工件的干扰力频率接近或等于振动挤压系统的固有频率时，系统将出现共振，工具头与工件表面之间产生分离，在工件表面上形成螺旋状振纹，从而破坏加工表面的质量。同时，工具 头的工作面在冲击力的作用下也会很快出现点蚀磨损。这是目前常用的振动挤压系统结构存在的主
27、要问题之一。由振动分析理论可知，当振动挤压系统存在粘性阻尼时，系统对工作过程中随机激励信号的响应是衰减振动，而对于周期激励信号具有稳态响应。减振设计就是要消减系统在固有频率附近对周期激励信号的响应幅值，使幅值比约等于 1，通过改变冷却水套外圆表面与系统支座孔表面之间的配合接触性质和润滑介质，即可实现这一要求。这时虽然工具头与工件的振动存在相位差，但由于预压弹簧有足够的预压量，工具头与工件表面也不会分离( 见图 4)。避免工具头与工件表面分离的条件是 Y0YwmaxYtmax （5）式中 Y0预压弹簧的预压量Ywmax工件的最大振幅14Ytmax工具头的响应幅值图 4 工具头与工件表面的相 对运
28、动超声振动挤压加工系统设计的原则和方法，根据实际使用条件，选择结构参数，即可满足使用要求。我们应用上述方法设计了在车床上使用的外圆振动挤压系统，用于加工煤矿设备中的合金钢活塞杆外圆表面、电机主轴、汽轮机主轴和特大型液压油缸，达到了设计要求，取得良好效果。三、 超声磨床设备的应用超声磨床设备是超声波技术在金属加工上的新应用。利用超声波能使回转体（轴类或孔类）工件表面光洁度极大提高（达到 Ra0.1 甚至更高）。媲美于研磨和电镀功能，并不同程度的提高工件表面硬度，从而提高工件的寿命。该产品适用于硬度低于 55HRC 之钢、 铁、 铜、铝、不锈钢等材质，广泛应用于机械、汽车,军工、桥梁、航空航天等领
29、域（如电机轴 、活塞杆 、液压油缸、 汽轮机轴 、刹车片等精密部件）。相比于传统工艺具有如下优点：1. 使工件外观粗糙度达到 Ra0.1 甚至更高， 对圆度、同 轴度有一定的修正，同时外层硬度有 8-20%的提高。2. 能够去除在切削过程中的切削应力及工件本身带有的应力3. 加工工件的耐腐蚀性提高，在更大领域中替代磨床及超越磨床，使生产成本大大降低。154. 减少工件的安装和移动，可以在车床上一次性完成,避免多次装夹和节省工作量，从而也减少工件损伤几率5. 功率 驱动采用 进口功率 IGBT 模块，频率精度控制在 0.01hz 内，使得工件获得较好的加工效果。6. 采用高度集成化数字技术，结构
30、紧凑合理，体积小，重量轻，使用方便，安装简单，可自由移动。7. 工作模式及参数全部数字化自由设定，操作简单，工作可靠，运行平滑，稳定性好，无噪音。8. 根据负载的 变化自动调整功率输出，效率高，节能卓越。输出功率及振幅根据客户需要自行设定，以达到良好的加工效果。9. 功耗小，效率高，维护简单方便，减少运行成本。 （一）提高加工零件的性能指标: 1、表面光洁度提高 3 个等级以上，粗糙度值达 Ra0.1 以下，最低可达Ra0.0125。2、表面显微硬度提高 20%50%。3、表面耐疲劳性提高 200%以上。4、对工件表面进行机械能量渗透，使被加工表面具有很高的耐摩擦磨损性，表面耐磨层厚达 0.2
31、mm.（二）使用方法简便：在普通车床上即可使用，将工件外圆尺寸加工基本到位后，再用超声波金属光亮机？刀具代替普通刀具进行加工，加工一遍即可实现被加工工件表面质量质的飞跃。表面光洁度提高 3 级以上（粗糙度值达 Ra0.1 以下，最好可达 Ra0.0125）。16表面显微硬度提高 20%50%；并且大幅度提高外圆表面的耐摩擦磨损性和耐腐蚀性。（三）应用范围广泛：1 棒、管的外圆表面处理。 2 平面表面处理。3 内孔表面处理。 4 薄壁套筒型零件表面处理。5 锯齿形工件表面处理。 6 齿轮工件工作表面处理。7 轴承内外圈表面处理。 8 圆弧过度表面处理。（四）处理效果显著：经过处理加工的金属表面具
32、有传统压光与喷丸强化的综合效果。1 处理后的金属表面粗糙度比光整前降低 3 个等级以上。2 处理后的工件表面硬度一般提高 20%-50%。3 处理后的金属表面抗腐蚀能力比未光整的金属表面提高数倍，最大可达100 倍以上。4 处理后的金属表面，应力场发生改变，有利于金属工件综合使用性能的提高，使用寿命可延长 2-3 倍。5 处理后的金属表面抗疲劳性能一般增加 200%-250%。6 处理后可以消除金属表面微观缺陷，减少工件使用的初期损伤。7 处理后的金属表面的磨擦阻力大大降低，一般可降低 35%以上。17四、超声磨床设备的特点 超声磨床设备是可显著提高动力负荷下的构件的强度和使用寿命的表面层增强
