数控旋转超声波加工机床研制及其在实验室建设中的应用

傅水根;裴文中;初晓;高炬;张秀海;李生录;左晶;王坦

【摘 要】阐述了数控旋转超声波加工机床的工作原理和研制过程、关键技术的进展、实验课程建设、实验队伍建设,以及人才培养中所发挥的作用；指明了高水平实验设备的研制是改进实验方法和手段、提高实验教学质量、促进实验技术人才成长的重要途径,指出了旋转超声波加工机床进一步改进的途径.%This article introduces the work principle and the development process of rotary ultrasonic machine tool, the progress in the aspect of its key technology, experiment course construction, experiment team construction, and the contribution to the talent cultivation; points out that the development of advanced experiment equipment is the important way for improving experiment methods and means, enhancing the quality of experimental teaching, and promoting the growing of experiment technical talents;and also points out the further improving way for the rotary ultrasonic machine tool.

【期刊名称】《实验技术与管理》 【年(卷),期】2012(029)009 【总页数】3页(P69-71)

【关键词】数控技术;超声波加工;实验课程;队伍建设;人才培养 【作 者】傅水根;裴文中;初晓;高炬;张秀海;李生录;左晶;王坦

【作者单位】清华大学基础工业训练中心,北京100084;清华大学基础工业训练中心,北京100084;清华大学基础工业训练中心,北京100084;清华大学基础工业训练中心,北京100084;清华大学基础工业训练中心,北京100084;清华大学基础工业训练中心,北京100084;清华大学基础工业训练中心,北京100084;清华大学基础工业训练中心,北京100084 【正文语种】中 文 【中图分类】TG502

Abstract：This article introduces the work principle and the development process of rotary ultrasonic machine tool，the progress in the aspect of its key technology，experiment course construction，experiment team construction，and the contribution to the talent cultivation；points out that the development of advanced experiment equipment is the important way for improving experiment methods and means，enhancing the quality of experimental teaching，and promoting the growing of experiment technical talents；and also points out the further improving way for the rotary ultrasonic machine tool.

Key words：numerical control technology；ultrasonic machining；experiment course；team construction；talent cultivation

上个世纪70年代，在我国的机械制造业中，常规的超声波加工就有了实际应用。其原理是利用超声波发生器将50Hz的交流电转换为超高频的电振荡，通过换能器将超高频的电振荡转换为超高频的机械振荡，再通过变幅杆将微米级的振幅放大到0.01～0.1mm，工具杆通过螺纹连接在变幅杆的末端［1-2］，这样就将超高频（1.6kHz～2.5kHz）的超声波逐级传递到工具杆上；工具杆将自身的振动传递给

加工用的磨料悬浮液，再通过悬浮液中磨料的冲击和研抛作用加工玻璃、石英、锗、硅和陶瓷等导电与不导电的硬脆材料。

人们在应用中发现，虽然常规的超声波机床为加工硬脆材料提供了新的工艺手段［3-4］，但存在只能提供简单的机械直线运动，具有加工效率低、加工范围窄、磨料悬浮液难清理、提供磨料悬浮液的泵易堵塞和易磨损等明显缺点，这就使得其应用受到很大。因此，研制具有更高水平的超声波加工机床就很有必要。 数控旋转超声波加工机床的研制起于1997年，至今大体分为3个阶段。第1阶段（1997—1999年）完成了我校首台机床的研发。这一阶段的超声波发生器为电子管，工作台为普通丝杠传动，工件定位靠手动调整。尽管该机床比较传统，但体验到了超声波加工像玻璃、锗、硅这类不导电硬脆材料的优越性，很快投入到实验演示教学中；第2阶段（2001—2004年）以清华大学科学研究基金为推动力，将手动工作台改进为步进电机驱动、滚珠丝杠传动的数控工作台，超声波发生器由电子管改为晶体管，机床性能有所改进，加工效率有所提高，使精确孔心距的孔系加工成为可能；第3阶段（2005—2011年）依靠数控技术，在加工中实现了两轴半联动，开始探索超声波铣削平面、沟槽和曲面，并取得重要进展。此时将超声波发生器改进为IGPT型。为减少超声波在传递过程中的衰减，对工具杆与变幅杆的连接方式由普通螺纹连接改为锥面螺纹连接，使工具杆与变幅杆的接触面更加紧密可靠，提高了超声振动传递的稳定性。

经过3个阶段的努力，使常规超声波加工机床成为数控旋转超声波加工机床，见图1。机床工作范围由只能在玻璃、石英等硬脆材料上打孔和套料，发展到具有较高效率和精度的打孔、套料和孔系加工及对玻璃、石英、陶瓷等硬脆材料的两轴半自动铣削加工。