33、的机械方法。这种方法经过几十年的验证，在很多工业领域的应用中取得了巨大成功。尤其对旋转对称的构件十分有效，但这种方法也不仅限于此。借助于超声刀具技术，同样可加工自由形状表面或薄壁的构件。 在下列情况下，超声磨床设备有特别的应用： 由于动力载荷而出现的材料疲劳（例如，旋转的扭曲） 由于尖锐过渡边缘造成的切口作用、加工造成的刻痕、腐蚀性点状锈斑或摩擦腐蚀 由于加工条件而产生的压缩内应力而造成的强度问题（比如，焊接或切削） 应 力腐蚀裂纹 滚压接触造成的疲劳 这种表面层增强的方法是基于三种物理作用：滚光、去内应力和冷硬化。只通过深滚压就可产生这三种作用，通过这种方法可使抗疲劳强度显著提高。 在超声磨
34、床设备加工过程中，辊主体，或者是一个球体或者是一个辊，对工件的表面进行瞬间高温压迫。接触范围的挤压超过了屈服强度时，边缘层就发生弹性塑性变形。是通过超声波产生很高的机械能量让表面塑性变形，再用很小的压力让表面平整.光洁。超声波给工件一个高达每秒二万多次的高频振动，把工件本身的以及新产生的内应力随之消除掉。在变形过程中，辊主体的负荷尤其会产生粗糙的尖峰。通过这种方法，使粗糙尖峰被向下挤压，材料流向侧边，并且填满谷底，使谷底平面升高。有一种说法认为，材料的 边缘层被这种加工方法弄得密实，这只是在有蓬松的材料时才会发18生。在超声波金属光亮机加工过程中，直径的变化取决于变形情况，只是在微米的范围内发
35、生，可在预先加工时考虑。 因为变形是在热的状态下进行的，也就是说，是在材料达到瞬间再结晶温度一下发生的，然而瞬间降温使外层硬化。通过塑性变形，对材料的晶格结构产生了扰动。位错密度的提高增强了边缘区域的强度，因而阻止了裂纹生成或者说延缓了裂纹的生成。 超声磨床过程 ：从运动的角度上说，超声磨床与车削和铣切操作很相似，既可通过穿刺式（对小的半径）进给，也可进行针对自由形状采用线形进给运动。为了避免在工件的边缘区域出现很陡的倾斜，滚光力或者压力的形成有一定的延迟。通过这种逐渐的升高，可避免形成切口。 由于有这样简单的运动，这种方法就可应用于普通的机床数控车床等。超声磨床设备可用在数控中心车床和铣床上
36、。可通过一次工装设置就对工件直接在标准机床上进行切削成型的工件加工在电机轴.船尾轴.汽轮机轴和活塞杆的大批量生产中，也可应用特殊机器进行加工。五、超声磨床设备的参数（一）加工条件和技术参数：加工的条件：工件的表面硬度： HRC55加工前允许的工件圆跳动： 0.2mm加工前允许的粗糙度： Ra6.3加工前的尺寸精度： 8 级以上19工艺参数：加工的最大线速度： 80m/min*加工的纵向走刀速度： 0.10.5mm/r*加工后的技术指标：*加工后的粗糙度： Ra0.1*加工后的表面硬度 提高约 1.5 倍，层深 0.05-0.2mm*加工后的圆度： 0.05mm*工件处理后： 应力降低 50%工
37、具头处理过程 不发热（二）控制柜技术参数：工作模式 AUTO 自动和手动模式故障显示 E1 和 E2振幅显示 A0 无级可调中心频率 F0 自由可调工作频率范围 L0 自由可调扫描步进值 S0 自由可调频率跟踪范围 L1 自由设定频率跟踪步进值 S1 自由设定输出频率： 20 KHZ输出功率： 300 W输入电压： 220V10% V， 50HZ输入功率： 300 W输出幅值稳定性（%）： 0.120显示方式： 数字显示全部可自由化设定可人机对话冷却方式： 风冷油箱体积： 20 升输油泵功率： 1.3kw W输油压力： 0.4 MPa输油方式： 连续回油方式： 自吸式使用环境： 温度：-204
38、0 相对湿度： 92%（三）加工刀具技术参数：*工作频率： 20KHz*输出功率： 300 W工作方式： 自动功率调制方式： 无级可调冷却方式： 空冷设备总功率； 1.6kw随机配置工具头： 4 个六、超声磨床与磨床比较 磨床是去量磨削加工，而超声磨床不是是去量加工。磨床加工工件要留有很大的磨量一般（0.50.8mm ）。（一）超声磨床只要在图纸尺寸公差范围+0.025-0.035mm 加工即可。（二）超声磨床的工件表面粗糙度能达到 Ra0.1 甚至更高，而磨床最高也就能达到 Ra0.30.421（三）超声磨床完后工件表面的显微硬度提高 8%20% ，从而提高工件的寿命，而磨床不能提高工件表面