经过多年努力，该机床在技术上取得下列重要进展：

（1）将普通工具杆冲击磨料悬浮液的超声波加工，发展为采用烧结金刚石工具直

接加工玻璃、石英、陶瓷等硬脆材料，利用了超硬烧结金刚石的微细颗粒高频率直接冲击、切削和剥离的机械作用与超声空化的综合效果。

（2）将传统的机械传动和手工调整发展为采用步进电机驱动和数控指令调整，提高了打孔、套料和铣削的工作效率，以及孔系加工的定位精度。

（3）利用数控旋转超声波铣削加工，不但可以加工各种平面和沟槽，而且可铣削弧形曲面（见图2），扩展了机床的应用范围。为铣削出弧形沟槽，采用现代数控技术，实现了两轴半自动进给：X、Y方向的平面进给和Z轴的深度进给。 （4）为更好地满足超声加工能量传递的需要，保证工具杆与主轴同轴度的技术要求，在工具杆与变幅杆之间采用了矩形锥螺纹连接结构［5］（见图3）。经测量和实际的超声加工表明，该新型的矩形锥螺纹连接结构既能施加更大的预紧力，满足超声加工能量传递的需要，又能更好地保证工具杆与主轴的同轴度［6］。 （5）为解决烧结金刚石与工具杆的不同轴问题，研制了在线修整装置（见图4），有效地提高了工具杆相对主轴的回转精度。

经过14年的艰苦努力，共研制成功3台数控旋转超声波加工机床，首次在我国的高校实验室得到应用。该实验技术成果不仅提升了我校金工实验室的实验装备水平，在实验室建设中发挥了很好的作用，使我校大批本科生看到了玻璃、石英、陶瓷等硬脆材料的先进工艺方法，而且推广到兄弟院校。

（1）服务于本科2门实践类国家级精品课程：①机械制造实习国家级精品课程从1999年完成我国高校第1台数控旋转超声波加工机床以来，每年接待约1 200名学生进行演示实验，至今共接纳学生约16 000人次；②实验室科研探究国家级精品课程 从2010年春季学期开始，开设了“超声波加工技术及其应用”的教学单元，共有246名学生选课。

（2）为训练中心新开设的“特种加工实验”和“特种加工选修课”，以及“机械制造工艺基础”平台课增添了新的实验手段，更新了部分教学内容，促进了实验教

学改革。

（3）指导完成本科生4项SRT项目：①金刚砂与金属材料连接的探索；②超声波加工机床工具杆夹具的制造和控制精度的研究；③超声加工工具连接方式优化设计；④放电修整工具杆精度。这些SRT项目的完成，拓展了学生的知识视野，提升了学生综合运用知识的能力、工程实践能力和创新思维能力。

（4）利用第2阶段的研究成果，完成了我校精密仪器系戴向国的博士学位论文；利用第3阶段的研究成果，完成了训练中心初晓工程师的工程硕士论文和石油化工大学青年教师张向慧的博士学位论文；指导兄弟院校3名学生完成了本科毕业设计和学士学位论文。

（5）完成了清华大学的科学基金项目“旋转超声波加工关键技术与加工机理研究”，在《清华大学学报》和《机械工程学报》等杂志发表论文多篇。 （6）在机床研制过程中，先后有10多名青年教师和实验技术人员参加了研究工作。通过完成项目分配的任务，提升了青年教师和实验技术人员的工程能力、科研能力、团队精神和实验教学水平，促进了青年教师和实验技术队伍成长。2011年，青年教师徐伟国在我校青年教师的讲课比赛中，讲授有关超声波加工的内容，荣获校级一等奖。

尽管该项研究在关键技术上取得了一定成果，并很快应用到实验室建设中，但仍然有不少深入的理论和工艺问题需要进一步探讨和解决。例如：对旋转超声波加工机理的进一步研究；如何进一步减少超声波振动系统在能量传递过程中的损耗；如何将超声波铣削加工中的两轴半发展到3轴；如何进一步解决在硬脆材料加工中易崩刃、崩边和崩角等问题；如何进一步解决烧结金刚石与工具杆的连接强度问题和与主轴的同轴问题；如何进一步提高超声波机床操作时保护功能的可靠性等。 14年的科研实践使我们看到，高水平实验设备的研制是改进实验方法和手段、提高实验教学水平、促进实验技术人才成长的重要途径；同时也使我们看到，一种先

进的技术，是在研究和使用中逐步改善而趋于成熟的。因此，在我国高校的实验室建设中，针对本领域实验教学的需要，不仅要购置一流的实验设备和系统，而且要克服困难，创造条件，研制新的先进实验装备，或将科研成果转化为新的实验装备，并持续改进与完善，从而展现出实验室建设方面的研究实力、创新实力和实验教学水平，为建设高水平大学做出应有的贡献。

【相关文献】

［1］戴向国，傅水根，王先魁，等.旋转超声加工智能超声波发生器的研究［J］.清华大学学报，2002（2）：182-184.

［2］戴向国，傅水根，王先魁，等.新型超声变幅杆结构设计［J］.现代制造工程，2002（4）：42-43.

［3］宋夕超，张建华，董春杰.超声振动辅助混粉电火花表面强化试验研究［J］.电加工与模具，2011（5）：21-25.

［4］诸跃进.复合超声振动的脉冲电流电解去毛刺试验研究［J］.电加工与模具，2011（6）：41-44.

［5］戴向国，傅水根，等.超声加工用厚电极换能器振子的频率方程研究［J］.机械工程学报，2004（7）：71-74.

［6］戴向国，傅水根，金永仪.两面定位变幅杆的制造工艺与性能试验［J］.新技术新工艺，2004（6）：24-25.