39、的硬度。（四）超声磨床不会损伤工件表面，有专门的柔性装置使工件外观表面保持一致性。而磨床在吃刀量很大时易烧伤工件使外表面不一致。（五）生产效率提高大约 60%。加工成本可降低 40%，甚至更高。主要表现在 1.减少装夹次数，2.减少重复对刀 3.减少加工时间 4.省电 5.节省空间（六）每一个工具头的理论寿命为8 万千米（必 须按照正规的操作加工）（七）超声磨床不改变工件的几何尺寸，只要在车床上加工到工件尺寸公差上差+0.025 0.035mmRa6.3 以上即可超声加工。超声磨床只提高工件的粗糙度、外层显微硬度、取消工件内部应力以及对圆度、同轴度的修正。所以工件的精度在于车削精度。（八）操作
40、简单普通车工都能操作，无需磨床工人的复杂操作。七、超声磨床与传统滚压技术对比超声磨床技术与传统的滚压技术的相结合，它是一种超声波技术引用在机械行业的一次重大技术创新。它与传统的滚压技术相比，是一种量变与质变的本质区别。解决问题的出发点不同；传统的滚压技术就是给工件一个很大的压力，使工件表面的刀纹一次冷塑性变形，它是把凸起的点通过挤压填补凹坑的过程，然而表面光滑的一层薄薄的金属层没有真正的与工件母体融合。它是一种冷塑性变形，纯挤压的过程。然而本产品则从本质上改变了传统滚压的缺陷，就是通过超声波产生很高的机械能量让表面塑性变形，再用很小的压力让表面平整.光洁。超声波给工件一个高达每秒二万多次的高频
41、振动，把工件本身的以及新产生的内应力随之消除掉。22形式不同；传统的滚压技术形式复杂，调整的范围很小。然而本产品技术无需尺寸调整，使用广泛，操作简单方便。加工外观效果不同；传统的滚压技术加工出来的工件表面是暗白色，最高光洁度也只能达到 Ra0.2 。然而本产品技术加工出来的工件表面 颜色为乌亮、清 洁，外观光洁度能达到 Ra0.1 ，甚至更高。科技含量不同和效率的对比；传统工艺技术和现代新技术工艺的相对峰。效率和传统的滚压工艺相比有了很大的提高。八、高精密超声磨床的发展前景精密加工是一个国家制造业水平的重要标志之一，也是先进制造技术的基础和关键，磨床在企业中占总机床数的 42%，车 床占 24
42、%、钻床占 12%、通用磨床有1800 多种，专用磨床有几百种，磨床的拥有量占金属切削机床总拥有量的 20%左右，可见，磨削技术在机械制造业中占有极其重要的位置。机床工业是国民经济的基础产业，是装备发展的重中之重，属战略性产业，机床作为现代制造业的主流加工设备，是机床工业的核心产品，它已成为装备制造业和国防工业竞争的制高点，其中磨床是机床中实行精加工的机床，任何机器零件最终加工的精度和质量，取决于磨床的精度水平，因此在整个机器制造业中，磨床的总体水平与拥有量十分重要。九、高精密超声磨床的市场分析高精密加工技术的发展，直接影响尖端技术和国防工业的发展，世界各国在方面都极为重视，投入很大力量进行开
43、发研究，同时技术保密，控制出口。由于航空航天、尖端技术、多种高精密仪器仪表、 惯导 平台、光学和激光技术的迅速发展和多领域的广泛应用，各种复杂高精度 零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工，成为迫切任务。国外发展了多种精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的高精密加工技术、精密测量技术。我国机床制造业最近几年虽发展很快，年产量和出口量都明显增加，成为世23界机床最大消费国和第一大进口国，近年在精密加工技术和精密机床设备制造方面，取得不小进展，但仍和国外有较大差距，由于一些重要的高精度机床设备和仪器，国外对我们封锁禁运，而这些精密设备仪器正是国防尖端技术发展所迫切需要的，因些我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密度和超精密加工技术，将我国的超精密加工技术水平尽快提高到世界前列，这样我国的国防和科技发展才不会受制于外国，我们才能出口世界一流的高技术机电产品。十、使用中的照片 242526
